Page 136 - 《爆炸与冲击》2025年第9期

第 45 卷 焦俊杰，等： 基于水下爆炸的爆轰产物JWL状态方程确定方法研究 第 9 期

detonation products with low cost, reduced size limitations and a wide pressure range.
Keywords: underwater explosion; JWL equation of state; bubble expansion; shock wave

爆轰产物状态方程是研究炸药性能的重要方法之一 。圆筒试验法是目前测定爆轰产物驱动能
[1]
力、标定 JWL 状态方程的最成熟的方法，已经被用于各种炸药性能的研究 [2-4] 。然而，圆筒试验法中的圆
筒由于膨胀发生破裂，爆轰产物会从中溢出，因此，利用圆筒试验进行标定的方法较难准确反映爆轰产
物在低密度、低压力（小于 0.1 GPa）时的膨胀特性 。为了避免爆轰产物溢出带来的影响，水下爆炸试验
[5]
[6]
法成为测定爆轰产物状态方程的另一种途径。该方法最早见于 Holton 的研究，经过 Cook 等 和 Rigdon [8]
[7]
的发展和改进，形成一套成体系的测试方法，被纳入美军军用标准 (MIL-STD-1751)。由于水下爆炸试验
中被测炸药与外部介质（水）充分接触，使得爆轰产物可以充分膨胀至很低的压力，因此，许多学者对通
过水下爆炸测定 JWL 参数的方法进行了研究。杨凯等 、沈飞等 [10] 和魏贤凤等 [11] 采用高速摄影对
[9]
TNT、含铝炸药和 PBX 炸药水中爆轰产物的膨胀位移曲线进行了试验研究，并采用与圆筒试验类似的二
维数值计算方法对炸药的 JWL 状态方程参数进行了确定。杨晨琛等 [5] 进一步从水中冲击波轨迹和波后
压力时程曲线出发，进行了由冲击波及其波后流场还原水气界面的逆特征线算法研究，并通过爆轰产物
状态方程的遗传算法获得了炸药的 JWL 方程参数。随后，李科斌等 [12] 通过压导式连续电阻丝探针测得
了工业改性铵油 ANFO 炸药的爆轰产物冲击波时程曲线，并通过有限元仿真软件对其 JWL 状态方程参
数进行了拟合。
综上可知，现有的水下爆炸试验从水中冲击波轨迹和波后压力时程曲线出发，通过冲击波及其波后
流场还原水气界面的逆特征线算法确定爆轰产物状态方程，但是没有充分考虑中压和低压阶段爆轰产
物对气泡膨胀做功的影响。本文中，基于水下爆炸气泡膨胀过程的能量守恒关系，通过水下爆炸法获取
相应的试验参数，得到基于水下爆炸试验的爆轰产物 JWL 状态方程确定方法，分析 RDX 炸药水下爆炸
气泡膨胀和冲击波阵面运动过程，测定 RDX 炸药爆轰产物 JWL 状态方程参数，并与圆筒试验获得的参
数进行比较，以验证所提出的方法的适用性和准确性。

1 水下爆炸法 JWL 状态方程确定方法

水 下 爆 炸 试 验 法 与 圆 筒 试 验 的 原 理 类 似 ， 通 过 水 下 爆 炸 气 泡 膨 胀 过 程 中 的 能 量 守 恒 关 系 确 定
JWL 状态方程。JWL 状态方程主要包括 3 项，可视为高压、中压和低压 3 个阶段，其形式为：

p s = Ae −R 1 V + Be −R 2 V +C/V 1+ω (1)
s
式中：p 为爆轰产物的压力，V 为爆轰产物的相对比容，A、B、C、R 、R 和 ω 为待定参数。
2
1
由热力学关系可知：
w
E s = − p s dV (2)
式中：E 为爆轰产物的等熵内能。转换式 (2) 可得到以等熵内能表示的 JWL 状态方程：
s
A −R 1 V B −R 2 V C
E s = e + e + ω (3)
R 1 R 2 ωV
水下爆炸气泡内爆轰产物膨胀过程满足能量守恒关系：

(4)
E s = E s|V=1 − E s0 − E pt − E c − E r
E s|V=1 为等容情况下炸药释放的能量，即爆热 Q；E 为初始冲击波能，由文献 [13-14] 可知，E 约占
0
0
式中： s s
爆热的 48%。E 为气泡膨胀对静水压力做的功，可表示为：
t
p
4π ( 3 3 )
E pt = p hyd R −R 0 (5)
3
0
c
式中：p hy d 为炸药入水深度处的静水压力，R 为气泡初始半径，R 为气泡运动到某一时刻的半径。E 为爆
炸气泡膨胀引起的水介质动能，可表示为：
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