fae外場試驗(yàn)中沖擊波壓力測量方法的分析

fae外場試驗(yàn)中沖擊波壓力測量方法的分析

燃料爆炸飛彈最早出現(xiàn)在越南的戰(zhàn)場。20世紀(jì)70年代，許多國家對fae云霧試驗(yàn)領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究工作。FAE燃料研究經(jīng)過了由氣態(tài)到液態(tài)再到固態(tài)的發(fā)展過程,但是,不管采用哪一種燃料配方,在針對FAE爆炸實(shí)驗(yàn)的多種診斷手段中,沖擊波超壓測量技術(shù)都得到了較為普遍的認(rèn)同和采用,該方法一直是確定FAE爆炸威力的有效手段。2云爆擊的特性2.1FAE云霧爆轟機(jī)理FAE云霧彈原理模型如圖1所示。當(dāng)裝有中心起爆藥的FAE云爆彈在空氣中起爆時(shí),中心裝藥首先起爆,產(chǎn)生的高溫、高壓爆炸產(chǎn)物對中心裝藥周圍的燃料產(chǎn)生強(qiáng)烈的高壓作用,使彈殼破裂。隨之燃料被拋撒形成細(xì)小的顆粒裹攜著空氣迅速擴(kuò)散,并逐漸向均勻密度方向發(fā)展。當(dāng)這種云霧達(dá)到臨界爆轟狀態(tài)后,即可形成云霧爆轟。云霧爆轟瞬間的現(xiàn)象如圖2所示。眾所周知,云霧爆轟和純炸藥的爆轟機(jī)理不同。反映在爆轟現(xiàn)象上,FAE爆轟和炸藥爆炸有著明顯的不同。這是因?yàn)镕AE云霧爆轟是密布球體的中間部分發(fā)生爆轟,而不是整個(gè)充實(shí)的球體。但是在云霧區(qū)外較遠(yuǎn)距離處,FAE裝置爆炸產(chǎn)生的沖擊波和空氣中炸藥的沖擊波一樣,也遵從經(jīng)典爆炸理論。炸藥在空中點(diǎn)爆炸的沖擊波超壓可用下式進(jìn)行近似計(jì)算Δp=0.084?w√3r+0.27?(w√3r)2+0.7?(w√3r)3Δp=0.084?w3r+0.27?(w3r)2+0.7?(w3r)3式中:Δp為沖擊波超壓,MPa;w為TNT爆炸當(dāng)量,kg;r為爆心距,m。在FAE爆轟過程中,等效爆炸當(dāng)量w是未知量,只要通過精確測量出不同爆心距處的沖擊波超壓,用上式就能求出等效爆炸當(dāng)量w。這也是我們實(shí)驗(yàn)測量沖擊波超壓,進(jìn)而推斷FAE爆轟過程成功與否的理論基礎(chǔ)。2.2爆進(jìn)行爆破后的燃料FAE云霧爆轟瞬間具有明顯的不對稱性。這是因?yàn)镕AE云爆彈的結(jié)構(gòu)是軸對稱的圓柱體結(jié)構(gòu),而不是球?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)所造成的;另外,FAE云爆彈爆轟機(jī)理與炸藥爆轟機(jī)理不同,不論是液體還是固體燃料裝藥的FAE裝置,在中心裝藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波的推動下,都必須在彈殼體破裂后才能拋出燃料。理論上彈殼體的破裂是各向同性的,實(shí)際上由于彈殼材料厚度的微小差異和機(jī)械加工程度的影響,燃料的中心拋撒有明顯的不對稱性。在爆轟瞬間圖像上,局部區(qū)域的亮點(diǎn)和暗點(diǎn)就是爆轟程度強(qiáng)弱不同的表現(xiàn)(如圖3所示)?？紤]到二次起爆點(diǎn)位置的不同,由里向外展開的“球幔部分”爆轟,加劇了這種徑向不對稱性,使得等效爆心的實(shí)際位置容易偏離爆轟發(fā)生前傳感器瞄準(zhǔn)的爆心位置,必然影響測量精度。因此采用一維點(diǎn)爆炸模型處理實(shí)測沖擊波數(shù)據(jù)不盡合理。如果從更精確的角度考慮,用二維點(diǎn)爆炸模型比較適宜。傳感器二維布點(diǎn)測量更為準(zhǔn)確。實(shí)際測量時(shí),傳感器的數(shù)量是有限的。為了保證測量的準(zhǔn)確性,進(jìn)一步減小測量誤差,有必要對自由場沖擊波壓力傳感器的布放位置進(jìn)行研究,尋找最佳布點(diǎn)。結(jié)合以上的分析,實(shí)驗(yàn)中測量沖擊波壓力的傳感器的布放位置如圖4所示。2.3實(shí)際傳感器的應(yīng)用炸藥在空氣中爆炸時(shí),沖擊波以球?qū)ΨQ狀向外傳播。當(dāng)沖擊波與地面相碰時(shí),產(chǎn)生了沖擊波的地面反射。沖擊波的地面反射可以分為規(guī)則反射、過渡反射、非規(guī)則反射、半球反射四種。非規(guī)則反射的特征是反射波陣面和入射波陣面的交點(diǎn)離開地面,交點(diǎn)的下面是合成波陣面。它的底部是垂直于地面的(即馬赫桿),該交點(diǎn)也是入、反射波陣面與合成波陣面的交點(diǎn),所以通常稱之為“三波點(diǎn)”。三波點(diǎn)的位置和馬赫桿的高度隨時(shí)間而變。對球面爆炸沖擊波來說,馬赫桿的高度是變化的,相應(yīng)的三波點(diǎn)軌跡是一條上凹的曲線,馬赫桿也是曲線。產(chǎn)生馬赫反射時(shí),沖擊波陣面流場如圖5所示。在三波點(diǎn)的下游,除了反射波所在的單波區(qū)外,馬赫桿還產(chǎn)生了雙波混合區(qū),這兩個(gè)區(qū)的狀態(tài)完全不同。實(shí)際沖擊波測量時(shí),如果壓力傳感器布放在三波點(diǎn)之上,就可測得入射波和反射波兩個(gè)波峰;如果壓力傳感器布放在三波點(diǎn)之下,反射波就會追上入射沖擊波,并“淹沒”入射波,這樣,傳感器測得的只是反射沖擊波;它與入射波明顯不同,峰壓大約是入射波的兩倍。但是,沖擊波地面反射系數(shù)和當(dāng)時(shí)地面環(huán)境等因素有關(guān),相比入射沖擊波而言,過多地引入不確定因素會影響整個(gè)測量精度。這也正是我們選用入射波測量方法的原因。實(shí)際測量時(shí),對6kg左右TNT當(dāng)量的FAE試驗(yàn),FAE爆炸裝置距離地面高度1.8~2.0m,傳感器的布放位置距離爆心5~12m。這樣做的目的是,既能測到良好的沖擊波信號,避開云霧區(qū),又不至于損壞傳感器。比例爆高在1.0~1.5m/kg1/3時(shí),三波點(diǎn)高度由經(jīng)驗(yàn)公式求得。對6kgTNT爆炸當(dāng)量來說,在爆心距6.5m處,三波點(diǎn)高度約為1.5m;在爆心距7m處,三波點(diǎn)高度約為2.0m;為此,專門制作了1.5、2.0、2.5、3.0m等不同高度的傳感器支架。試驗(yàn)證實(shí)這項(xiàng)改進(jìn)成功地消除了地面反射波的影響,克服了三波點(diǎn)對測量的影響,擴(kuò)大有效測點(diǎn)范圍。某次FAE試驗(yàn),實(shí)際測量波形如圖6所示。由圖中可看出,爆心距9.91m處,測到了入射波超壓為0.05MPa。據(jù)此推算,FAE裝置的爆炸威力約為2.5倍的TNT當(dāng)量。3壓電式壓力傳感器3.1傳感器選型選取PCB型空氣沖擊波傳感器137A22系列和137A23系列各兩只。該傳感器量程為0.69~3450kPa,分辨率為0.069kPa,靈敏度為1.45mV/kPa,諧振頻率>500kHz,線性度<1%?？紤]到PCB傳感器價(jià)格昂貴,試驗(yàn)中還選取了揚(yáng)州無線電二廠生產(chǎn)的壓電式壓力傳感器CY-YD-202。該傳感器專門用于自由場空氣沖擊波測量,測壓范圍為0.01~10MPa,線性度<1.5%,自振頻率>500kHz。3.2fae爆炸過程最大記錄長度為400m壓力測量系統(tǒng)的核心是數(shù)字示波器TEK460,其最高采樣頻率可達(dá)1GHz,最大記錄長度為120K個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),如果使用1MHz采樣率,最大記錄時(shí)間長度可達(dá)120ms,完全可以滿足FAE爆轟過程對測試記錄系統(tǒng)的要求。實(shí)際測量時(shí),采用1MHz采樣率。記錄系統(tǒng)框圖如圖7所示。3.3輸出信號自動標(biāo)定為了保證測量系統(tǒng)準(zhǔn)確可信,對整個(gè)測量系統(tǒng)進(jìn)行了多次標(biāo)定。有兩種方法:一種是信號源標(biāo)準(zhǔn)信號模擬輸入測量記錄,用數(shù)字示波器記錄輸出信號,求出整個(gè)系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差,其核心在于修正傳感器及適配器的動態(tài)傳遞誤差;另一種是整個(gè)測量系統(tǒng)建立后,采用定量TNT爆炸試驗(yàn),對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定,這種方法通常在試驗(yàn)中間進(jìn)行。整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過標(biāo)定和修正后,整個(gè)測量系統(tǒng)誤差可以保證在±10%以內(nèi)。4壓力波形上的“畸形”毛刺和讀取的干擾FAE試驗(yàn)的目的在于尋找最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和最佳裝藥設(shè)計(jì)。因此,沖擊波壓力波形的正確提取和判讀是關(guān)鍵之一。由于傳感器抗干擾能力的差異,實(shí)際測量壓力波形上的“畸形”毛刺較多。如果不去除這些干擾而直接讀取沖擊波壓力值,就會引入較大誤差。我們完成的基于LABview平臺的測量數(shù)據(jù)自動判讀和存儲軟件包方便實(shí)用,可以實(shí)現(xiàn)測量記錄系統(tǒng)自動化,但是在波形判讀這個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)上則明顯不如人工判讀真實(shí)可信。沖擊波壓力波形準(zhǔn)確判讀后,再利用我們自己設(shè)計(jì)的程序進(jìn)行計(jì)算和處理,最后給出所需的爆炸參數(shù)等。5壓力測試系統(tǒng)(1)FAE爆轟試驗(yàn)中,遠(yuǎn)離云霧區(qū)域(R爆心距?R云霧區(qū))時(shí),可以采用經(jīng)典的點(diǎn)爆炸理論。(2)合理的傳感器布放對提高測量系統(tǒng)精度效果明顯。(3)實(shí)際測量前,傳感器和整個(gè)測量系統(tǒng)必須經(jīng)過標(biāo)定和校準(zhǔn)。(4)波形判讀要依據(jù)沖擊波特征正確識別和判讀,要正確剔除波形上的干擾噪聲和