正交多狹縫掃描技術(shù)在偏心起爆波形分析中的應(yīng)用*

沈　飛,王　輝,任新聯(lián),袁建飛

(西安近代化學(xué)研究所,西安　710065)

正交多狹縫掃描技術(shù)在偏心起爆波形分析中的應(yīng)用*

沈飛,王輝,任新聯(lián),袁建飛

(西安近代化學(xué)研究所,西安710065)

摘要:為研究裝藥在偏心起爆條件下的爆轟波傳播特性,采用正交多狹縫掃描技術(shù)對裝藥表面的爆轟波傳播過程進(jìn)行觀測,從兩個垂直方向同時記錄了多條掃描跡線,通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,獲得了爆轟波在狹縫交點(diǎn)處的傳播速度及方向,并繪出了定向區(qū)域的波形演變圖。結(jié)果表明,正交多狹縫掃描技術(shù)能夠較全面地記錄裝藥偏心起爆時爆轟波傳播過程的信息,可以為爆轟波傳播特性及波形變化規(guī)律的研究提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞:偏心起爆;爆轟波;高速掃描相機(jī);正交狹縫掃描

0引言

偏心起爆式定向戰(zhàn)斗部作為一種新型高效毀傷戰(zhàn)斗部技術(shù),主要通過改變起爆點(diǎn)位置和控制爆轟波波形來提高目標(biāo)方向上的破片密度及破片速度[1-6],所以研究偏心起爆時爆轟波的傳播特性可以為該類戰(zhàn)斗部的設(shè)計提供重要參考。

裝藥偏心起爆時爆轟波的傳播過程有時較為復(fù)雜,這方面的研究一般采用狹縫式高速掃描等測試手段進(jìn)行。一些學(xué)者開展了這方面的探索,如文獻(xiàn)[7-8]中采用平行三狹縫掃描技術(shù)分別對兩點(diǎn)偏心起爆的圓柱形B炸藥及復(fù)合裝藥的爆轟波陣面進(jìn)行了觀測,并繪制出了觀測方向上不同時刻的波形圖。然而,裝藥多點(diǎn)偏心起爆時,爆轟波陣面上各點(diǎn)的法向速度在不斷變化,采用平行多狹縫掃描技術(shù)只能獲得某個方向上的相位移[8-9],這雖然可以判斷該方向上波形的變化,但難以判斷爆轟波的真實(shí)傳播速度及方向。如果采用兩臺高速掃描相機(jī)在相互垂直的方向上同時進(jìn)行多狹縫掃描,則可以形成一個觀測網(wǎng),且能夠分析出狹縫交點(diǎn)處的爆轟波傳播速度及方向,從而可以更全面地了解爆轟波的傳播特性及波形變化規(guī)律。基于此,本研究采用該技術(shù)對裝藥兩點(diǎn)偏心起爆條件下爆轟波的傳播特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探索,以驗(yàn)證該方法的可行性。

1實(shí)驗(yàn)裝置及布局

實(shí)驗(yàn)爆炸裝置主要由主裝藥、傳爆藥、光探板、定位環(huán)、雷管組成,其中,主裝藥為以HMX為主要成分的壓裝藥柱,密度為1.81 g/cm3,尺寸為Φ100×20 mm,中心位置具有Φ20 mm的通孔。裝配過程中,將主裝藥放置于定位環(huán)內(nèi),定位環(huán)上有兩個Φ8 mm的小孔,其夾角為60°,小孔內(nèi)可放置傳爆藥柱及雷管。為了獲得清晰的爆轟波軌跡,可將有機(jī)玻璃光探板與主裝藥的測量端面粘貼,并預(yù)留0.1 mm左右的間隙,當(dāng)沖擊波進(jìn)入空氣隙時,隙中空氣電離而發(fā)出強(qiáng)光,而沖擊波離開光探板后,又能夠阻止后續(xù)爆轟產(chǎn)物的光線進(jìn)入鏡頭,起到了爆炸快門的作用[9]。波形掃描實(shí)驗(yàn)的布局如圖1所示,所用相機(jī)為SJZ-15型氣動轉(zhuǎn)鏡式相機(jī),每臺相機(jī)均使用3個等間距狹縫進(jìn)行掃描,狹縫的寬度為0.02 mm,Ⅰ號相機(jī)的狹縫對準(zhǔn)裝藥的豎直方向,其編號分別為狹縫1、2、3,Ⅱ號相機(jī)的狹縫對準(zhǔn)裝藥的水平方向,其編號分別為狹縫1′、2′、3′,相機(jī)的掃描速度均設(shè)置為6 mm/μs,當(dāng)相機(jī)均達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速后兩個起爆點(diǎn)同時起爆。

圖1　實(shí)驗(yàn)布局示意圖

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)所獲得的動態(tài)掃描底片如圖2所示,由于狹縫2及2′均經(jīng)過中心孔位置,所以其波形的中心部位處應(yīng)是空缺的,但受光線在圓孔內(nèi)折射等因素的影響,該處存在一些雜光,判讀過程中可以跳過。對底片進(jìn)行數(shù)字化判讀后,可結(jié)合狹縫的間距、相機(jī)掃描速度、圖像放大比等參數(shù)得到實(shí)驗(yàn)的波形曲線。若選擇豎直方向?yàn)閥軸,水平方向?yàn)閤軸,則波形曲線如圖3所示,在圖3(a)中,由于狹縫1和3所掃描的位置關(guān)于y軸對稱,所以這兩條曲線重合。這些曲線只是描述了從不同方向觀測的相位移隨時間的變化過程,并不表示爆轟波沿法線方向的傳播軌跡。此外,曲線在某個位置點(diǎn)的斜率表示該處的相速度,可采用差分法進(jìn)行計算。圖4描述了豎直和水平狹縫位置處的相速度隨位移的變化曲線,其中,vx和vy分別為沿著x和y軸方向觀察的相速度,圖4(b)中由于相速度峰值較大,所以縱坐標(biāo)選用lg(vx)。

水平和豎直狹縫在炸藥端面能夠形成若干個交點(diǎn),且由于同一方向的狹縫之間是等間距的,則在炸藥端面形成一個規(guī)則的“網(wǎng)”,若能夠通過實(shí)驗(yàn)掃描結(jié)果計算出各個交點(diǎn)處爆轟波的傳播速度及方向,則可以全面、準(zhǔn)確地了解爆轟波的傳播過程。本研究中狹縫在炸藥的測試端面共形成了9個交點(diǎn)(如圖5所示),其中一個交點(diǎn)位于中心孔位置,所以只能獲得8個交點(diǎn)的有效信息。同時,根據(jù)底片的放大比可計算出兩張底片中狹縫的間距,狹縫1、2、3的間距為16.7 mm,狹縫1′、2′、3′的間距為17.2 mm,從而能夠確定出圖中各個交點(diǎn)的坐標(biāo)。

圖2　狹縫掃描底片

圖3　掃描測試結(jié)果

圖4　沿不同方向觀測的相速度變化曲線

圖5　狹縫交點(diǎn)位置示意圖

圖6　法向速度與相速度關(guān)系圖

對于各個交點(diǎn)處爆轟波的傳播速度及方向的確定,可以根據(jù)兩臺相機(jī)的掃描結(jié)果并結(jié)合圖6中所示的幾何關(guān)系進(jìn)行分析。在圖6中,vs為爆轟波陣面的法向速度,θ為法向速度與y軸的夾角,根據(jù)其幾何關(guān)系,可知:vs=vxsinθ

(1)

vs=vycosθ

(2)

θ=arctan(vy/vx)

(3)由式(1)和式(2)能得到如下公式:

(4)

因此,可以根據(jù)式(3)和式(4)計算出爆轟波經(jīng)過各個交點(diǎn)時的法向速度及方向,由于點(diǎn)g、f、e分別與點(diǎn)a、b、c關(guān)于y軸對稱,則只需要計算出5個交點(diǎn)的相關(guān)物理量,其計算結(jié)果如表1所示,此外,點(diǎn)h、d位于對稱軸上,爆轟波經(jīng)過這兩處時vs與vy相等。

表1　狹縫交點(diǎn)處的爆轟波參數(shù)

圖7　豎直狹縫所得波形圖

3結(jié)論

本研究中采用正交多狹縫掃描技術(shù)對兩點(diǎn)偏心起爆條件下爆轟波的傳播過程進(jìn)行了觀測,同時獲得了兩個垂直方向的多個爆轟波掃描跡線,獲得了8個狹縫交點(diǎn)處爆轟波的速度及偏轉(zhuǎn)角度,表明該技術(shù)對于偏心起爆波形的分析具有較好的效果。但所用的狹縫數(shù)對于更復(fù)雜的裝藥結(jié)構(gòu)(如復(fù)合裝藥等)的研究仍然偏少,所獲信息難以滿足全面了解爆轟波傳播特性的要求,在后續(xù)的研究中可以采用更多的狹縫數(shù)進(jìn)行觀測,從而形成更為嚴(yán)密的觀測網(wǎng)。

參考文獻(xiàn):

[1]梁爭峰. 定向戰(zhàn)斗部毀傷效能增益研究 [D]. 西安: 西安近代化學(xué)研究所, 2005.

[2]孫學(xué)清, 張國偉, 楊陜平. 定向戰(zhàn)斗部破片飛散方向控制技術(shù)研究 [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報, 2008, 28(1): 102-104.

[3]宋柳麗. 偏心起爆式定向戰(zhàn)斗部破片速度分布及增益研究 [D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2008.

[4]蘭志, 楊亞冬, 韓玉. 起爆方式對偏心式定向戰(zhàn)斗部破片速度分布的影響研究 [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報, 2010, 30(3): 159-161.

[5]黃靜, 孔凡勛, 袁晉, 等. 多點(diǎn)偏心起爆對破片速度增益的影響 [J]. 現(xiàn)代防御技術(shù), 2011, 39(6): 37-42.

[6]孫興昀. 定向戰(zhàn)斗部偏心多點(diǎn)起爆技術(shù)及其增益效能研究 [D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2013.

[7]袁寶慧, 楊凱. 多狹縫掃描技術(shù)在偏心起爆定向戰(zhàn)斗部實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用研究 [C]∥2007年戰(zhàn)斗部與毀傷效率專業(yè)委員會第十屆學(xué)術(shù)年會論文集. 西安: 西安近代化學(xué)研究所, 2007: 553-556.

[8]丁剛, 袁寶慧. 復(fù)合裝藥偏心起爆的爆轟波特性 [J]. 火炸藥學(xué)報, 2009, 32(2): 79-82.

[9]譚顯祥. 光學(xué)高速攝影測試技術(shù) [M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1990.

收稿日期:2014-06-16

作者簡介:沈飛(1983-),男,江蘇南通人,工程師,碩士,研究方向:爆炸作用與毀傷技術(shù)。

中圖分類號:O389;TJ55

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

Application of Orthogonal Slits Scanning Technology on the
Waveform Analysis of Off-axis Initiation

SHEN Fei,WANG Hui,REN Xinlian,YUAN Jianfei

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an 710065, China)

Abstract:For study on detonation wave characteristics of charge under off-axis multi-spot initiation, the orthogonal slits scanning technology was used to observe propagation process of detonation wave on the surface of charge. Multiple scanning traces were recorded for both orthogonal directions. The propagation speed and direction of detonation wave in the intersection points of the slits was obtained by analyzing the traces, and evolution program diagram of waveform in aimed direction was drawn. The obtained results indicate that the orthogonal slits scanning technology can record the information of detonation wave process under off-axis multi-spots initiation more thoroughly. Furthermore, the technology can provide adequate evidence for analyzing the propagation characteristics and waveform evolution of detonation wave.

Keywords:off-axis initiation; detonation wave; high speed scanning camera; orthogonal slits scanning