燃料空氣炸藥固體燃料濃度動態分布試驗研究

郭明儒,婁文忠,金鑫,代西明(北京理工大學機電工程控制國家重點實驗室,北京100081)

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燃料空氣炸藥固體燃料濃度動態分布試驗研究

郭明儒,婁文忠,金鑫,代西明
(北京理工大學機電工程控制國家重點實驗室,北京100081)

摘要:合適的燃料云團濃度是云爆燃料爆轟的前提條件,但是受到拋撒作用機理復雜、測試設備不完善等因素制約,針對云爆彈燃料云團濃度動態分布的試驗研究還很欠缺。建立基于CMM-1濃度檢測微系統的陣列式濃度測試系統,對由縮比拋撒裝置產生的燃料云團濃度進行動態檢測,形成燃料濃度隨時間和空間的變化曲線,并獲得了燃料濃度峰值的變化規律。試驗結果表明:該試驗裝置和試驗方法能夠獲得云爆彈燃料濃度的動態分布情況,可以為云爆彈戰斗部設計和二次起爆設計提供技術支持。

關鍵詞:兵器科學與技術;云爆彈;濃度;分布;檢測

0　引言

二次起爆型云爆彈的作用過程為:云爆彈到達目標上空后,在一次引信和中心拋撒藥作用下,將燃料拋撒到空氣中形成燃料云團;滿足一定條件時,通過二次引信引爆燃料云團,形成爆轟反應,實現毀傷效果。在這一過程中,燃料云團的形狀和尺寸等特性嚴重影響爆轟的殺傷范圍和持續時間,而燃料云團的濃度作為云爆燃料爆轟的前提條件,直接決定著能否成功形成爆轟反應。作為提高云爆彈作戰威力的重要途徑,燃料拋撒和云霧控制一直是云霧爆轟技術研究的熱點和難點[1]。

國外可查閱的研究成果主要集中于理論研究和數值仿真方面。1969年,Zabelka根據爆炸作用力和空氣阻力的相對變化,將燃料拋撒過程分為“近場”和“遠場”兩個階段[2],這一劃分在后續研究中被廣泛接受和采用; Gardnezrlol[3]和Galss[4]分別于1990年和1991年對云霧拋撒的“近場”階段和“遠場”階段進行了數值仿真,其中“近場”階段的數學模型和仿真結果存在一定爭議,仍然有待驗證。近年來,國外相關研究主要集中于采用計算機仿真和圖像處理方法對燃料拋撒運動機理進行分析研究,燃料成分從最初的液態燃料逐步擴展到固體顆粒燃料和液體-固體混合燃料。

國內開展相關研究起步較晚,但是研究范圍較為廣泛,在燃料拋撒過程理論分析[5-6],燃料氣云特征參數(形狀、尺寸和擴散速度等)數值仿真[7-9]以及拋撒裝置參數(殼體材質、結構和比藥量等)對云霧狀態影響的試驗研究[10-12]等多個方面開展了富有成效的研究。

雖然目前針對燃料拋撒過程的研究已經廣泛開展并取得了一定成果,但是受到拋撒過程機理復雜和測試設備不完善等因素阻礙,針對云爆彈燃料云團中燃料濃度動態分布的專門研究還是處于起步階段。僅有部分文獻給出了燃料拋撒時濃度分布的數值仿真結果[8],而且這些結果均為拋撒過程研究的衍生產物,計算模型和仿真結果尚未得到有效驗證;關于燃料濃度動態分布的試驗研究至今還是空白。

針對以上問題,通過對測試設備、試驗方法及結果分析方法進行優化設計,開展了燃料云團濃度動態分布的試驗研究,獲得了由某縮比拋撒裝置產生的燃料云團濃度時空分布規律。

1　試驗條件與方法

1.1試驗目的和方法

本次試驗研究的目的在于測量某種拋撒裝置產生的燃料云團濃度,建立基于該裝置的燃料濃度動態分布規律。

阻礙燃料云團濃度分布研究的主要因素包括燃料拋撒過程的復雜性、云爆燃料成分多樣性和高濃度、高動態混合物檢測設備的不完善。針對以上問題,分別在測試設備、測試系統、試驗方法及結果分析方面進行了研究,形成了新的試驗方法。

該試驗方法的核心包括:

1)設計可以直接測量高濃度混合物濃度值的CMM-1濃度檢測微系統,實現直接測量;

2)建立陣列式測試系統,實現對燃料云團的多點測試;

3)采用成分單一、粒徑相似、性質穩定的等效物模擬云爆藥劑,減少因燃料成分產生的復雜度;

4)采用與真實云爆彈裝置類似的縮比結構和相同的拋撒方式產生燃料云團,提高拋撒過程與真實情況的一致性,保證研究結論等效成立;

5)采用濃度檢測微系統實現燃料云團濃度的直接測量,同時保留高速攝像圖像,最后對兩種方法的處理結果進行對比和綜合。

1.2試驗裝置及參數

試驗使用的裝置包括濃度檢測微系統、云霧拋撒裝置、高速攝像、尺寸標識桿及其他附件。

1.2.1CMM-1濃度檢測微系統

CMM-1濃度檢測微系統是針對高濃度混合物設計制作的濃度檢測微系統[13]。CMM-1以超聲在混合物中傳播時發生衰減為基本測試原理,采用精密信號處理電路對特定頻段超聲在云霧中的衰減進行測量,根據兩相離散系聲波衰減模型中較為完善的ECAH模型對超聲衰減信息進行處理,結合燃料顆粒的物理參數計算混合物濃度。

前期研究成果表明CMM-1能夠對濃度范圍為50～1 000 g/ m3的混合物進行直接測量,測試精度不低于1%,檢測時間不大于1 ms.CMM-1采用微型化、模塊化和低功耗設計,系統功耗小于300 mw,可以配置為模擬聲信號輸出、數字聲信號輸出、計算濃度數字輸出和存儲測試等多種工作方式。該系統不僅可用于云爆彈燃料濃度檢測,還可以廣泛應用于工業測量和環保監測等其他領域。

CMM-1濃度檢測微系統的系統框圖如圖1所示。

本次試驗中,濃度檢測微系統設置為數字聲信號存儲測試模式,即只對原始聲信號進行采樣和A/ D轉換,不進行濃度解算,數據存儲于微系統內部,試驗完畢后輸出到計算機進行處理。濃度檢測微系統采樣頻率設置為500 kHz,采樣長度4 500 ms.

圖1　CMM-1濃度檢測微系統框圖Fig.1 Schematic diagram of concentration measurement microsystem CMM-1

1.2.2拋撒裝置

拋撒裝置用于將模擬燃料拋撒到環境中形成燃料云團。

如圖2所示,本研究使用的云霧拋撒裝置總體采用薄殼圓柱結構。裝置由殼體、模擬燃料、拋撒藥、雷管和管殼構成。殼體材質為聚乙烯,半徑50 mm,高度145 mm;模擬燃料采用硅酸鹽水泥粉末,設計裝藥量1 000 g;拋撒藥為TNT炸藥,藥柱尺寸為φ20 mm×20 mm,藥量10 g.

圖2　縮比拋撒裝置Fig.2 Scaled-down dispersing device

1.3試驗系統布置

試驗系統布置在開闊環境中,布置方式如圖3所示。

圖3中,云霧拋撒裝置懸掛在支架上,拋撒裝置幾何中心距地面2.5 m.

以拋撒裝置在地面的豎直投影為中心布置濃度檢測陣列:檢測陣列由3組(A,B,C)扇形布置的濃度檢測微系統構成,相鄰兩組夾角為45°;每組包含3個濃度檢測微系統,相鄰間距為1 m;濃度檢測微系統的傳感器高度與云霧拋撒裝置中心等高。

圖3　試驗系統布置(俯視圖)Fig.3 Layout of experimental system (top view)

在距離中心20 m處布置高速攝像機,攝像機拍攝方向與A組濃度檢測微系統的連線垂直。在高速攝像機拍攝范圍內設置尺寸標志桿,標志桿橫向距離6 m,且尺寸標志桿的連線與拍攝方向垂直。

2　數據分析與討論

2.1數據流程分析

本次研究實際進行試驗8次,試驗中獲得信息包括濃度測試原始數據和高速攝像圖片,試驗后根據圖4所示流程開展數據處理。

圖4　數據處理流程圖Fig.4 Data processing flow chart

2.2圖像分析

試驗獲得的典型高速攝像圖片如圖5所示。

根據處理流程,首先分別統計各次試驗中云霧在長度和寬度方向的尺寸變化,然后根據云霧形狀采用圓柱狀幾何模型進行體積計算,忽略中心空洞并假設云霧在云團范圍內均勻分布進行平均濃度計算,依次形成典型結果如圖6～圖8所示。

圖5　拋撒過程的高速攝像圖片Fig.5 Photoes of dispersing process

圖6　燃料云團尺寸-時間曲線Fig.6 Fuel cloud dimension vs.time

圖7　燃料云團體積-時間曲線Fig.7 Fuel cloud volume vs.time

圖8　燃料云團平均濃度-時間曲線Fig.8 Average concentration vs.time

為了便于進行定量分析,根據常規圖像信息處理方法,選取云霧拋撒后約35 ms,云霧尺寸基本穩定階段的相關數據,并結合拋撒裝置的相關參數,可以形成燃料云團特征參數如表1所示。

表1　燃料云團特征參數表Tab.1 The characteristic parameters of fuel cloud

根據圖6～圖8及表1信息可知:采用縮比拋撒裝置形成的燃料云團呈寬高相近的圓柱狀;云霧尺寸和體積隨時間逐漸增大,平均濃度相對減小,但是變化速度呈現明顯的先快后慢變化,可以據此將云霧擴散過程分為兩個階段,快速沉降階段和穩定擴散階段;當云霧尺寸基本穩定時,燃料云團與模擬裝置的半徑比約為31,體積比約為1 030,云霧平均濃度約為67 g/ m3.

2.3聲衰減信號數據分析

試驗中獲得的典型超聲衰減曲線如圖9所示。

圖9　超聲幅值衰減曲線Fig.9 Amplitude attenuation curve of ultrasound

根據圖4所示處理流程進行數據處理,即可獲得各個測試點的瞬態濃度分布曲線;進一步提取曲線特征數據,形成濃度曲線特征參數表。典型的濃度分布曲線及特征參數表分別如圖10和表2所示。

圖10　相對濃度分布曲線Fig.10 Curves of relative concentration distribution

表2　濃度分布曲線特征值Tab.2 Characteristic values of concentration distribution curve

分析圖10中濃度數據變化趨勢,結合試驗條件,可以得到云爆彈固態燃料濃度分布具有以下規律和特點:

1)在同一測試點,燃料云團濃度均表現出先增大后減小的趨勢,峰值出現時間隨測試節點與爆炸中心距離增大而增大;

2)在不同測試點,濃度峰值及濃度變化速度隨測試節點與爆炸中心距離增大而減小,本次試驗中各測試節點A1、A2、A3處濃度峰值比約為10∶6∶4;

3)云霧拋撒12 ms后,測試節點A1處云霧濃度小于測試節點A2和A3處的云霧濃度,即云霧分布呈現出外高內低的趨勢,符合拋撒理論中關于燃料“空洞”現象的描述,可以認為該時刻形成了“空洞”;

4)測試節點A2出現雙峰值,其中第一峰值下降沿與測試節點A1濃度抖動時間一致,分析認為此時燃料在壓強及濃度差作用下發生了雙向運動,一部分燃料向爆炸中心方向運動,符合“遠場-近場”劃分的相關理論。

3　結論

本文采用濃度檢測微系統建立測試陣列,獲得了某拋撒裝置條件下的燃料濃度時空變化曲線,據此對云霧濃度變化趨勢及濃度峰值擴散規律進行了初步研究。研究表明任意測試點處云霧濃度峰值的大小及其出現時間分別與該點到爆炸中心的距離呈反比和正比;本試驗還對燃料分布的“空洞”現象及“遠場-近場”階段劃分進行了驗證。

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Experimental Research on Dynamic Concentration Distribution of FAE Solid Fuel

GUO Ming-ru, LOU Wen-zhong, JIN Xin, DAI Xi-ming
(National Key Laboratory of Electro-mechanics Engineering and Control, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Abstract:The appropriate concentration of fuel cloud is a precondition of the detonation reaction.Because of the complex mechanism of the dispersing process and the lack of the testing devices, the special experimental research on the dynamic concentration distribution of fuel is still very lack.An array experimental system based on the concentration measurement microsystem CMM-1 is established to detect the concentration of the fuel cloud generated by a scaled-down dispersing device; the temporal and spatial variation curves of the fuel concentration are obtained, and the change law of the concentration peak is established.The experimental results show that the dynamic concentration distribution of fuel can be obtained using the experiment system and the proposed method.

Key words:ordnance science and technology; fuel air explosive; concentration; distribution; measurement

作者簡介:郭明儒(1986—),男,博士研究生。E-mail:jiaoluo@ bit.edu.cn;婁文忠(1969—),男,教授,博士生導師。E-mail:louwz@ bit.edu.cn

基金項目:國家部委“十二五”預先研究項目(00404010601)

收稿日期:2015-03-18

DOI:10.3969/ j.issn.1000-1093.2016.02.005

中圖分類號:TJ01

文獻標志碼:A

文章編號:1000-1093(2016)02-0226-06