水下爆炸氣泡射流載荷陣列測量技術(shù)探索*

盛振新，劉建湖，張顯丕，杲 濤，陳江濤，楊 靜

（中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫214082）

隨著近年來引信和制導(dǎo)技術(shù)的快速發(fā)展，水中兵器近場爆炸已成為攻擊艦船的主要方式。水中兵器戰(zhàn)斗部在艦船結(jié)構(gòu)附近爆炸時，氣泡在收縮階段受到固壁效應(yīng)力（Bjerknes力）的作用會向艦船運動，宛如氣泡被艦船目標(biāo)所吸引。然后氣泡發(fā)生失穩(wěn)潰滅，在遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)一側(cè)出現(xiàn)坍塌，并沿著坍塌方向形成一股水射流。水射流以極高的速度穿透氣泡，并最終作用在結(jié)構(gòu)上。氣泡射流使氣泡能對結(jié)構(gòu)的作用更集中，可大幅提高水中兵器對目標(biāo)的局部毀傷威力，已成為研究人員越來越關(guān)心的問題。

由于氣泡脈動、坍塌、射流形成等一系列物理現(xiàn)象非常復(fù)雜，難以通過理論方法得出氣泡射流演化過程的解析解，因此，主要是采用數(shù)值模擬或試驗的方法對氣泡射流進(jìn)行研究[1-19]。經(jīng)過多年的研究，目前在氣泡演化過程、射流形狀和速度及射流影響條件等問題上取得了很多成果，初步獲取了氣泡射流作用在結(jié)構(gòu)表面的載荷特性，但是尚未經(jīng)過有效的試驗測量。氣泡射流載荷有效測量的難點主要在于以下兩點：（1）水下近場爆炸時才會形成氣泡射流，因此氣泡射流測量時傳感器處于復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境中，傳感器及測量導(dǎo)線極易發(fā)生損壞，導(dǎo)致難以測得完整的載荷時程；（2）氣泡射流實際上是一股水柱，是非均勻分布的面載荷，目前采用的單點測量方式難以準(zhǔn)確獲取載荷的空間分布特性。

本文中主要針對上述兩個難點開展研究。針對獲取氣泡射流載荷空間分布的問題，采用陣列傳感方式進(jìn)行測量，在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上[20-25]，設(shè)計陣列傳感器。針對復(fù)合加載下傳感器防護(hù)的問題，首先分析復(fù)合壓-拉載荷與傳感器的相互作用，摸清傳感器在復(fù)合載荷下的損壞機(jī)理，設(shè)計有效的防護(hù)裝置。在此基礎(chǔ)上，在小型觀測水槽內(nèi)開展小當(dāng)量水下爆炸試驗，采用陣列傳感器測量獲取氣泡射流壓力時程曲線，同時采用高速攝像獲取氣泡射流的演化過程。最后，基于試驗測量結(jié)果，給出氣泡射流載荷的時空分布特性。以期本文中建立的測量技術(shù)可為氣泡射流的深入研究提供有效測量手段，為水中兵器高效毀傷和艦船抗爆抗沖擊優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)支撐。

1 陣列傳感器設(shè)計

陣列傳感器是在同一基體上通過特殊方式加工出多個規(guī)則排列的小型敏感元，其設(shè)計主要包括敏感材料、傳感器結(jié)構(gòu)形式和傳感器尺寸。

1.1 敏感材料

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，陣列傳感器的材料主要分為壓電和壓阻兩種，其中壓電材料大多采用PVDF壓電薄膜，這是由其自身的優(yōu)點決定的：（1）PVDF壓電薄膜較薄，厚度可以達(dá)到幾十個μm，質(zhì)地柔軟，與結(jié)構(gòu)貼合較好，便于安裝，且不局限于平面結(jié)構(gòu)；（2）具有較高的沖擊強(qiáng)度，可承受強(qiáng)沖擊載荷，為有效測量時長提供基礎(chǔ)；（3）沖擊波和水射流載荷既包含高頻信號也包含低頻信號，而PVDF壓電薄膜的頻響較高，滿足測試要求；（4）聲阻抗較低，與水的聲阻抗接近，使得信號傳輸效率更高。基于以上4點考慮，選取PVDF壓電薄膜作為敏感材料，厚度選取30μm。

1.2 傳感器結(jié)構(gòu)形式

通過調(diào)研和對比分析，采用圖1所示的傳感器結(jié)構(gòu)形式。通過濕法刻蝕將PVDF上下表面的鋁膜制成電極陣列，鋁電極為上表面，每n點為1行共用1根導(dǎo)線，下表面每n點為1列共用1根導(dǎo)線，上下表面的點電極對稱為一個電容器單元。該分布形式需要的引線數(shù)量為n×2。

圖1 點陣式敏感元分布形式Fig.1 Distribution of sensitive elements

1.3 傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)

陣列傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括敏感區(qū)域尺寸和敏感元密度。基于現(xiàn)有氣泡射流載荷單點測量和數(shù)值計算結(jié)果[18]，氣泡射流載荷作用區(qū)域半徑約為最大氣泡半徑的1/10。為防止氣泡射流偏出敏感區(qū)域，敏感區(qū)域半徑應(yīng)不小于作用區(qū)域的2倍，即≥0.2倍最大氣泡半徑。同時，為保證氣泡射流載荷空間分布的準(zhǔn)確測量，敏感元分布密度需滿足一定要求，取測點密度≥1 cm?2，呈8×8矩陣排列。

1.4 傳感器設(shè)計結(jié)果

根據(jù)上述研究，針對1個雷管水中爆炸氣泡射流（氣泡最大半徑約160 mm），設(shè)計了陣列傳感器，如圖2所示，主體尺寸為80 mm×80 mm，電極陣列規(guī)格為8×8。

圖2 陣列傳感器Fig.2 An array sensor

2 陣列傳感器防護(hù)裝置設(shè)計

陣列傳感器防護(hù)裝置設(shè)計，首先進(jìn)行氣泡射流載荷測量時傳感器受力分析，弄清傳統(tǒng)方式測量時傳感器的損壞機(jī)理，然后進(jìn)行防護(hù)裝置設(shè)計，并進(jìn)行試驗驗證。

2.1 傳統(tǒng)方式測量時傳感器損壞機(jī)理

圖3為采用單點式PVDF傳感器測量氣泡射流載荷時的損壞情況，從圖3中可以看出：傳感器表面涂覆的環(huán)氧材料在空化拉扯作用下與傳感器和鋼板結(jié)構(gòu)均脫開，導(dǎo)致測量中斷。

圖3 單點式PVDF傳感器測量氣泡射流載荷時的損壞情況Fig.3 Damageof a single PVDFsensor used to measure bubble jet load

測量氣泡射流載荷時，藥包與傳感器之間的距離較近，因此傳感器所處的力學(xué)環(huán)境非常復(fù)雜，分析認(rèn)為傳感器受到的載荷主要包括：(1)幾十MPa 級的前驅(qū)沖擊波壓力，會對傳感器產(chǎn)生擠壓；(2)沖擊波與結(jié)構(gòu)作用后會反射稀疏波，同時結(jié)構(gòu)表面會出現(xiàn)空化現(xiàn)象，對傳感器產(chǎn)生拉扯，使傳感器與鋼板結(jié)構(gòu)脫開；(3)氣泡射流入射產(chǎn)生幅值較大的沖擊壓力；(4)水射流垂直入射到結(jié)構(gòu)上之后產(chǎn)生速度很高的側(cè)向水流，會沖刷傳感器，很可能造成傳感器與導(dǎo)線接頭處損壞，導(dǎo)致測量中斷。

2.2 陣列傳感器防護(hù)裝置設(shè)計

根據(jù)2.1節(jié)中傳統(tǒng)方式測量時傳感器損壞機(jī)理分析結(jié)果，針對陣列傳感器進(jìn)行防護(hù)裝置設(shè)計。如圖4所示，該防護(hù)裝置主要包括底座、橡膠密封墊、薄膜和壓板，內(nèi)部充滿硅油，陣列傳感器懸浮于硅油中，傳感器的16根電極通過接線板與測量導(dǎo)線連接。該防護(hù)裝置具有以下優(yōu)點：

（1）由于薄膜和硅油的阻抗均與水的阻抗較接近，傳播到陣列傳感器上的沖擊波失真度較小；

（2）陣列傳感器懸浮于硅油中，可避免結(jié)構(gòu)表面反射稀疏波和空化對傳感器的拉扯；

（3）陣列傳感器懸浮于硅油中，還可有效消除壓電薄膜橫向疊加效應(yīng)引起的干擾信號；

（4）硅油具有良好的絕緣性能。

為了驗證傳感器防護(hù)裝置的有效性，開展了氣泡射流載荷測量試驗。試驗在小型觀測水槽內(nèi)進(jìn)行，試驗總體布置如圖5所示，將組裝完成的防護(hù)裝置放置于鋼板迎爆面中心，鋼板四角通過吊繩懸掛于水槽內(nèi)，雷管懸掛于水槽中心，位于防護(hù)裝置中心正上方，同時在相同距離處布置1個PCB壓力傳感器。試驗工況如表1所示，薄膜材料包括熱塑性聚氨酯彈性體橡膠（thermoplastic polyurethane，TPU）、硅膠、聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)及復(fù)合結(jié)構(gòu)，表中距徑比為爆距與氣泡最大半徑之比。

圖4 陣列傳感器的防護(hù)裝置Fig.4 Theprotection device of the array sensor

圖5 氣泡射流測量試驗布置Fig.5 Experimental arrangement of bubble jet load measurement

表1 防護(hù)裝置薄膜試驗工況及試驗后薄膜損傷情況Table 1 Test events of protection deviceand damage results of protection films after tests

各工況試驗后薄膜損壞情況如圖6所示：工況1中TPU 薄膜在氣泡射流作用下出現(xiàn)破口；工況2中硅膠薄膜花瓣撕裂成6片；工況3中PET薄膜沿壓板被環(huán)向切割；工況4中上層的PET薄膜破碎，下層的TPU 薄膜也出現(xiàn)破口；工況5中PET 薄膜和TPU 薄膜均不破。試驗結(jié)果表明：PET+TPU 復(fù)合薄膜能夠承受氣泡射流載荷測量時的復(fù)合載荷，能夠保證測得完整載荷時程。

圖6 試驗后薄膜損壞情況Fig.6 Damage of protection films after tests

3 氣泡射流載荷測量

3.1 測量系統(tǒng)

本階段研究的主要目的是進(jìn)行陣列傳感器和防護(hù)裝置的設(shè)計，因此在氣泡射流載荷測量時未連接掃描電路，直接將陣列傳感器通過同軸電纜與采集儀連接，具體連接方式如圖7所示，按照此種連接方式僅對角線上的8個敏感元有效，圖中用紅色標(biāo)出。同時，采用高速攝像機(jī)拍攝氣泡射流的演化過程。

3.2 測量結(jié)果及分析

圖8為工況5的氣泡射流演化過程。從圖8可以判斷該工況下產(chǎn)生了氣泡射流，并且正好作用在陣列傳感器上，其中圖8(a)顯示t=0 ms時刻雷管起爆，圖8(b)顯示t=8.0 ms時刻氣泡處于膨脹階段，圖8(c)顯示t=13.0 ms時刻氣泡膨脹至最大，圖8(d)顯示t=24.0 ms時刻氣泡上壁收縮，圖8(e)顯示t=25.6 ms時刻脈動壓力釋放，圖8(f)顯示t=26.0 ms時刻射流到達(dá)傳感器，圖8(g)顯示t=26.6 ms時刻射流沖擊傳感器，圖8(h)顯示t=27.0 ms時刻射流沖擊結(jié)束。圖9為氣泡射流載荷測量結(jié)果（Ch7未測得有效數(shù)據(jù)），沖擊波到達(dá)傳感器時可以認(rèn)為是平面波，因此沖擊波傳播階段各通道壓力曲線基本一致，而氣泡射流階段相差較大，說明氣泡射流載荷是非均勻面載荷。

圖8 工況5氣泡射流演化過程Fig.8 Evolution processof bubble jet in case 5

將各通道測得氣泡射流載荷峰值在陣列傳感器上的分布統(tǒng)計如表2所示，并將分布規(guī)律表示為圖10。從圖10、表2可知：（1）氣泡射流作用在Ch5和Ch6對應(yīng)敏感元中間，偏離陣列傳感器中心，說明傳統(tǒng)單個PVDF傳感器可能無法捕捉到氣泡射流載荷的最大值，采用陣列傳感器測量氣泡射流載荷是必要的；（2）氣泡射流中心壓力最大，向四周逐漸減小，中心峰壓約35.6 MPa，約為沖擊波峰壓的1.16倍。

本次試驗的測量結(jié)果誤差由以下5部分組成：（1）傳感器的靈敏度、線性、頻響等誤差，2%；（2）數(shù)據(jù)采集儀誤差，0.5%；（3）藥包質(zhì)量誤差，1%；（4）測點距離誤差，1%；（5）其他不可見因素，1%。

所得氣泡射流壓力綜合誤差為：

圖9 工況5氣泡射流載荷測量結(jié)果Fig.9 Measurement results of bubble jet load in case 5

圖10 氣泡射流載荷峰壓分布規(guī)律Fig.10 Peak pressure distribution of bubble jet load

表2 氣泡射流載荷峰壓分布Table2 Peak pressure distribution of bubble jet load

3.3 氣泡射流載荷的理論計算

根據(jù)上述理論計算氣泡射流沖擊波壓力和持續(xù)時間，并與試驗結(jié)果對比，結(jié)果列于表3中，試驗值相對理論值的偏差分別為?7.3%和?10.2%，可以證明試驗測量結(jié)果的正確性。

表3 氣泡射流載荷計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比Table 3 Comparison between calculated results and test resultsof bubble jet load

4 結(jié) 論

為了解決水下爆炸氣泡射流載荷測量的兩大難題，即氣泡射流載荷空間非均勻分布和復(fù)合加載下傳感器的防護(hù)，開展了水下爆炸氣泡射流載荷陣列測量技術(shù)研究。針對獲取氣泡射流載荷空間分布的問題，采用陣列傳感方式進(jìn)行測量，設(shè)計了陣列傳感器。針對復(fù)合加載下傳感器防護(hù)的問題，分析了復(fù)合壓-拉載荷與傳感器的相互作用，摸清了傳感器在復(fù)合載荷下的損壞機(jī)理，設(shè)計了有效的防護(hù)裝置。在此基礎(chǔ)上，在小型觀測水槽內(nèi)開展了小當(dāng)量水下爆炸試驗，采用陣列傳感器測量獲取了氣泡射流壓力時程曲線，得到了氣泡射流載荷的時空分布規(guī)律，并與理論計算結(jié)果進(jìn)行了對比。得到結(jié)論如下：

（1）設(shè)計的防護(hù)裝置在距徑比0.8條件下可保證傳感器在氣泡射流載荷測量過程中不損壞；

（2）氣泡射流載荷中心最大，向四周逐漸減小，距徑比0.8條件下，中心處氣泡射流載荷峰壓約為沖擊波峰壓的1.16倍。

建立的測量技術(shù)將為氣泡射流的深入研究提供有效測量手段，為水中兵器高效毀傷和艦船抗爆抗沖擊優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)支撐。