基于地震波觸發(fā)的戰(zhàn)斗部動爆沖擊波試驗研究*

鈔紅曉，胡 浩，雷 強，高 瑞，姚國慶

（1.重慶大學(xué)，重慶400044；2.西北機電工程研究所，陜西 咸陽712099；3.駐咸陽地區(qū)軍事代表室，陜西 咸陽712099）

沖擊波作為爆破戰(zhàn)斗部的主要毀傷方式之一，是評估武器毀傷威力的一項重要指標(biāo)[1]。毀傷威力評估時，需要對戰(zhàn)斗部炸點周圍的沖擊波場進行分布式測量，同時要求多測點實現(xiàn)同步觸發(fā)。實戰(zhàn)環(huán)境下戰(zhàn)斗部落點及起爆時刻具有一定的隨機性，且戰(zhàn)斗部爆炸前具有一定的速度，戰(zhàn)斗部的運動速度會改變爆炸沖擊波的壓力場分布。傳統(tǒng)的觸發(fā)方法如斷線觸發(fā)[2]、光觸發(fā)[3]、無線觸發(fā)[1]等均難以實現(xiàn)戰(zhàn)斗部實戰(zhàn)環(huán)境下沖擊波超壓的可靠觸發(fā)，因此對戰(zhàn)斗部動爆壓力場的特性分析主要是通過仿真計算，并結(jié)合少量試驗數(shù)據(jù)結(jié)果和爆炸相似律獲得經(jīng)驗公式[4-6]，缺少實戰(zhàn)環(huán)境下的試驗研究。

本文中，提出了一種基于地震波可靠觸發(fā)的戰(zhàn)斗部空中爆炸沖擊波超壓測試方法，對著靶速度為0、535和980 m/s的戰(zhàn)斗部空中爆炸沖擊波進行了測試分析。結(jié)果表明，基于地震波信號觸發(fā)測試方法能可靠獲取戰(zhàn)斗部動爆沖擊波超壓峰值。試驗成果可為實戰(zhàn)復(fù)雜環(huán)境下基于實測數(shù)據(jù)研究動爆沖擊波特性提供依據(jù)。

1 基于地震波觸發(fā)的沖擊波超壓測試系統(tǒng)

1.1 基于地震波觸發(fā)的沖擊波超壓測試系統(tǒng)

為了驗證基于地震波實現(xiàn)沖擊波超壓測試觸發(fā)的可行性，設(shè)計了基于加速度信號觸發(fā)的沖擊波超壓測試系統(tǒng)并進行了試驗。測試系統(tǒng)主要包括傳感器、信號調(diào)理電路、電源管理、無線通信和信號采集存儲等五部分，測試系統(tǒng)組成如圖1所示。進行沖擊波超壓測試時，信號調(diào)理電路對傳感器獲得的沖擊波超壓信號進行濾波、降噪，在進入FPGA (field programmable gate array)之前進行信號有無和是否達到觸發(fā)閾值的判斷，A/D控制模塊將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號后存儲在外部同步動態(tài)存儲器(synchronous dynamic random-access memory,SDRAM)中，最后通過USB(universal serial bus)或無線通信模塊將數(shù)據(jù)上傳到上位機上，在上位機上完成數(shù)據(jù)最終的顯示、分析和處理。

圖1 測試系統(tǒng)Fig.1 Test system

1.2 基于地震波信號的沖擊波測試觸發(fā)原理

基于地震波信號的沖擊波超壓測試觸發(fā)方法借助配置在各沖擊波超壓測試節(jié)點上的加速度計與信號調(diào)理電路，利用地震波傳播速度比沖擊波傳播速度快的特點，在沖擊波到達各測試節(jié)點之前，提前感應(yīng)到的加速度信號，經(jīng)專用調(diào)理電路處理后，觸發(fā)該測試節(jié)點的沖擊波超壓信號存儲。其觸發(fā)原理如圖2所示，沖擊波超壓信號采集緩存區(qū)劃分為循環(huán)采集和時序采集兩部分，通過加速度信號啟動沖擊波超壓信號的循環(huán)采集完成第1步觸發(fā)，通過預(yù)設(shè)超壓閾值的比較進行第2步觸發(fā)，滿足觸發(fā)條件時，立即固化循環(huán)采集區(qū)，并開始沖擊波超壓的時序采集。

圖2 地震波觸發(fā)沖擊波超壓測試原理Fig.2 The principle for measuring shock waveoverpressure triggered by seismic wave

爆炸時，形成以炸點為中心向四周傳播的地震波，地震波傳播速度最快的是縱波，其使地面發(fā)生上下振動，在地殼中的傳播速度：u0=5.5～7 km/s。

（1）根據(jù)金尼-格雷厄姆公式，計算沖擊波超壓峰值(pp，MPa)：

聯(lián)立式（1）～（3）可得不同觀測距離處沖擊波傳播平均速度及其與地震波傳播平均時間差的關(guān)系，如圖3所示。由圖3（a）可以看出，沖擊波超壓值隨爆距的增大而減小，當(dāng)距離r≥5 m時，沖擊波的傳播平均速度u≤995 m/s，該值遠小于地震波的傳播速度；由圖3（b）可以看出，當(dāng)距離r≥5 m 時，沖擊波與地震波傳播到觀測點的平均時間差?t≥4.1 ms，而地震波信號觸發(fā)該測點的沖擊波信號只需要幾十微秒，在該時間差內(nèi)能夠完成觸發(fā)該測試節(jié)點的沖擊波信號的存儲。因此，當(dāng)?shù)刃NT 裝藥量不大于100 kg、爆心距不小于5 m 時，可以通過安裝在測試終端的加速度計采集地震波信號，作為沖擊波超壓測試的可靠觸發(fā)信號。

圖3 沖擊波超壓峰值和傳播時間差隨距離的變化Fig.3 Variation of shock wave overpressurepeak and propagation time difference with distance

圖4是彈丸爆炸時在距爆心5 m 處獲取的加速度和沖擊波超壓信號，可以看出加速度信號的觸發(fā)閾值先于沖擊波信號到達測試節(jié)點，提前時長為12.42 ms，這進一步驗證了基于地震波信號的沖擊波測試觸發(fā)方法原理的可行性。

圖4 試驗測試的加速度曲線和超壓峰值曲線Fig.4 Test curves of acceleration and shock wave overpressure peak

2 運動戰(zhàn)斗部爆炸沖擊波特性分析

2.1 動爆試驗測試設(shè)置

為分析不同速度戰(zhàn)斗部爆炸時沖擊波場的分布規(guī)律，建立分布式動爆試驗測試系統(tǒng)，采用球形裸裝藥，裝藥量為1.2 kg。比例距離R分別為4.71、9.41和14.12 m/kg1/3，戰(zhàn)斗部著靶速度v0分別為0、535和980 m/s，火炮火藥發(fā)射獲得著靶速度，距目標(biāo)炸點50 m 處順序放置4臺天幕靶，每臺間隔20 m，通過區(qū)截法獲取彈丸在天幕靶處的飛行速度，再結(jié)合炮口靶獲取的出炮口速度以及制式彈的外彈道模型，計算出目標(biāo)炸點處彈丸速度。采用模塊裝藥，速度為535和980 m/s彈丸的裝藥分別為3×B模塊和6×B模塊，每個B 模塊裝藥2.35 kg，引信采用瞬觸發(fā)引信。戰(zhàn)斗部與地靶平面的水平夾角β 為45°，測點分布如圖5所示，以爆炸中心為原點，建立三維坐標(biāo)系Oxyz，分別在地靶平面距爆心5、10、15 m 處安裝沖擊波超壓測試裝置。在Oxy平面上（即地靶平面），爆心到測試點的連線與x軸的夾角為θ，受試驗條件限制，共24個測點。理論上測點越多，對爆炸沖擊波的重建越有利。

圖5 戰(zhàn)斗部爆炸測點分布Fig.5 Measuring points of blasting warhead explosion

2.2 爆炸沖擊波特性分析

圖6為比例距離R=4.71 m/kg1/3時不同方向上測得的沖擊波超壓時域曲線。由圖6可知，以靜爆條件下（v0=0 m/s）的沖擊波超壓時域曲線為參照，當(dāng)θ=0°時，動爆沖擊波超壓遠高于靜爆沖擊波超壓；當(dāng)θ 增大到45°時，動爆沖擊波超壓有所下降，但是仍然高于靜爆沖擊波超壓；當(dāng)θ 增大到90°時，動爆沖擊波超壓繼續(xù)降低，v0對沖擊波超壓的影響變小，不同速度戰(zhàn)斗部爆炸的沖擊波超壓趨于一致，與靜爆沖擊波壓力相當(dāng)；隨著θ 的進一步增大，動爆沖擊波壓力進一步降低，開始低于靜爆沖擊波壓力；當(dāng)θ 增大到180°時，測點處于與戰(zhàn)斗部速度完全相反的方向，為壓力最低點，此時的沖擊波超壓遠低于靜爆沖擊波超壓。此外，在動爆沖擊波超壓高于靜爆沖擊波超壓的方向上，即θ 在0°～90°和270°～360°范圍內(nèi)時，v0越大，壓力越高，沖擊波到達時間越短；相反地，在動爆沖擊波超壓低于靜爆沖擊波超壓的方向上，即θ 在90°～270°范圍內(nèi)時，v0越大，壓力越低，沖擊波到達時間越長。

圖6 不同方向的沖擊波超壓時域曲線Fig.6 Shock wave overpressure-time curves in different directions

讀取沖擊波的超壓峰值，得到不同速度戰(zhàn)斗部的爆炸沖擊波超壓峰值對比曲線，如圖7所示。由圖7可知：（1）比例距離相同時，戰(zhàn)斗部爆炸的沖擊波超壓峰值隨θ 的增大近似呈余弦衰減，當(dāng)θ=0°時，超壓峰值最大，θ=180°時，超壓峰值最小，并且戰(zhàn)斗部著靶速度v0越大，超壓峰值衰減得越快；（2）以靜爆沖擊波超壓峰值為參照，在與戰(zhàn)斗部速度方向相同的區(qū)域（0°～90°和270°～360°），動爆沖擊波存在較大的壓力升，超壓峰值大于靜爆狀態(tài)下的超壓峰值，使得沖擊波場呈現(xiàn)出局部高壓區(qū)，而在與戰(zhàn)斗部速度方向相反的區(qū)域（90°～270°），則存在較大的壓力降。由此，可將運動戰(zhàn)斗部的爆炸沖擊波場分為壓力升和壓力降兩個區(qū)域，分界點大約在θ=90°處。

圖7 不同速度戰(zhàn)斗部的沖擊波超壓峰值曲線Fig.7 Shock wave overpressure peak curves of the blasting warheads with different velocities

由式（1）、（4）、（5）聯(lián)合可得戰(zhàn)斗部動爆沖擊波超壓峰值的經(jīng)驗公式計算值，實測戰(zhàn)斗部動爆沖擊波超壓峰值pp,e與經(jīng)驗公式計算結(jié)果pp,d對比如表1所示，其中ε=(pp,e?pp,d)/pp,e。由表1可知，實測戰(zhàn)斗部靜爆沖擊波超壓峰值與經(jīng)驗公式計算結(jié)果一致性較好，除個別點外，實測戰(zhàn)斗部動爆沖擊波超壓峰值與理論值較為接近，相對誤差小于20%，且相對誤差隨著戰(zhàn)斗部速度的增大而增大。此外，越靠近戰(zhàn)斗部運動方向軸線（θ=0°和θ=180°）的實測沖擊波超壓峰值相對誤差越大，垂直于戰(zhàn)斗部運動方向軸線（θ=90°和θ=270°）的實測沖擊波超壓峰值相對誤差較小。

表1 試驗結(jié)果與理論值對比Table1 Comparison between experimental and theoretical results

2.3 爆炸沖擊波場重建

以表1中的沖擊波超壓峰值為插值點，利用MATLAB數(shù)據(jù)處理軟件的薄板樣條插值方法（thinplate-spline interpolation）對實測數(shù)據(jù)進行插值（該插值方法可以使得三維超壓曲面彎曲能量最小），得到戰(zhàn)斗部速度分別為0、535、980 m/s的爆炸沖擊波超壓峰值場分布和等壓曲線，如圖8～10所示。由圖8可知，戰(zhàn)斗部靜爆沖擊波超壓峰值在各個方向基本相同；由圖9～10可知，戰(zhàn)斗部動爆沖擊波超壓峰值在戰(zhàn)斗部運動速度方向增強，在戰(zhàn)斗部運動相反方向減弱，且戰(zhàn)斗部速度越大，增強和減弱的程度越大。

圖8 戰(zhàn)斗部速度為0 m/s 的沖擊波超壓峰值場分布Fig.8 Shock wave overpressure field for theblasting warhead with the velocity of 0 m/s

圖9 戰(zhàn)斗部速度為535 m/s的沖擊波超壓峰值場分布Fig.9 Shock wave overpressure field for the blasting warhead with the velocity of 535 m/s

圖10 戰(zhàn)斗部速度為980 m/s的沖擊波超壓峰值場分布Fig.10 Shock wave overpressure field for the blasting warhead with the velocity of 980 m/s

3 結(jié) 論

提出了一種基于地震波可靠觸發(fā)的戰(zhàn)斗部空中爆炸沖擊波超壓測試方法，并對速度為0、535 和980 m/s的戰(zhàn)斗部空中爆炸沖擊波進行了測試研究，通過測試結(jié)果和經(jīng)驗公式計算值的對比分析，以及重建的戰(zhàn)斗部動爆沖擊波超壓三維可視化模型，可以得出以下結(jié)論：

（1）本文中提出的測試方法能可靠獲取戰(zhàn)斗部動爆沖擊波超壓峰值；

（2）戰(zhàn)斗部動爆沖擊波超壓峰值在戰(zhàn)斗部運動速度方向增強，在戰(zhàn)斗部運動相反方向減弱，且戰(zhàn)斗部速度越大，增強和減弱的程度越大。