燃料空气炸药固体燃料浓度动态分布试验研究

郭明儒,娄文忠,金鑫,代西明(北京理工大学机电工程控制国家重点实验室,北京100081)



燃料空气炸药固体燃料浓度动态分布试验研究

郭明儒,娄文忠,金鑫,代西明
(北京理工大学机电工程控制国家重点实验室,北京100081)

摘要:合适的燃料云团浓度是云爆燃料爆轰的前提条件,但是受到抛撒作用机理复杂、测试设备不完善等因素制约,针对云爆弹燃料云团浓度动态分布的试验研究还很欠缺。建立基于CMM-1浓度检测微系统的阵列式浓度测试系统,对由缩比抛撒装置产生的燃料云团浓度进行动态检测,形成燃料浓度随时间和空间的变化曲线,并获得了燃料浓度峰值的变化规律。试验结果表明:该试验装置和试验方法能够获得云爆弹燃料浓度的动态分布情况,可以为云爆弹战斗部设计和二次起爆设计提供技术支持。

关键词:兵器科学与技术;云爆弹;浓度;分布;检测

0　引言

二次起爆型云爆弹的作用过程为:云爆弹到达目标上空后,在一次引信和中心抛撒药作用下,将燃料抛撒到空气中形成燃料云团;满足一定条件时,通过二次引信引爆燃料云团,形成爆轰反应,实现毁伤效果。在这一过程中,燃料云团的形状和尺寸等特性严重影响爆轰的杀伤范围和持续时间,而燃料云团的浓度作为云爆燃料爆轰的前提条件,直接决定着能否成功形成爆轰反应。作为提高云爆弹作战威力的重要途径,燃料抛撒和云雾控制一直是云雾爆轰技术研究的热点和难点[1]。

国外可查阅的研究成果主要集中于理论研究和数值仿真方面。1969年,Zabelka根据爆炸作用力和空气阻力的相对变化,将燃料抛撒过程分为“近场”和“远场”两个阶段[2],这一划分在后续研究中被广泛接受和采用; Gardnezrlol[3]和Galss[4]分别于1990年和1991年对云雾抛撒的“近场”阶段和“远场”阶段进行了数值仿真,其中“近场”阶段的数学模型和仿真结果存在一定争议,仍然有待验证。近年来,国外相关研究主要集中于采用计算机仿真和图像处理方法对燃料抛撒运动机理进行分析研究,燃料成分从最初的液态燃料逐步扩展到固体颗粒燃料和液体-固体混合燃料。

国内开展相关研究起步较晚,但是研究范围较为广泛,在燃料抛撒过程理论分析[5-6],燃料气云特征参数(形状、尺寸和扩散速度等)数值仿真[7-9]以及抛撒装置参数(壳体材质、结构和比药量等)对云雾状态影响的试验研究[10-12]等多个方面开展了富有成效的研究。

虽然目前针对燃料抛撒过程的研究已经广泛开展并取得了一定成果,但是受到抛撒过程机理复杂和测试设备不完善等因素阻碍,针对云爆弹燃料云团中燃料浓度动态分布的专门研究还是处于起步阶段。仅有部分文献给出了燃料抛撒时浓度分布的数值仿真结果[8],而且这些结果均为抛撒过程研究的衍生产物,计算模型和仿真结果尚未得到有效验证;关于燃料浓度动态分布的试验研究至今还是空白。

针对以上问题,通过对测试设备、试验方法及结果分析方法进行优化设计,开展了燃料云团浓度动态分布的试验研究,获得了由某缩比抛撒装置产生的燃料云团浓度时空分布规律。

1　试验条件与方法

1.1试验目的和方法

本次试验研究的目的在于测量某种抛撒装置产生的燃料云团浓度,建立基于该装置的燃料浓度动态分布规律。

阻碍燃料云团浓度分布研究的主要因素包括燃料抛撒过程的复杂性、云爆燃料成分多样性和高浓度、高动态混合物检测设备的不完善。针对以上问题,分别在测试设备、测试系统、试验方法及结果分析方面进行了研究,形成了新的试验方法。

该试验方法的核心包括:

1)设计可以直接测量高浓度混合物浓度值的CMM-1浓度检测微系统,实现直接测量;

2)建立阵列式测试系统,实现对燃料云团的多点测试;

3)采用成分单一、粒径相似、性质稳定的等效物模拟云爆药剂,减少因燃料成分产生的复杂度;

4)采用与真实云爆弹装置类似的缩比结构和相同的抛撒方式产生燃料云团,提高抛撒过程与真实情况的一致性,保证研究结论等效成立;

5)采用浓度检测微系统实现燃料云团浓度的直接测量,同时保留高速摄像图像,最后对两种方法的处理结果进行对比和综合。

1.2试验装置及参数

试验使用的装置包括浓度检测微系统、云雾抛撒装置、高速摄像、尺寸标识杆及其他附件。

1.2.1CMM-1浓度检测微系统

CMM-1浓度检测微系统是针对高浓度混合物设计制作的浓度检测微系统[13]。CMM-1以超声在混合物中传播时发生衰减为基本测试原理,采用精密信号处理电路对特定频段超声在云雾中的衰减进行测量,根据两相离散系声波衰减模型中较为完善的ECAH模型对超声衰减信息进行处理,结合燃料颗粒的物理参数计算混合物浓度。

前期研究成果表明CMM-1能够对浓度范围为50～1 000 g/ m3的混合物进行直接测量,测试精度不低于1%,检测时间不大于1 ms.CMM-1采用微型化、模块化和低功耗设计,系统功耗小于300 mw,可以配置为模拟声信号输出、数字声信号输出、计算浓度数字输出和存储测试等多种工作方式。该系统不仅可用于云爆弹燃料浓度检测,还可以广泛应用于工业测量和环保监测等其他领域。

CMM-1浓度检测微系统的系统框图如图1所示。

本次试验中,浓度检测微系统设置为数字声信号存储测试模式,即只对原始声信号进行采样和A/ D转换,不进行浓度解算,数据存储于微系统内部,试验完毕后输出到计算机进行处理。浓度检测微系统采样频率设置为500 kHz,采样长度4 500 ms.

图1　CMM-1浓度检测微系统框图Fig.1 Schematic diagram of concentration measurement microsystem CMM-1

1.2.2抛撒装置

抛撒装置用于将模拟燃料抛撒到环境中形成燃料云团。

如图2所示,本研究使用的云雾抛撒装置总体采用薄壳圆柱结构。装置由壳体、模拟燃料、抛撒药、雷管和管壳构成。壳体材质为聚乙烯,半径50 mm,高度145 mm;模拟燃料采用硅酸盐水泥粉末,设计装药量1 000 g;抛撒药为TNT炸药,药柱尺寸为φ20 mm×20 mm,药量10 g.

图2　缩比抛撒装置Fig.2 Scaled-down dispersing device

1.3试验系统布置

试验系统布置在开阔环境中,布置方式如图3所示。

图3中,云雾抛撒装置悬挂在支架上,抛撒装置几何中心距地面2.5 m.

以抛撒装置在地面的竖直投影为中心布置浓度检测阵列:检测阵列由3组(A,B,C)扇形布置的浓度检测微系统构成,相邻两组夹角为45°;每组包含3个浓度检测微系统,相邻间距为1 m;浓度检测微系统的传感器高度与云雾抛撒装置中心等高。

图3　试验系统布置(俯视图)Fig.3 Layout of experimental system (top view)

在距离中心20 m处布置高速摄像机,摄像机拍摄方向与A组浓度检测微系统的连线垂直。在高速摄像机拍摄范围内设置尺寸标志杆,标志杆横向距离6 m,且尺寸标志杆的连线与拍摄方向垂直。

2　数据分析与讨论

2.1数据流程分析

本次研究实际进行试验8次,试验中获得信息包括浓度测试原始数据和高速摄像图片,试验后根据图4所示流程开展数据处理。

图4　数据处理流程图Fig.4 Data processing flow chart

2.2图像分析

试验获得的典型高速摄像图片如图5所示。

根据处理流程,首先分别统计各次试验中云雾在长度和宽度方向的尺寸变化,然后根据云雾形状采用圆柱状几何模型进行体积计算,忽略中心空洞并假设云雾在云团范围内均匀分布进行平均浓度计算,依次形成典型结果如图6～图8所示。

图5　抛撒过程的高速摄像图片Fig.5 Photoes of dispersing process

图6　燃料云团尺寸-时间曲线Fig.6 Fuel cloud dimension vs.time

图7　燃料云团体积-时间曲线Fig.7 Fuel cloud volume vs.time

图8　燃料云团平均浓度-时间曲线Fig.8 Average concentration vs.time

为了便于进行定量分析,根据常规图像信息处理方法,选取云雾抛撒后约35 ms,云雾尺寸基本稳定阶段的相关数据,并结合抛撒装置的相关参数,可以形成燃料云团特征参数如表1所示。

表1　燃料云团特征参数表Tab.1 The characteristic parameters of fuel cloud

根据图6～图8及表1信息可知:采用缩比抛撒装置形成的燃料云团呈宽高相近的圆柱状;云雾尺寸和体积随时间逐渐增大,平均浓度相对减小,但是变化速度呈现明显的先快后慢变化,可以据此将云雾扩散过程分为两个阶段,快速沉降阶段和稳定扩散阶段;当云雾尺寸基本稳定时,燃料云团与模拟装置的半径比约为31,体积比约为1 030,云雾平均浓度约为67 g/ m3.

2.3声衰减信号数据分析

试验中获得的典型超声衰减曲线如图9所示。

图9　超声幅值衰减曲线Fig.9 Amplitude attenuation curve of ultrasound

根据图4所示处理流程进行数据处理,即可获得各个测试点的瞬态浓度分布曲线;进一步提取曲线特征数据,形成浓度曲线特征参数表。典型的浓度分布曲线及特征参数表分别如图10和表2所示。

图10　相对浓度分布曲线Fig.10 Curves of relative concentration distribution

表2　浓度分布曲线特征值Tab.2 Characteristic values of concentration distribution curve

分析图10中浓度数据变化趋势,结合试验条件,可以得到云爆弹固态燃料浓度分布具有以下规律和特点:

1)在同一测试点,燃料云团浓度均表现出先增大后减小的趋势,峰值出现时间随测试节点与爆炸中心距离增大而增大;

2)在不同测试点,浓度峰值及浓度变化速度随测试节点与爆炸中心距离增大而减小,本次试验中各测试节点A1、A2、A3处浓度峰值比约为10∶6∶4;

3)云雾抛撒12 ms后,测试节点A1处云雾浓度小于测试节点A2和A3处的云雾浓度,即云雾分布呈现出外高内低的趋势,符合抛撒理论中关于燃料“空洞”现象的描述,可以认为该时刻形成了“空洞”;

4)测试节点A2出现双峰值,其中第一峰值下降沿与测试节点A1浓度抖动时间一致,分析认为此时燃料在压强及浓度差作用下发生了双向运动,一部分燃料向爆炸中心方向运动,符合“远场-近场”划分的相关理论。

3　结论

本文采用浓度检测微系统建立测试阵列,获得了某抛撒装置条件下的燃料浓度时空变化曲线,据此对云雾浓度变化趋势及浓度峰值扩散规律进行了初步研究。研究表明任意测试点处云雾浓度峰值的大小及其出现时间分别与该点到爆炸中心的距离呈反比和正比;本试验还对燃料分布的“空洞”现象及“远场-近场”阶段划分进行了验证。

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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

作者简介:郭明儒(1986—),男,博士研究生。E-mail:jiaoluo@ bit.edu.cn;娄文忠(1969—),男,教授,博士生导师。E-mail:louwz@ bit.edu.cn

基金项目:国家部委“十二五”预先研究项目(00404010601)

收稿日期:2015-03-18

DOI:10.3969/ j.issn.1000-1093.2016.02.005

中图分类号:TJ01

文献标志码:A

文章编号:1000-1093(2016)02-0226-06