炸药多点起爆超高速光电分幅摄影技术研究*

畅里华，温伟峰，冉茂杰，黄文斌，王 旭，何 徽，高 鹏

（中国工程物理研究院流体物理研究所，四川 绵阳 621999）

近年来，多点起爆技术（特别是冲击片雷管多点起爆技术）在定向杀伤、爆炸成型弹丸等类型的先进战斗部研制中获得了快速发展和应用，既大幅提升了战斗部的毁伤效能，又赋予了战斗部多模毁伤的能力。随着现代战争的发展，对武器系统的要求越来越高，一方面要求实现可靠高效的毁伤，另一方面要求具备较高安全性。因此，钝感弹药及相关技术成为先进武器弹药研究的重要方向之一。对于钝感主装药，一般无法通过火工品（如电爆炸丝雷管等）直接起爆，通常需要借助尺寸相对较大且相对较为敏感的传爆药实现主装药的可靠起爆。为进一步提升传爆序列的安全性，Cope提出了取消大尺寸传爆药，采用冲击片雷管多点同步起爆，利用冲击波和爆轰波对碰增压效应，使钝感主装药中局部入射冲击波压力超过临界起爆压力，实现钝感主装药的可靠起爆。

在多点起爆实验中，对炸药多点起爆爆轰波发展及爆轰波相互作用过程的研究，高速摄影为光学诊断技术中一个不可或缺的测试手段。目前高速摄影接收系统采用的相机通常为数字相机、转镜式高速相机及弹道靶场相机（SVR）。数字相机最高摄影频率为0.1 MHz 量级，转镜式高速分幅相机最高摄影频率为千万幅频，曝光时间最短百纳秒，动态模糊大。SVR 相机曝光时间最短几十纳秒，能将不同时刻飞行物（或界面）的运动图像叠加到同一画面上，但图像噪声大，空间分辨率低。

本文采用中国工程物理研究院流体物理研究所研制的曝光时间最短5 ns，空间分辨率为40 lp/mm、摄影频率为200 MHz 的超高速光电分幅相机，结合有机玻璃光快门技术，对以HMX 为基及以TATB 为基的两种塑料粘结炸药在三点同步起爆条件下爆轰波发展及相互作用波形，进行纳秒量级时间分辨水平的捕捉，并对实验结果进行初步分析。

1 实验装置

炸药三点起爆实验装置示意图如图1 所示。采用3 个电爆炸丝雷管串联的方式，同时引爆3 个均布的尺寸为 ∅ 20 mm×10 mm 的太安传爆药柱，再由传爆药柱起爆尺寸为 ∅ 100 mm×10 mm 的HMX 塑料粘结主炸药或尺寸为 ∅ 100 mm×20 mm 的TATB 塑料粘结主炸药，在主炸药药柱的底面采用一定厚度的有机玻璃光快门来截止后续产物发光，在雷管底部安装一对电离式铜箔电探针，用于触发超高速光电分幅相机。起爆点的具体分布如图2 所示，3 个起爆点均匀分布在 ∅ 50 mm 的圆上，主炸药药柱底面波阵面以起爆轴向为中心沿径向传播，并采用超高速光电分幅相机拍摄波阵面传播过程。

图1 三点起爆装置示意图Fig. 1 Schematic of the three-point detonating device

图2 起爆点分布Fig. 2 Distribution of detonation points

2 摄影系统诊断方案

2.1 摄影系统布局

图3 为多点起爆实验中超高速光电分幅摄影诊断布局。为保证安全，防止爆炸损坏爆炸塔窗口、镜头及相机等设备，实验装置与相机成90°角摆放，被摄目标通过反射镜折转后经防护窗口、成像物镜成像在超高速光电分幅相机像面上。由于爆轰波传播过程极快，实验过程中，为拍摄到稳定可靠的爆轰波发展过程图像，必须保证超高速相机系统拍摄时刻与爆轰波的形成和发展时刻精确同步。同时超高速光电相机对光的敏感度较高，炸药爆轰所产生的光较强，实验时可通过每幅调节增益、曝光时间及采用滤光片等措施来降低光强，防止图像曝光过度。

图3 超高速光电分幅摄影系统布局Fig. 3 Layout of the ultra-high speed photoelectric framing photography system

2.2 图像接收系统—超高速光电分幅相机

实验图像接收系统采用中国工程物理研究院流体物理研究所自主研制的超高速光电分幅相机，该相机具有时间/空间分辨率高、画幅尺寸大以及摄影频率高、弱光探测能力强等优点，已成为超快过程重要测试手段之一。其原理是通过成像与分光系统将拍摄的目标成像在门控像增强器的光阴极上，像增强器的输出图像由CCD 接收和记录，系统曝光时间和摄影频率由像增强器驱动源以及精密同步模块控制，外形见图4。主要技术指标如下：

图4 超高速光电相机外形Fig. 4 Outline of ultra-high speed photoelectric framing camera

（1）记录画幅数为8；

（2）最高摄影频率为2×10Hz；

（3）最短曝光时间为5 ns；

（4）曝光时间范围为5 ns～1 ms 连续可调；

（5）幅间隔为1 ns～10 ms 连续可调；

（6）空间分辨率为40 lp/mm；

（7）探测光谱范围为380～860 nm。

2.3 摄影系统同步控制设计

动态应用实验过程中，由于起爆装置有高电压和大电流，这些因素可能会导致超高速光电分幅相机误触发，引起相机工作不正常或图像丢失等。为避免该问题，确保系统可靠、稳定工作，动态实验时，相机用UPS 电源供电，相机、同步机触发全采用光触发模式，相机与计算机之间的控制和数据接口全部采用光纤传输，相机拍摄过程中同时反馈电信号到监控示波器，精确监测相机第一幅的拍摄时刻，确保相机在预期时刻进行曝光，也方便在时序出现问题时进行排查。通过以上措施，实现了目标起爆时刻与摄影系统拍摄时刻的精确同步，可靠地获得炸药三点起爆出药柱底面的爆轰波发展波形及相互作用波形高清晰度图像。超高速摄影测试系统同步控制设计如图5 所示，延时总控系统分两路，一路给示波器作为时序监测时刻参考信号，另一路触发起爆装置，装置起爆后输出电探针信号。电探针信号分为两路，一路给示波器作为时序监测时刻，一路给延时同步机，同步机进行延时后输出电信号，经电-光转换器输出光信号，通过光纤传输触发光电分幅相机，同时光电分幅相机反馈第一幅记录时刻给示波器，实时监测相机实际记录时刻。

图5 超高速光电摄影系统同步控制示意图Fig. 5 Synchronization control diagram of ultra-high speed photoelectric photography

3 结果及分析

针对以HMX 为基和以TATB 为基的两种塑料粘结炸药三点同步起爆实验，采用超高速光电分幅摄影系统开展了爆轰波传播过程实验研究，实现了目标在像面上清晰成像以及被摄目标与相机拍摄时刻的精确同步，获得爆轰波发展波形及相互作用波形8 个时刻的高清晰度图像，精细观察到波形的发展情况及相互作用过程，拍摄结果如图6 和图7 所示。拍摄条件为：曝光时间10 ns，增益70%。定义雷管起爆时刻为零时。

图6 HMX 塑料粘结炸药三点起爆爆轰波传播过程图像Fig. 6 Three-point initiation detonation wave propagation image of HMX-based plastic-bonded explosive

图7 TATB 塑料粘结炸药三点起爆爆轰波传播过程图像Fig. 7 Three-point initiation detonation wave propagation image of TATB-based plastic-bonded explosive

从图6 和图7 拍摄结果可以看出，两发实验的第一幅图像均显示出药柱底部三个爆轰波光带直径有所差异，这是由于同批次电爆炸丝雷管作用时间自身存在数十纳秒分散性所引起的。另外，早期时刻图像的光带比后面几个时刻光带要宽一些。这是因本实验中主炸药内部形成的是球面散心爆轰波，实验样品为等高度柱形炸药且起爆点位于药柱顶面，爆轰波刚出炸药底面时，波阵面的径向速度远大于正常爆速，随着波阵面向外运动，径向传播速度逐渐降，低直至接近正常爆速，在相同曝光时间内波阵面沿径向运动的距离不完全相同，导致不同时刻的波阵面光环宽度不一样。

同时从拍摄序列图像中也观察到爆轰波相互作用过程的一些重要信息，三个起爆点发出的爆轰波首先两两发生正碰，随后分别沿两个方向以斜入射的方式发生反射，说明爆轰波相互作用有2 种情况：（1）沿炸药径向朝外传播的爆轰波相互作用，从图6 和图7 的第5 幅实验图像开始可以看出，两条光带交汇处并非像两个圆弧交汇那样形成尖点（例如图6 和图7 的第3 幅实验图像），而是形成了一定宽度的平坦区域，说明两个相互作用的爆轰波已经产生了马赫反射，随着入射角的增大，马赫杆宽度逐渐增加；（2）向炸药中心发展的爆轰波内聚相互作用，汇聚过程的实验图像上未见形成马赫反射，当爆轰波汇聚至炸药中心后，反射冲击波向外传播过程中出现了马赫杆结构（图6 和图7 的第4 幅实验图像开始），表明发生了马赫反射，同样随着入射角的增大，马赫杆宽度不断增加。

另外，从最后两个时刻实验图像中，可以明显看出在有机玻璃光快门上形成了“Y”形状的黑线，其位置对应于3 个爆轰波两两相互作用交汇点形成的轨迹，黑色表明其透光率极低，分析认为可能是由于爆轰波在此区域相互作用导致加载压力突增、有机玻璃密度陡增所引起的，是爆轰波对碰增压效应的一种体现。

如图8 所示，与国外基于重复曝光方式的SVR 相机拍摄结果（典型实验图像见图8(a)）相比，本文超高速光电分幅摄影系统（图8(b)～8(d)）由于每幅均采用独立曝光，同时超高速光电分幅摄影系统摄影频率最高达200 MHz，最短曝光时间达5 ns，可有效减小运动模糊，能够更精细地观测到爆轰波传播及相互作用细节信息，如内聚相互作用、马赫杆等。

图8 超高速光电分幅相机与SVR 相机拍摄结果对比Fig. 8 Result comparison of ultra-high speed photoelectric framing and SVR camera

4 结 论

超高速光电分幅摄影技术基于独立曝光模式，且具有曝光时间短、幅间隔连续可调、空间分辨高等优势。通过本次实验研究，采用超高速光电分幅摄影结合有机玻璃光快门技术，拍摄到两种典型炸药在三点同步起爆条件下纳秒时间分辨的爆轰波发展及其相互作用波形序列图像，清晰捕获到内聚相互作用、马赫杆等波形的细节结构。该实验方法及其结果对于爆轰波相互作用及爆轰波马赫反射等问题研究具有一定的参考价值。