高能战斗部威力参量测试技术现状

2022-09-06马雪娇孔德仁徐春冬余益欣张学辉

测试技术学报 2022年5期

马雪娇，孔德仁，徐春冬，余益欣，张学辉

(1. 南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094； 2. 长春理工大学光电工程学院，吉林长春 130022)

0 引言

随着战斗部装药量的提升以及新型含能材料的发展，各类高能战斗部应运而生，如温压战斗部、云爆战斗部等. 高能战斗部的威力大幅提升，其威力时空分布复杂，给准确测试和表征威力参量带来了问题.

典型威力参量主要包括：冲击波压力、热作用参量、破片参量. 冲击波压力的表征主要有地表反射压、自由场压力、总压、动压等；热作用参量主要包括火球表面温度、爆炸近场温度、热流密度；破片根据形成机理可分为自然破片、可控破片、预制破片，表征参量主要为破片速度和飞散特性.

高能战斗部相较于常规战斗部，其爆炸威力更强，热毁伤显著，威力参量具有以下特点：冲击波压力范围更广，热作用参量动态范围大，持续时间短；破片速度高、尺寸小、杀伤范围更广. 高能战斗部爆炸会产生强烈的冲击、振动、高温高速流场及电磁辐射等，测试环境恶劣. 基于上述原因，高能战斗部威力参量测试系统需要具有合适的量程和工作频带以及较高的分辨率，需要满足抗冲击、抗高温干扰等要求.

目前，国内高能战斗部威力参量测试总体现状为： (1)测试方法较多，如冲击波压力包括引线测试法和存储测试法. 火球表面温度有红外测温、光谱测温和可见光测温. 破片测试分为接触式和非接触式等多种方法，各方法的适用范围、测试规范及方法的局限性研究不深入； (2)当前我国爆炸场威力参量测试设备大量采购国外产品，如各类传感器、红外热像仪、高速摄像机； (3)不同测试方法测试结果相差较大，测量数据缺乏可比性，测试结果评价方法存在缺陷，造成了爆炸场毁伤威力参量“测不出” “测不准”的现状. 因此有必要针对高能战斗部特点开展相关威力参量测试技术研究.

本文针对准确定量测试高能战斗部爆炸场冲击波压力、热作用参量、破片速度及飞散特性参量开展研究，综述近年来各威力参量测试技术研究现状及进展，对存在的问题及发展方向进行探讨，为能够有效准确地获取高能战斗部威力参量，提升威力参量测试能力提供技术支持.

1 冲击波压力作用参量测试

高能战斗部冲击波压力从表征形式上有地表反射压、自由场压力(静压)、总压及动压等，为了准确获取战斗部爆炸冲击波压力，常采用电测法进行测试.

1.1 国内外研究现状

冲击波压力电测法指利用压力传感测试系统测得冲击波压力曲线，通过数据处理获取冲击波峰值压力、比冲量、作用时间等参量，电测法分为引线测试法和无线存储测试法. 引线测试法是将压力传感器放于爆炸现场，将其他设备放置于距离爆炸场较远的掩体内，通过长线缆进行信号传输；无线存储测试法是将存储测试系统放置于测试环境中，测试结束后将试验装置或试验数据回收进行数据处理.

1.1.1 引线测试法

近年来，国内对采用引线测试法进行高能战斗部冲击波压力测试开展了大量研究，如赵新颖等[1]对温压炸药在野外近地空中爆炸产生的冲击波压力进行测试，并与TNT进行对比试验；饶国宁等[2]将冲击波压力测试系统应用于云爆药剂自由场及地面爆炸场压力测试，为爆炸场参数研究和威力评价提供了参考；李梅等[3]针对复合装药空中爆炸开展了超压测试实验，利用超压测试系统对冲击波传播特性进行了分析.

引线法采用的有线测试系统，一般是由冲击波压力传感器及安装组件、信号调理器、数据采集系统、传输电缆等组成，如图 1 所示，爆炸现场测点由压力传感器及安装组件组成，虚线框内为掩体中设备，传感器与信号调理器通过长线缆连接. 爆炸时冲击波作用于压力传感器，产生的电信号经线缆传输到测试设备，通过软件进行数据处理.

图 1 引线法测试系统组成

引线法作为一种成熟稳定的测试手段，广泛应用于爆炸场冲击波压力测试. 但引线法采用长线缆进行信号传输，布场复杂，长线缆防护困难，抗电磁干扰能力差， “电缆效应”产生的信号叠加会引起信号失真，这些问题亟需进一步研究.

1.1.2 无线存储测试法

目前，国内外针对爆炸场工况冲击波压力测试开展了大量无线存储测试研究， J Fourmann等[4]设计了一种无线压力传感器，组建了无线测试系统，对空中爆炸冲击波进行测量，其成本、尺寸和能耗方面均适用于恶劣爆炸环境；中北大学、南京理工大学等多所高校[5-7]针对自由场、地面冲击波压力测试，采用以太网、 WIFI等通信方式，构建了存储式测试系统并应用于靶场试验.

无线存储测试系统一般由冲击波传感器及安装组件、存储采集器和上位机等组成，如图 2 所示，虚线框内为爆炸现场，各测点由传感器和存储采集器组成，通过无线传输与上位机进行通讯.

图 2 存储测试法系统组成

存储测试法在布场方式上节省了人力物力，避免了长线缆带来的信号干扰，是一种值得发展的测试手段. 但存储测试设备放于爆炸现场，不利于设备的保护，数据存储及信号捕获均需进一步研究.

1.1.3 压力校准方法

为实现冲击波压力的准确测量，需要对测量系统进行校准，获取其工作特性参数，提高冲击波压力测量精度. 目前，关于压力校准方法，国内外开展了大量研究，如孔德仁等[8]利用落锤液压动标装置对冲击波测量用压力传感系统实施了准静态的绝对校准； David Wisniewiski[9]对激波管系统开展研究，进行了压力传感器动态校准方法研究； Yang Fan等[10]结合准静态校准和激波管动态校准，提出了一种联合校准方法，实现冲击波压力测量系统的全频段校准.

常用的压力校准方法分为静态校准、动态校准和准静态校准. 静态校准是采用压力标准器产生的“标准压力”作用于被校系统，由实际输入和系统输出确定系统的灵敏度、线性度、重复性等静态特性参数；动态校准是采用动态压力标准器产生的动态压力作用于被校系统，获取测量系统的动态特性参数；准静态校准介于两者之间，采用半正弦压力脉冲对压力测量系统进行校准.

静态校准方法不适用于低频特性较差的冲击波压力传感器，且静态校准加载时间长，会影响传感器的使用寿命；动态校准在获取压力系统低频特性尤其零频特性方面较差；准静态校准虽然弥补了上述两种方法的缺陷，但校准范围仍受到一定限制. 目前，冲击波压力测试系统大多采用实验室校准，通过实验室校准获取的系统工作特性不能完全适用于爆炸场测试环境，因此需要进一步开展爆炸场现场压力校准方法研究.

1.1.4 数据处理方法及其他问题

针对冲击波压力数据处理和分析，张立恒等[11]对冲击波信号处理方法进行分析，提出了基于傅里叶分析的高低通滤波测试信号处理方法；孔霖等[12]研究了冲击波反射压的动态修正与补偿方法，为提高冲击波反射压测量准确度提供了技术支持. 针对爆炸冲击波毁伤特性， Li Liping等[13]提出一种基于小波包的能量谱提取方法，可用于分析不同工况下爆炸冲击波能量谱.

除此之外，冲击波压力测试还需要考虑传感器安装以及寄生效应抑制的问题. 传感器安装的角度方向对冲击波压力测试影响较大，如自由场压力传感器安装的侧偏角、俯仰角对其测量结果影响十分显著；地表反射压传感器一般安装在测试平板上，测试平板特性、尺寸及安装水平度对冲击波压力测量影响较为明显. 高能战斗部爆炸产生的高温、冲击、振动、电磁辐射等对冲击波压力测试造成干扰，导致测试结果产生寄生输出，这种现象称为爆炸场测试的寄生效应. 多位学者[14-15]分析了影响冲击波压力参量测量的寄生效应，并开展了爆炸场工况下的寄生效应抑制方法及数据处理方法研究.

1.2 存在的问题及发展分析

目前，冲击波压力测试没有统一的测试方法和现场操作规范，不同参试单位测试结果相差较大，需要进一步探讨. 高能战斗部爆炸冲击波压力测试仍采用常规战斗部的压力测试方法，这些方法或多或少存在一定问题；引线测试法布场繁琐，工作量较大，抗干扰能力较差；存储测试法的触发、采集存储仍存在问题；有关无线传输、数据加密等方面也需进一步研究.

除此之外，冲击波压力测试还要针对压力校准方法、传感器安装、数据处理方法、寄生效应抑制等继续开展研究，需要系统研究影响压力测量结果的因素及来源，研究各影响因素的评定方法，形成科学合理的冲击波压力测量体系，为提高冲击波压力测量精度提供依据.

2 热作用参量测试

爆炸场热作用参量主要包括爆炸火球表面温度、爆炸近场温度以及热流密度. 火球表面温度指爆炸形成的高温火球外表面温度；爆炸近场温度是爆炸场热辐射及高温气流温度的综合；热流密度是指单位时间内通过目标单位面积上的热量.

2.1 爆炸火球表面温度测试

火球表面温度是随时间及空间变化的，是表征火球热作用能力的重要参量，一般采用非接触测温法，常用的测量方法有红外测温法、光谱测温法、可见光测温法.

2.1.1 研究现状

1) 红外测温法

红外测温是利用红外探测器接收目标物体表面的红外热辐射，结合光学系统，对火球表面温度进行测试，红外热像仪是爆炸火球表面温度测试中最常用的测试仪器之一，工作在3 μm～5 μm波段或 8 μm～12 μm波段.

近年来，各高校、研究所开展了大量研究，如张玉磊等[16]利用红外热成像仪分别对温压炸药爆炸火球温度进行了测试研究，获取了爆炸火球最高温度随时间的变化曲线； Blankenhagel等[17]采用红外热像仪对3种有机过氧化合物火球进行了测试，给出了一种利用红外图像进行热辐射评估的方法. 关于红外热像仪测量火球表面温度的测试精度，学者们从理论角度分析了测温精度的影响因素，分析了火球表面温度试验的主要误差来源.

红外测温法是目前爆炸火球测温最常用的方法，但红外波长范围一定，测试量程有限，测试温度一般在2 000 ℃以内；红外热像仪帧频普遍较低，难以准确获取爆炸火球的变化过程；且由于受弹药组分等因素的影响，火球表面发射率并不固定，会对测试结果造成一定影响，这些问题均需要进一步解决.

2) 光谱测温法

光谱测温法是结合被测物光谱发射率及辐射定标，根据光谱强度的变化反演出被测体温度，因此可通过测量火球的光谱特征获得爆炸火球表面温度.

Lotfi等[18]采用光谱仪研究了不同炸药组分对爆炸火球光谱特性及表面温度的影响，实验结果显示不同组分下爆炸火球的光谱范围主要集中在500 nm～950 nm之间，火球表面温度最高可达2 800 K；孙崐等[19]设计了一种量程在800 ℃～3 500 ℃ 之间的多光谱测温仪，该测温仪可以测试爆炸火球温度变化过程.

光谱仪具有响应速度快、测温量程高等优点，是一种值得发展的高温测试方法. 但光谱仪受限于视场的限制，仅能测量局部温度，无法获取爆炸火球整体温度分布；光谱测温系统需要综合考虑测试环境、被测对象的辐射特性及光谱特性，以对系统进行研制.

3) 可见光测温法

根据普朗克定律，物体温度越高，其光谱辐射力峰值对应的波长越短，随着物体温度的升高，其光谱辐射范围由红外波段过渡至可见光波段，因此，可采用可见光测温法对爆炸火球表面高温进行测试. 目前，可见光测温一般采用高速摄像机对高温物体进行拍摄，结合比色测温原理对温度场进行测量.

John M等[20]研制了一种高速成像测温仪，该测温仪由一套光学镜头及两台单色高速摄像机组成，摄像机记录入射光强，并结合比色测温原理，计算火球表面温度，该测温仪动态特性好，帧频可达10 000 fps，但是测温量程有限，难以满足高能战斗部测试的需求；孙元等[21]在比色测温基础上研究了三色测温法，假设物体光谱发射率随波长呈线性变化，通过引入光谱发射率修正公式，对传统比色测温方法进行改进，减小了测温误差；许仁翰等[22]也针对爆炸温度场搭建了高速成像爆炸温度场系统，并应用于温压弹爆炸温度测量. 南京理工大学孔德仁课题组[5]针对高能战斗部爆炸火球表面温度测试，搭建了基于高速相机的测试系统(如图 3 所示)，并对标定方法、测试精度展开研究，该系统多次应用于爆炸场测试，获得了较好的测试结果.

图 3 基于高速相机的爆炸火球表面温度测试系统

可见光测温法可以测量爆炸火球高温，高速摄影设备帧频高，测试精度相对较高，可获取爆炸火球全过程. 但该方法目前的研究还不够完善，关于标定方法和测试精度都需要进一步分析.

2.1.2 存在的问题及发展分析

爆炸火球表面温度变化迅速，峰值温度持续时间仅数十毫秒，最高温度达3 000 ℃，对测试仪器的帧频和测量范围有一定要求.

红外热像仪测温存在的主要问题是测试量程有限和帧频较低，难以准确获取爆炸火球变化过程；光谱测温虽然响应速度快、测温量程高，但受视场影响无法全面获取爆炸火球温度分布. 采用高速摄像机的可见光测温法可以获取火球温度空间分布，但标定方法、测试精度分析等研究还不够深入.

在此基础上，由于各方法适用的光谱范围不同，今后可开展多光谱测试方法研究，联合多个光谱波段对火球表面温度进行测试. 同时，开展爆炸火球三维分布测试研究，对爆炸火球温度场进行三维重建也是爆炸火球研究的重要方向.

2.2 爆炸近场温度测试

爆炸近场温度是衡量热作用的重要表征参量之一，可反映爆炸产生的热毁伤程度. 爆炸近场温度一般采用接触式测温，测温元件与被测体接触获取测点的温度数据.

2.2.1 研究现状

接触式测温一般采用热电偶作为热电转换元件，传感器敏感元件与爆炸产物直接接触进行测试，根据热电偶输出幅值查询分度表获取被测对象的温度，传统热电偶结构示意图如图 4 所示.

图 4 传统热电偶示意图

热电偶具有较高的测温上限、较好的热电特性，在爆炸场温度测试中得到了广泛应用. 高能战斗部近场冲击波压力高，严重影响热电偶的生存. 为了满足耐压能力要求，国内外对热电偶测温端结构进行了研究. Pearce等[23]通过在铂丝中掺杂金属锆的方式改善了铂铑热电偶的高温脆化问题，该方法可以在不影响热电特性的情况下提升热电偶强度；张茹开等[24]通过在热电偶前方加装滞止罩的方式降低冲击波的强度，提升热电偶的存活概率. 针对热电偶的响应时间长的问题，国内学者将自适应动态补偿、粒子群算法、神经网络等方法应用于热电偶测温系统动态补偿数字滤波器的构建中，以提高系统的动态性能. 数字滤波器虽然具有经济且灵活性强的优点，但是需要额外的数据处理环节，无法实时输出测试结果，不适用于高能战斗部爆炸场温度测试.

2.2.2 存在的问题及发展分析

目前，爆炸场温度测试存在以下问题：

1)高能战斗部爆炸场温度高，超出传统热电偶分度表上限，需要对热电偶分度表进行拓展；

2)热电偶的响应时间难以满足高能战斗部爆炸场测试需求，应继续提升热电偶动态特性；

3)机械冲击、振动、热滞流对热电偶传感器影响较大，高温会导致热电偶氧化，长时间测试可导致热电偶失效.

综上所述，目前传统热电偶存在结构强度低、测温范围窄、响应时间长等问题，无法满足高能战斗部测试的需求，需要继续从热电偶结构、制备方法等多方面入手，拓展热电偶测温范围，使其测温上限满足爆炸场温度测试要求，采用相应工艺措施及动态补偿技术提高热电偶传感器频率响应特性.

2.3 热流密度测试

热流密度是爆炸火球形成的热辐射及高温高速流场形成的热对流的综合，是表征爆炸场热作用强度的重要参量.

2.3.1 研究现状

国外用于热流密度测试的传感器以美国ITI， RdF， Vatell， Medtherm等公司为代表，美国NASA， AEDC、德国DLR， RWTH、俄罗期IPM，日本NAL等研究机构也针对热流密度测量技术进行了大量研究. 在国内，北京遥测技术研究所、航天一院702所、中电49所、西安近代化学研究所、南京理工大学均开展了热流传感器研制工作.

常见的热流密度传感器主要包括同轴热电偶、戈登计、薄膜热阻式热流计及薄壁热流计等. 同轴热电偶主要用于测试对流换热产生的热流密度，测试辐射热流密度时精度有限；戈登计作为标准传感器虽然精度高，但主要用于测试辐射热流密度；薄膜热阻式热流计制作工艺复杂、价格昂贵、响应时间较长，不适合在爆炸场环境中使用. 相比较而言，薄壁热流计响应时间短、结构简单、可靠性强，可同时满足热辐射及热对流测试的要求，常被应用于恶劣环境下的热流密度测试，传统薄壁热流计结构如图 5 所示.

图 5 传统薄壁热流计结构图

薄壁热流计是一种间接测量传感器，其测量精度主要取决于传感层的热传导特性、温度传感器精度及动态响应. 薄壁热流计根据薄壁后壁面温度，结合相应数学模型，求解入射热流密度. 为了提升热流计响应速度，可通过改进数学模型的方式，如采用拉布拉斯转换、共轭梯度法等，减小热流计响应时间，提升热流计动态特性.

除此之外，近年来国内针对爆炸场工况开展了大量关于热流密度传感器的研制和测试工作. 郭雨岩等[25]针对大当量战斗部，设计了一种新型热沉冷却式热流密度传感器，并对试验结果进行了分析；张俊峰等[26]研制了热容式热流密度传感器，并将其应用于密闭爆炸场、火箭发动机尾焰测试等多个场景；陈爱艳等[27]针对温压弹药，采用接触法结合戈登型热流传感器，设计了爆炸场热流信号存储测试系统，并进行了实爆测试.

目前，热流密度测试仍受诸多因素影响，测试精度有待进一步分析，关于热流密度传感器的研制工作需继续开展，改善其动态范围及响应时间，以适应爆炸场测试环境.

2.3.2 存在的问题及发展分析

目前，热流密度传感器存在或多或少的缺点，相比之下，薄壁热流计更适用于爆炸场环境的热流密度测试. 由于爆炸场环境恶劣，热流密度持续时间短，对传感器的耐压能力、响应时间和测量范围都提出了较高要求. 在之后的研究中需继续对热流密度传感器的动态范围、响应时间、生存能力以及标定方法开展研究，研制适用于高能战斗部爆炸场热流密度测试的传感器及测试系统.

3 破片速度及飞散特性测试

破片根据其形成机理分为自然破片、可控破片、预制破片等主要形式，破片参量测试主要为破片速度和破片飞散特性测试.

3.1 破片速度测试

根据测试装置的特点，破片测速方法分为接触式和非接触式两类，接触式测量法包括铝箔靶、梳状靶、网靶等，非接触式测量包括光幕靶、天幕靶、雷达测速法以及高速摄影法等.

接触式测试大多采用铝箔靶或梳状靶，国内开展了大量研究. 杨桂红等[28]采用梳状靶法测量了全预制钨合金破片的飞行速度，并将试验结果与高精度光幕靶结果进行了对比；钱礼华等[29]在梳状靶的基础上研制了存储式弹丸破片速度测试装置，该装置体积小，不需要长信号线，减少了干扰.

接触式测试作为一种较为成熟的测试方法，广泛应用于爆炸场测试中，但该方法立靶布设繁琐，且破片穿靶时测试装置会对破片速度造成一定影响.

非接触式测试方法常用的有雷达测速法、光幕靶法以及高速摄影法. 雷达测速法是指雷达发射固定频率的脉冲波对空扫描时，根据多普勒频率的大小，可测出目标对雷达的径向相对运动速度. 杨勇[30]提出，采用毫米波阵列雷达对近场破片速度进行测量，设计了毫米波破片速度参数测量系统并进行了试验；杜诗泓[31]为克服传统雷达对高机动微小目标观测时间分辨率不足的缺点，开展了基于连续波雷达的技术研究和系统设计，并进行外场测试，验证了实际雷达系统工作的有效性. 针对光幕靶法，王红宇等[32]对红外光幕靶进行改进，搭建了适用于弹丸速度测试的测速系统；杨久琪等[33]提出了一种基于主动光幕阵列的破片速度测量方法，可不暴露于破片杀伤范围内获取水平方向入射的破片速度. 高速摄像机拍摄频率较高，可实现对高速运动目标运动过程的记录，通过拍摄的影像判读实际速度，如杜博军等[34]提出了基于高速摄影视觉测量的静爆破片运动参数测试方法，给出了双目视觉测量的方案.

非接触式测试方法虽然规避了测试装置对破片穿靶的影响，但各方法仍存在较多问题，具体将在3.3小节详细讨论.

3.2 破片飞散特性测试

破片飞散特性主要包括有效破片总数、破片的飞散角、飞散方向角和分布密度等参数，测试方法分为接触式和非接触式两大类，接触式方法是指利用设立靶板获取通过靶板截面的破片分布特性；非接触式方法主要是利用虚拟靶、 X射线摄影设备、高速摄影等装置获取破片分布特性.

接触式主要采用立靶法，即在距离战斗部一定距离处破片飞散区域一定角度内树立靶板进行破片飞散特性测试. 2001年，美国物理科技公司采用电子靶板开展一体化装置研究，对破片分布进行测试，并应用于空军基地破片测试中；王林等[35]针对大当量杀伤战斗部破片飞散特性，在球形靶的基础上开展了矩形靶、 L形靶试验方法研究，并应用于靶场测试和评估. 人工判读靶板费时费力，且坐标转换复杂，获得的飞散角及分布密度精度不高，因此，有研究者采用相机拍摄试验靶板，对试验前后图像进行比对，根据爆心坐标、靶板坐标系的统一，求取飞散角及分布密度，如李明富等[36]针对战斗部静爆试验分析，开展了图像识别技术研究，并开发了靶板破孔识别分析程序. 唐诗等人[37]针对战斗部静爆破片群设计了一种新型阵列式梳状靶测试系统，通过对阵列单元的合理设计，建立坐标系计算破片群的飞散特性.

接触式测试方法最大的问题是布场复杂，且只能单次试验使用，耗费大量人力物力.

针对非接触式测试方法，美国陆军在阿伯丁试验场采用测速雷达、高速相机和纤维靶板构建的系统，获取了战斗部破片参数，并进行了毁伤威力分析；美国发起的SBIR项目[38]中，利用高速成像技术和3D运动目标空间追踪技术，对破片的运动参数进行了重建；美国桑迪亚实验室[39]采用闪光X射线和高速摄影技术，对破片飞散过程进行了测试，利用数字图像技术对破片场进行3D重构. 在国内，唐孝容等[40]设计并组建了阵列式光幕靶测试系统，用于测试破片群飞散特性；陈君等[41]针对战斗部破片空间分布测试，提出了一种结合激光辅助照明和原向反射技术的高速线阵相机交汇测试方法.

非接触式测量装置可重复使用，节省了立靶的人力物力，但测试设备都较昂贵，需要对其布场防护重视.

3.3 存在的问题及发展分析

破片速度测试主要存在以下问题：

1)接触式测试布场方式繁琐，装置放于爆炸场不易于防护，仅能单次使用；测试装置会影响破片的运动，破片过靶时会产生速度衰减，为提高测量准确性，应研究装置对破片速度测量的影响规律，并对测试装置改进减小影响；

2)雷达测速法在破片群数量多、破片速度变化大、飞散方向多的情况下，回波信号复杂，信号分析困难；

3)光幕靶法对背景光照、测量环境要求较高，多破片同时穿靶的速度测量存在一定困难；

4)高速摄影法对破片群识别难度较大，还需研究图像标定方法及噪声信号剔除等问题，对高速摄像机位置布设和目标提取跟踪算法进行研究，实现对破片群的速度测试.

针对破片飞散特性，接触式测试主要问题在于靶板布场设计及安装，若采用拍摄照片图像识别的方法，则需对破片图像处理及数据分析进行研究；非接触式中，光幕靶法主要用于大尺寸破片测量，针对小破片群分布测试的研究还不够完善；高速摄像交会测量破片飞散特性处于起步阶段，存在密集目标图像辨识困难，易受环境影响等问题，如何跟踪和提取微小目标是破片参量测试的研究重点. 同时，现有的破片飞散特性测试多是测量某个截面或投影平面的破片参量，破片三维空间分布测试研究还需进一步开展.