郭明儒,婁文忠,金鑫,代西明(北京理工大學(xué)機(jī)電工程控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100081)

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燃料空氣炸藥固體燃料濃度動(dòng)態(tài)分布試驗(yàn)研究

郭明儒,婁文忠,金鑫,代西明
(北京理工大學(xué)機(jī)電工程控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100081)

摘要:合適的燃料云團(tuán)濃度是云爆燃料爆轟的前提條件,但是受到拋撒作用機(jī)理復(fù)雜、測(cè)試設(shè)備不完善等因素制約,針對(duì)云爆彈燃料云團(tuán)濃度動(dòng)態(tài)分布的試驗(yàn)研究還很欠缺。建立基于CMM-1濃度檢測(cè)微系統(tǒng)的陣列式濃度測(cè)試系統(tǒng),對(duì)由縮比拋撒裝置產(chǎn)生的燃料云團(tuán)濃度進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè),形成燃料濃度隨時(shí)間和空間的變化曲線,并獲得了燃料濃度峰值的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明:該試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法能夠獲得云爆彈燃料濃度的動(dòng)態(tài)分布情況,可以為云爆彈戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)和二次起爆設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞:兵器科學(xué)與技術(shù);云爆彈;濃度;分布;檢測(cè)

0　引言

二次起爆型云爆彈的作用過(guò)程為:云爆彈到達(dá)目標(biāo)上空后,在一次引信和中心拋撒藥作用下,將燃料拋撒到空氣中形成燃料云團(tuán);滿足一定條件時(shí),通過(guò)二次引信引爆燃料云團(tuán),形成爆轟反應(yīng),實(shí)現(xiàn)毀傷效果。在這一過(guò)程中,燃料云團(tuán)的形狀和尺寸等特性嚴(yán)重影響爆轟的殺傷范圍和持續(xù)時(shí)間,而燃料云團(tuán)的濃度作為云爆燃料爆轟的前提條件,直接決定著能否成功形成爆轟反應(yīng)。作為提高云爆彈作戰(zhàn)威力的重要途徑,燃料拋撒和云霧控制一直是云霧爆轟技術(shù)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。

國(guó)外可查閱的研究成果主要集中于理論研究和數(shù)值仿真方面。1969年,Zabelka根據(jù)爆炸作用力和空氣阻力的相對(duì)變化,將燃料拋撒過(guò)程分為“近場(chǎng)”和“遠(yuǎn)場(chǎng)”兩個(gè)階段[2],這一劃分在后續(xù)研究中被廣泛接受和采用; Gardnezrlol[3]和Galss[4]分別于1990年和1991年對(duì)云霧拋撒的“近場(chǎng)”階段和“遠(yuǎn)場(chǎng)”階段進(jìn)行了數(shù)值仿真,其中“近場(chǎng)”階段的數(shù)學(xué)模型和仿真結(jié)果存在一定爭(zhēng)議,仍然有待驗(yàn)證。近年來(lái),國(guó)外相關(guān)研究主要集中于采用計(jì)算機(jī)仿真和圖像處理方法對(duì)燃料拋撒運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行分析研究,燃料成分從最初的液態(tài)燃料逐步擴(kuò)展到固體顆粒燃料和液體-固體混合燃料。

國(guó)內(nèi)開(kāi)展相關(guān)研究起步較晚,但是研究范圍較為廣泛,在燃料拋撒過(guò)程理論分析[5-6],燃料氣云特征參數(shù)(形狀、尺寸和擴(kuò)散速度等)數(shù)值仿真[7-9]以及拋撒裝置參數(shù)(殼體材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和比藥量等)對(duì)云霧狀態(tài)影響的試驗(yàn)研究[10-12]等多個(gè)方面開(kāi)展了富有成效的研究。

雖然目前針對(duì)燃料拋撒過(guò)程的研究已經(jīng)廣泛開(kāi)展并取得了一定成果,但是受到拋撒過(guò)程機(jī)理復(fù)雜和測(cè)試設(shè)備不完善等因素阻礙,針對(duì)云爆彈燃料云團(tuán)中燃料濃度動(dòng)態(tài)分布的專門(mén)研究還是處于起步階段。僅有部分文獻(xiàn)給出了燃料拋撒時(shí)濃度分布的數(shù)值仿真結(jié)果[8],而且這些結(jié)果均為拋撒過(guò)程研究的衍生產(chǎn)物,計(jì)算模型和仿真結(jié)果尚未得到有效驗(yàn)證;關(guān)于燃料濃度動(dòng)態(tài)分布的試驗(yàn)研究至今還是空白。

針對(duì)以上問(wèn)題,通過(guò)對(duì)測(cè)試設(shè)備、試驗(yàn)方法及結(jié)果分析方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),開(kāi)展了燃料云團(tuán)濃度動(dòng)態(tài)分布的試驗(yàn)研究,獲得了由某縮比拋撒裝置產(chǎn)生的燃料云團(tuán)濃度時(shí)空分布規(guī)律。

1　試驗(yàn)條件與方法

1.1試驗(yàn)?zāi)康暮头椒?/p>

本次試驗(yàn)研究的目的在于測(cè)量某種拋撒裝置產(chǎn)生的燃料云團(tuán)濃度,建立基于該裝置的燃料濃度動(dòng)態(tài)分布規(guī)律。

阻礙燃料云團(tuán)濃度分布研究的主要因素包括燃料拋撒過(guò)程的復(fù)雜性、云爆燃料成分多樣性和高濃度、高動(dòng)態(tài)混合物檢測(cè)設(shè)備的不完善。針對(duì)以上問(wèn)題,分別在測(cè)試設(shè)備、測(cè)試系統(tǒng)、試驗(yàn)方法及結(jié)果分析方面進(jìn)行了研究,形成了新的試驗(yàn)方法。

該試驗(yàn)方法的核心包括:

1)設(shè)計(jì)可以直接測(cè)量高濃度混合物濃度值的CMM-1濃度檢測(cè)微系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)直接測(cè)量;

2)建立陣列式測(cè)試系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料云團(tuán)的多點(diǎn)測(cè)試;

3)采用成分單一、粒徑相似、性質(zhì)穩(wěn)定的等效物模擬云爆藥劑,減少因燃料成分產(chǎn)生的復(fù)雜度;

4)采用與真實(shí)云爆彈裝置類似的縮比結(jié)構(gòu)和相同的拋撒方式產(chǎn)生燃料云團(tuán),提高拋撒過(guò)程與真實(shí)情況的一致性,保證研究結(jié)論等效成立;

5)采用濃度檢測(cè)微系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)燃料云團(tuán)濃度的直接測(cè)量,同時(shí)保留高速攝像圖像,最后對(duì)兩種方法的處理結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和綜合。

1.2試驗(yàn)裝置及參數(shù)

試驗(yàn)使用的裝置包括濃度檢測(cè)微系統(tǒng)、云霧拋撒裝置、高速攝像、尺寸標(biāo)識(shí)桿及其他附件。

1.2.1CMM-1濃度檢測(cè)微系統(tǒng)

CMM-1濃度檢測(cè)微系統(tǒng)是針對(duì)高濃度混合物設(shè)計(jì)制作的濃度檢測(cè)微系統(tǒng)[13]。CMM-1以超聲在混合物中傳播時(shí)發(fā)生衰減為基本測(cè)試原理,采用精密信號(hào)處理電路對(duì)特定頻段超聲在云霧中的衰減進(jìn)行測(cè)量,根據(jù)兩相離散系聲波衰減模型中較為完善的ECAH模型對(duì)超聲衰減信息進(jìn)行處理,結(jié)合燃料顆粒的物理參數(shù)計(jì)算混合物濃度。

前期研究成果表明CMM-1能夠?qū)舛确秶鸀?0～1 000 g/ m3的混合物進(jìn)行直接測(cè)量,測(cè)試精度不低于1%,檢測(cè)時(shí)間不大于1 ms.CMM-1采用微型化、模塊化和低功耗設(shè)計(jì),系統(tǒng)功耗小于300 mw,可以配置為模擬聲信號(hào)輸出、數(shù)字聲信號(hào)輸出、計(jì)算濃度數(shù)字輸出和存儲(chǔ)測(cè)試等多種工作方式。該系統(tǒng)不僅可用于云爆彈燃料濃度檢測(cè),還可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量和環(huán)保監(jiān)測(cè)等其他領(lǐng)域。

CMM-1濃度檢測(cè)微系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

本次試驗(yàn)中,濃度檢測(cè)微系統(tǒng)設(shè)置為數(shù)字聲信號(hào)存儲(chǔ)測(cè)試模式,即只對(duì)原始聲信號(hào)進(jìn)行采樣和A/ D轉(zhuǎn)換,不進(jìn)行濃度解算,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于微系統(tǒng)內(nèi)部,試驗(yàn)完畢后輸出到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。濃度檢測(cè)微系統(tǒng)采樣頻率設(shè)置為500 kHz,采樣長(zhǎng)度4 500 ms.

圖1　CMM-1濃度檢測(cè)微系統(tǒng)框圖Fig.1 Schematic diagram of concentration measurement microsystem CMM-1

1.2.2拋撒裝置

拋撒裝置用于將模擬燃料拋撒到環(huán)境中形成燃料云團(tuán)。

如圖2所示,本研究使用的云霧拋撒裝置總體采用薄殼圓柱結(jié)構(gòu)。裝置由殼體、模擬燃料、拋撒藥、雷管和管殼構(gòu)成。殼體材質(zhì)為聚乙烯,半徑50 mm,高度145 mm;模擬燃料采用硅酸鹽水泥粉末,設(shè)計(jì)裝藥量1 000 g;拋撒藥為T(mén)NT炸藥,藥柱尺寸為φ20 mm×20 mm,藥量10 g.

圖2　縮比拋撒裝置Fig.2 Scaled-down dispersing device

1.3試驗(yàn)系統(tǒng)布置

試驗(yàn)系統(tǒng)布置在開(kāi)闊環(huán)境中,布置方式如圖3所示。

圖3中,云霧拋撒裝置懸掛在支架上,拋撒裝置幾何中心距地面2.5 m.

以拋撒裝置在地面的豎直投影為中心布置濃度檢測(cè)陣列:檢測(cè)陣列由3組(A,B,C)扇形布置的濃度檢測(cè)微系統(tǒng)構(gòu)成,相鄰兩組夾角為45°;每組包含3個(gè)濃度檢測(cè)微系統(tǒng),相鄰間距為1 m;濃度檢測(cè)微系統(tǒng)的傳感器高度與云霧拋撒裝置中心等高。

圖3　試驗(yàn)系統(tǒng)布置(俯視圖)Fig.3 Layout of experimental system (top view)

在距離中心20 m處布置高速攝像機(jī),攝像機(jī)拍攝方向與A組濃度檢測(cè)微系統(tǒng)的連線垂直。在高速攝像機(jī)拍攝范圍內(nèi)設(shè)置尺寸標(biāo)志桿,標(biāo)志桿橫向距離6 m,且尺寸標(biāo)志桿的連線與拍攝方向垂直。

2　數(shù)據(jù)分析與討論

2.1數(shù)據(jù)流程分析

本次研究實(shí)際進(jìn)行試驗(yàn)8次,試驗(yàn)中獲得信息包括濃度測(cè)試原始數(shù)據(jù)和高速攝像圖片,試驗(yàn)后根據(jù)圖4所示流程開(kāi)展數(shù)據(jù)處理。

圖4　數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.4 Data processing flow chart

2.2圖像分析

試驗(yàn)獲得的典型高速攝像圖片如圖5所示。

根據(jù)處理流程,首先分別統(tǒng)計(jì)各次試驗(yàn)中云霧在長(zhǎng)度和寬度方向的尺寸變化,然后根據(jù)云霧形狀采用圓柱狀幾何模型進(jìn)行體積計(jì)算,忽略中心空洞并假設(shè)云霧在云團(tuán)范圍內(nèi)均勻分布進(jìn)行平均濃度計(jì)算,依次形成典型結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖5　拋撒過(guò)程的高速攝像圖片F(xiàn)ig.5 Photoes of dispersing process

圖6　燃料云團(tuán)尺寸-時(shí)間曲線Fig.6 Fuel cloud dimension vs.time

圖7　燃料云團(tuán)體積-時(shí)間曲線Fig.7 Fuel cloud volume vs.time

圖8　燃料云團(tuán)平均濃度-時(shí)間曲線Fig.8 Average concentration vs.time

為了便于進(jìn)行定量分析,根據(jù)常規(guī)圖像信息處理方法,選取云霧拋撒后約35 ms,云霧尺寸基本穩(wěn)定階段的相關(guān)數(shù)據(jù),并結(jié)合拋撒裝置的相關(guān)參數(shù),可以形成燃料云團(tuán)特征參數(shù)如表1所示。

表1　燃料云團(tuán)特征參數(shù)表Tab.1 The characteristic parameters of fuel cloud

根據(jù)圖6～圖8及表1信息可知:采用縮比拋撒裝置形成的燃料云團(tuán)呈寬高相近的圓柱狀;云霧尺寸和體積隨時(shí)間逐漸增大,平均濃度相對(duì)減小,但是變化速度呈現(xiàn)明顯的先快后慢變化,可以據(jù)此將云霧擴(kuò)散過(guò)程分為兩個(gè)階段,快速沉降階段和穩(wěn)定擴(kuò)散階段;當(dāng)云霧尺寸基本穩(wěn)定時(shí),燃料云團(tuán)與模擬裝置的半徑比約為31,體積比約為1 030,云霧平均濃度約為67 g/ m3.

2.3聲衰減信號(hào)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)中獲得的典型超聲衰減曲線如圖9所示。

圖9　超聲幅值衰減曲線Fig.9 Amplitude attenuation curve of ultrasound

根據(jù)圖4所示處理流程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,即可獲得各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的瞬態(tài)濃度分布曲線;進(jìn)一步提取曲線特征數(shù)據(jù),形成濃度曲線特征參數(shù)表。典型的濃度分布曲線及特征參數(shù)表分別如圖10和表2所示。

圖10　相對(duì)濃度分布曲線Fig.10 Curves of relative concentration distribution

表2　濃度分布曲線特征值Tab.2 Characteristic values of concentration distribution curve

分析圖10中濃度數(shù)據(jù)變化趨勢(shì),結(jié)合試驗(yàn)條件,可以得到云爆彈固態(tài)燃料濃度分布具有以下規(guī)律和特點(diǎn):

1)在同一測(cè)試點(diǎn),燃料云團(tuán)濃度均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),峰值出現(xiàn)時(shí)間隨測(cè)試節(jié)點(diǎn)與爆炸中心距離增大而增大;

2)在不同測(cè)試點(diǎn),濃度峰值及濃度變化速度隨測(cè)試節(jié)點(diǎn)與爆炸中心距離增大而減小,本次試驗(yàn)中各測(cè)試節(jié)點(diǎn)A1、A2、A3處濃度峰值比約為10∶6∶4;

3)云霧拋撒12 ms后,測(cè)試節(jié)點(diǎn)A1處云霧濃度小于測(cè)試節(jié)點(diǎn)A2和A3處的云霧濃度,即云霧分布呈現(xiàn)出外高內(nèi)低的趨勢(shì),符合拋撒理論中關(guān)于燃料“空洞”現(xiàn)象的描述,可以認(rèn)為該時(shí)刻形成了“空洞”;

4)測(cè)試節(jié)點(diǎn)A2出現(xiàn)雙峰值,其中第一峰值下降沿與測(cè)試節(jié)點(diǎn)A1濃度抖動(dòng)時(shí)間一致,分析認(rèn)為此時(shí)燃料在壓強(qiáng)及濃度差作用下發(fā)生了雙向運(yùn)動(dòng),一部分燃料向爆炸中心方向運(yùn)動(dòng),符合“遠(yuǎn)場(chǎng)-近場(chǎng)”劃分的相關(guān)理論。

3　結(jié)論

本文采用濃度檢測(cè)微系統(tǒng)建立測(cè)試陣列,獲得了某拋撒裝置條件下的燃料濃度時(shí)空變化曲線,據(jù)此對(duì)云霧濃度變化趨勢(shì)及濃度峰值擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了初步研究。研究表明任意測(cè)試點(diǎn)處云霧濃度峰值的大小及其出現(xiàn)時(shí)間分別與該點(diǎn)到爆炸中心的距離呈反比和正比;本試驗(yàn)還對(duì)燃料分布的“空洞”現(xiàn)象及“遠(yuǎn)場(chǎng)-近場(chǎng)”階段劃分進(jìn)行了驗(yàn)證。

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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

作者簡(jiǎn)介:郭明儒(1986—),男,博士研究生。E-mail:jiaoluo@ bit.edu.cn;婁文忠(1969—),男,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:louwz@ bit.edu.cn

基金項(xiàng)目:國(guó)家部委“十二五”預(yù)先研究項(xiàng)目(00404010601)

收稿日期:2015-03-18

DOI:10.3969/ j.issn.1000-1093.2016.02.005

中圖分類號(hào):TJ01

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1000-1093(2016)02-0226-06