暢里華,何 徽,溫偉峰,李金河,王 旭,冉茂杰

(中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽 621999)

在水下武器效應(yīng)研究中，炸藥水下爆炸特性是非常重要的研究內(nèi)容，特別是爆炸所形成的沖擊波，它是形成損傷效應(yīng)的最重要的因素之一。由于沖擊波在水下擴散時能量損失迅速，因此為提高爆炸損傷能力，需要使它盡可能在近場范圍內(nèi)發(fā)揮效果，這就使得開展水下爆炸近場沖擊波特性研究顯得尤為重要[1]。其中，炸藥水中爆炸沖擊波陣面的形狀、發(fā)展過程及不同方向的傳播速度是實驗中最為基本、關(guān)鍵的參數(shù)，對于炸藥水中爆炸實驗的設(shè)計、數(shù)值模擬及實驗裝置的改進，都起著極為重要的作用。鑒于炸藥水中爆炸沖擊波傳播速度快的技術(shù)特點，高速攝影就成為光學(xué)測試技術(shù)中一個不可或缺的測試手段[2-3]。目前，在水中爆炸近場中采用的測試技術(shù)主要是用分幅或掃描攝影技術(shù)獲得不同時刻沖擊波頭數(shù)據(jù)，從而推導(dǎo)出峰壓衰減規(guī)律[4-6]。在我國，在水中爆炸近場光學(xué)測試方面做的工作較少，趙繼波等[7-8]、李金河等[9]采用高速轉(zhuǎn)鏡掃描相機或分幅相機拍攝了炸藥水中爆炸軸向沖擊波傳播一維時間或二維空間像，一維時間和二維空間、光強度等信息不能在同一發(fā)實驗中同時獲得，且不是同一時基、同一空基，不具有可比性。

本文中，采用自研的超高速同時分幅/掃描攝影系統(tǒng)首次拍攝炸藥水中爆炸沖擊波傳播過程同一時基、同一空基且具有超高時空分辨的一維(水平和垂直同時掃描)和二維圖像，不僅能觀察炸藥水中爆炸沖擊波陣面在傳播過程中的形狀變化，而且可獲得該過程徑向和軸向的沖擊波傳播速度及沖擊波陣面壓力。

1 實 驗

1.1 爆炸裝置

爆炸裝置主要由雷管、傳爆藥、主裝藥柱、支撐架等組成。所用主裝藥為TNT，尺寸約為?60 mm×66 mm，密度為1.580 g/cm3，用支撐架將爆炸裝置置于水箱中部處于懸空的狀態(tài)，懸空高度為水箱高度的一半。雷管及其引腳與起爆電纜的結(jié)合部嚴格密封，入水電纜具有良好的水密性。炸藥水中爆炸實驗裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

同時分幅/掃描超高速光電攝影系統(tǒng)分幅成像組件對實驗裝置整個視場成像，掃描成像組件對主裝藥柱徑向和軸向同時成像。

1.2 測試裝置

炸藥水中爆炸沖擊波傳播超高速同時分幅掃描攝影測試布局如圖2所示。脈沖氙燈光源經(jīng)照明物鏡照明被攝區(qū)域，經(jīng)反射鏡、相機物鏡成像在超高速同時分幅/掃描光電相機上。由于沖擊波傳播過程極快，實驗過程中，為拍攝到穩(wěn)定、可靠的沖擊波傳播過程圖像，必須保證超高速攝影系統(tǒng)拍攝時刻、脈沖氙燈光源發(fā)光時刻及沖擊波傳播的形成和發(fā)展時刻精確同步[10]。

實驗過程中，由于起爆裝置伴隨有高電壓和大電流，這些因素輕則會導(dǎo)致同時分幅/掃描超高速光電相機誤觸發(fā)，重則甚至?xí)鹣鄼C工作不正常、圖像丟失。為避免該問題，實驗時，對相機整體通過電屏蔽箱屏蔽，相機與同步控制器之間通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為光信號再連接，同時相機與計算機之間的控制和數(shù)據(jù)接口全部采用光纖傳輸。通過以上改進，實現(xiàn)了目標(biāo)起爆時刻與相機拍攝時刻的精確同步，可靠獲得炸藥水中爆炸沖擊波傳播過程同一時基、同一空基具有高時空分辨的一維和二維清晰圖像[11]。

2 結(jié)果及分析

圖3是用同時分幅/掃描超高速光電相機拍攝的?60 mm×66 mm炸藥在400 mm×400 mm×400 mm水箱中爆炸沖擊波傳播過程一維時間和二維空間的圖像信息，炸藥材料為TNT，t所對應(yīng)的時刻均以炸藥爆炸起始時刻為零時。分幅成像拍攝條件：畫幅數(shù)為6，每幅時間間隔分別為5、5、5、10、10 μs，曝光時間為20 ns。掃描成像拍攝條件：掃描時間為100 μs，掃描速度為0.12 km/s，畫幅數(shù)為2，水平x方向、垂直y方向同時掃描。分幅成像拍攝到炸藥水中爆炸沖擊波傳播變化過程，記錄了沖擊波傳播過程二維空間信息和抽樣時間信息；掃描成像得到炸藥水中爆炸沖擊波傳播軸向、徑向沖擊波陣面界面變化過程，記錄了沖擊波傳播軸向和徑向連續(xù)時間信息和一維空間信息。從6幅分幅圖像，可清楚地觀察到炸藥水中爆炸沖擊波的傳播和爆轟產(chǎn)物的膨脹過程：當(dāng)爆轟未完成時，在藥柱長度范圍內(nèi)水中沖擊波與爆轟波一起沿藥柱表面母線移動，他們在藥柱表面交點處的移動速度相同；當(dāng)爆轟完成后，水中沖擊波開始以自己的速度在水中傳播，水中沖擊波陣面形狀呈橢圓形且形狀不規(guī)則。從2幅掃描圖像可以看出，垂直掃描y方向(徑向)沖擊波傳播過程對稱性較好，傳播速度基本一致，水平掃描x方向(軸向)沖擊波傳播較快。

圖4是對拍攝到的圖像進行處理及數(shù)據(jù)分析，得到的炸藥水中爆炸沖擊波陣面軸向、徑向隨時間的變化曲線。圖4中橫坐標(biāo)為相機的掃描時間，縱坐標(biāo)為沖擊波陣面距炸藥中心的距離H。從圖4(a)徑向沖擊波陣面隨時間變化曲線可以看出，左、右邊界整個傳播過程中對稱性很好，沖擊波傳播速度隨時間的推延而逐漸減小。左邊界沖擊波在5 μs時刻傳播速度約為4.79 km/s，30 μs時刻傳播速度約為3.01 km/s，67 μs時刻傳播速度約為2.50 km/s。右邊界沖擊波在5 μs時刻傳播速度約為4.76 km/s，30 μs時刻傳播速度約為3.00 km/s，67 μs時刻傳播速度約為2.50 km/s。左、右邊界平均速度幾乎一樣。從圖4(b)軸向沖擊波隨時間變化可以看出，沖擊波傳播速度軸向明顯比徑向快，上邊界成像受電纜線影響無法準確讀出，下邊界5 μs時刻傳播速度約為5.47 km/s，30 μs時刻傳播速度約為3.51 km/s，40 μs時刻傳播速度約為3.06 km/s。

圖5為?60 mm×66 mm炸藥在800 mm×800 mm×800 mm水箱中爆炸沖擊波傳播過程一維時間和二維空間信息圖像。分幅成像拍攝條件：畫幅數(shù)為6，每幅時間間隔分別為5、10、10、20、20 μs，曝光時間為20 ns。掃描成像拍攝條件：掃描時間為100 μs，掃描速度為0.12 km/s，畫幅數(shù)為2，軸向y方向、徑向x方向同時掃描。從8幅圖像，可清楚地觀察到炸藥水中爆炸沖擊波陣面?zhèn)鞑フ麄€過程，比炸藥在400 mm×400 mm×400 mm水箱中沖擊波傳播速度慢。

圖6是對拍攝到的原始圖5進行處理及數(shù)據(jù)分析，得到的炸藥水中爆炸沖擊波陣面軸向、徑向隨時間的變化曲線。圖6中橫坐標(biāo)為相機的掃描時間，縱坐標(biāo)為炸藥水中爆炸沖擊波陣面距中心的距離H。從圖6(a)徑向沖擊波陣面隨時間變化曲線可以看出，整個傳播過程中對稱性較好，沖擊波傳播速度隨時間的推延而逐漸減小。左邊界沖擊波在5 μs時刻傳播速度約為4.56 km/s，30 μs時刻傳播速度約為2.83 km/s，90 μs時刻傳播速度約為2.23 km/s。右邊界沖擊波在5 μs時刻傳播速度約為4.41 km/s，30 μs時刻傳播速度約為2.75 km/s，90 μs時刻傳播速度約為2.21 km/s。左、右邊界平均速度幾乎一樣。從圖6(b)軸向沖擊波隨時間變化可以看出，沖擊波傳播速度軸向明顯比徑向快，上邊界成像受電纜線影響無法準確讀出，下邊界5 μs時刻傳播速度約為5.29 km/s，30 μs時刻傳播速度約為3.18 km/s，40 μs時刻傳播速度約為2.97 km/s。

由于相機水平掃描方向與藥柱軸線重合, 所以得到水平方向的沖擊波速度可認為是波陣面上軸對稱處的法向速度。通過法向速度和 Rankine-Hugoniot 關(guān)系[12],可以得到?jīng)_擊波陣面壓力：

(1)

式中：p為沖擊波陣面壓力，GPa；ρ0為水的密度，g/cm3；us為沖擊波速度，km/s；up為沖擊波后流場速度，km/s。

根據(jù)沖擊波陣面隨時間變化曲線(見圖4(b)和圖6(b))可知任意時刻的波陣面的法向速度，由式(1)可得到不同時刻沖擊波壓力，沖擊波壓力隨傳播距離的變化曲線如圖7所示。

圖7中橫坐標(biāo)為沖擊波陣面距炸藥表面的距離L，縱坐標(biāo)為沖擊波峰值壓力p。由圖7可以看出，?60 mm×66 mm炸藥在400 mm×400 mm×400 mm水箱中爆炸沖擊波的傳播過程中沖擊波峰值壓力保持著較快的衰減速率，在800 mm×800 mm×800 mm水箱中爆炸傳播時，其沖擊波峰值壓力的衰減過程呈先急劇下降、后緩慢下降的趨勢。

3 結(jié) 論

用超高速分幅攝影和掃描攝影技術(shù)拍攝到炸藥水中爆炸沖擊波傳播過程同一時基、同一空基且具有高時空分辨的一維(水平和垂直同掃描)和二維圖像。分幅攝影獲得了不同時刻沖擊波的波形，對于認識水下接觸爆炸沖擊波的發(fā)展演化過程具有重要意義，可以與數(shù)值模擬結(jié)果進行直接對比，檢驗數(shù)值模擬結(jié)果的準確性。掃描結(jié)果獲得了軸向、徑向沖擊波的傳播軌跡，得到炸藥水下接觸爆炸沖擊波傳播速度。分幅圖像和掃描圖像可以相互比對、相互校核，將二者在同一發(fā)實驗中綜合起來進行分析，避免了不同實驗中分幅掃描數(shù)據(jù)分析中由于裝置、測量儀器、安裝、測試等系統(tǒng)誤差帶來的不確定性。同時分幅/掃描測試技術(shù)的發(fā)展豐富了水下接觸爆炸沖擊波的測試手段，為水下接觸爆炸沖擊波理論的研究和發(fā)展提供了較好的技術(shù)基礎(chǔ)，該實驗數(shù)據(jù)的獲得對于水中兵器戰(zhàn)斗部的設(shè)計及毀傷效能評估也有重要的參考價值。

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