爆炸桶中沖擊波超壓測試方法研究

顧澤凌　孟令軍　任楷飛　白杰

摘要：為準(zhǔn)確測試含能破片在密閉容器中的爆炸沖擊波超壓，設(shè)計(jì)一種高效的壓力測試方法。該方法采用粘土、硬橡膠墊、鋼墊片來避免壓力傳感器與爆炸桶桶壁的硬接觸，基本消除傳統(tǒng)測試方法帶來的桶壁振動(dòng)噪聲干擾。通過靶場實(shí)測結(jié)果表明：改進(jìn)后的傳感器測試結(jié)構(gòu)可有效隔離振動(dòng)噪聲，大大減弱桶壁振動(dòng)對(duì)傳感器壓力測試的影響，獲得爆炸桶內(nèi)壁上有效的含能破片沖擊波超壓壓力數(shù)據(jù)，滿足測試要求。

關(guān)鍵詞：爆炸桶；含能破片；沖擊波超壓；隔離噪聲；測試

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2018）02-0031-05

0引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，裝甲車輛已經(jīng)并將長期成為陸地戰(zhàn)的主力。為有效攻擊敵方裝甲車輛的油桶、發(fā)動(dòng)機(jī)艙等關(guān)鍵部位，以實(shí)現(xiàn)對(duì)敵裝甲部隊(duì)進(jìn)行致命性打擊，研制設(shè)計(jì)一種以黑索金為炸藥的專用炮彈。為測試該炮彈爆炸的實(shí)際威力是否達(dá)到預(yù)期要求，需要測量該炮彈彈頭爆炸沖擊波超壓。在爆炸過程中，沖擊波超壓測試是武器研制過程中威力評(píng)估與性能評(píng)價(jià)的重要手段，準(zhǔn)確測定彈藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波超壓以衡量武器的毀傷效應(yīng)，從而可以定量地評(píng)定武器的爆炸威力。常用的爆炸沖擊波超壓測試方法有等效壓力罐法、等效靶板法、生物試驗(yàn)法、電測法等。

對(duì)于本次測試，該文設(shè)計(jì)了一種測試方案——通過在爆炸桶桶壁上安裝高精度壓電式壓力傳感器以檢測該彈頭爆炸時(shí)產(chǎn)生的含能破片沖擊波超壓壓力值。圖1是炮彈彈頭爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波壓力、距離與時(shí)間關(guān)系示意圖，根據(jù)爆炸沖擊波的產(chǎn)生與傳播特性、爆炸瞬間、爆炸源產(chǎn)生大量沖擊波，其壓力值隨時(shí)間先后而逐漸減小，同時(shí)沖擊波的傳播距離隨時(shí)間先后而不斷延長。因而，對(duì)于爆炸桶桶壁，沖擊波壓力是隨時(shí)間不斷疊加的，這就使得桶壁產(chǎn)生較大的振動(dòng)，傳統(tǒng)的壓力測試方案是將傳感器直接固定在爆炸桶的桶壁上，由于傳感器與爆炸桶桶壁的硬接觸，沖擊波給桶壁帶來的振動(dòng)干擾必定給壓力傳感器本身帶來大量噪聲。為此，通過隔離壓力傳感器與爆炸桶桶壁的硬接觸，過濾掉桶壁振動(dòng)對(duì)傳感器的影響，獲得彈頭破片沖擊波壓力實(shí)際數(shù)值，基本與設(shè)計(jì)預(yù)定值吻合。

1測試方案及設(shè)計(jì)

1.1壓力測試流程

爆炸沖擊波超壓測試系統(tǒng)的示意圖如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)主要由點(diǎn)火器、長管炮筒、黑索金炮彈、漆包線編制的觸發(fā)器、爆炸桶、高精度壓電式壓力傳感器、電荷放大器、示波器和安裝示波器顯示軟件的計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）組成。本實(shí)驗(yàn)采用的壓力傳感器為CY-YD-205H型電容式壓電傳感器。

通過點(diǎn)火器點(diǎn)火，將黑索金炮彈燃爆產(chǎn)生巨大的推力將彈頭推向密閉的爆炸桶，彈頭飛行過程中觸發(fā)漆包線編制的觸發(fā)器啟動(dòng)示波器進(jìn)行沖擊波超壓波形采集，彈頭在爆炸桶中再次爆炸產(chǎn)生大量含能破片，破片產(chǎn)生的沖擊波沖向桶壁，安置在桶壁上的壓電式壓力傳感器采集到?jīng)_擊波壓力并通過電荷放大器放大處理發(fā)送給示波器。

1.2超壓峰值計(jì)算

在測試之前，需要對(duì)爆炸沖擊波超壓峰值進(jìn)行預(yù)算以確定壓力傳感器的選型與標(biāo)定，并對(duì)示波器和電荷放大器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

在空氣環(huán)境下，影響爆炸沖擊波波陣面超壓峰值的主要因素有：炸藥的能量、初始狀態(tài)下的空氣壓力與密度、傳播距離。用數(shù)學(xué)形式可表示為

在本實(shí)驗(yàn)中，黑索金既作為推動(dòng)炮彈的動(dòng)力源也是爆炸產(chǎn)生破片的爆炸源，而M_RDX則是炮彈彈頭中RDX的質(zhì)量。式（9）中的傳播距離R即爆炸桶的半徑，本實(shí)驗(yàn)使用的爆炸桶是一種材質(zhì)為軍用特種鋼制成的雙銅梁爆炸桶，爆炸桶結(jié)構(gòu)、壓力傳感器編號(hào)及在桶壁上的分布如圖3所示。

根據(jù)式（5）與式（9），又有炮彈彈頭中黑索金的質(zhì)量M_RDX為0.01kg，爆炸桶桶腔的內(nèi)徑R為0.4m，可以通過計(jì)算得到本次試驗(yàn)的沖擊波波陣面超壓峰值△p約等于0.318MPa。

1.3傳感器隔離設(shè)計(jì)

為避免壓力傳感器與爆炸桶的硬接觸，設(shè)計(jì)了一種鋼結(jié)構(gòu)外殼來隔離沖擊波對(duì)爆炸桶造成的振動(dòng)給壓力傳感器帶來的噪聲影響，圖4為傳感器隔離鋼結(jié)構(gòu)封裝后的壓力傳感器中線截面圖。

在設(shè)計(jì)驗(yàn)證過程中，采用楊木、塑料泡沫、沙土、可塑粘土（橡皮泥）作為鋼結(jié)構(gòu)外殼的內(nèi)部隔離物質(zhì)并進(jìn)行對(duì)比。為此設(shè)計(jì)了一種簡易的鋼制測試壓力筒，一端連接壓力傳感器隔離鋼結(jié)構(gòu)，通過在連接的螺紋上纏繞生料帶以確保密閉性：另一端用橡膠錘敲擊壓力筒的筒柄將筒內(nèi)氣體壓力沖向傳感器，使用黃油涂抹筒柄與筒內(nèi)壁的方式來確保筒柄端的氣體密閉性。通過測試發(fā)現(xiàn)，只有可塑粘土對(duì)氣體的密閉效果好，而且對(duì)傳感器鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充無死角，達(dá)到了預(yù)期效果（見表1）。

2試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1無鋼結(jié)構(gòu)測試結(jié)果

在靶場進(jìn)行黑索金炮彈彈頭爆炸沖擊波超壓壓力測試時(shí)，在開始階段直接將傳感器安裝在爆炸桶桶壁上進(jìn)行測試。

在示波器采集爆炸沖擊波超壓波形之前，對(duì)示波器采集參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。本實(shí)驗(yàn)采用的是青島漢泰公司的DSO3000系列四通道示波器，該示波器的采集與顯示分開，采集卡儀器共2臺(tái)，每臺(tái)示波器采集卡只使用其中的3個(gè)通道。第1臺(tái)示波器采集卡連接的壓力傳感器為CH1、CH2和CH3，第2臺(tái)示波器采集卡連接的壓力傳感器為CH4、CH5和CH6，分別用2臺(tái)安裝有示波器上位機(jī)的計(jì)算機(jī)來顯示采集的爆炸沖擊波超壓波形。傳感器在爆炸桶桶壁上的分布如圖3所示。測試采集時(shí)，示波器上位機(jī)參數(shù)統(tǒng)一設(shè)置為存儲(chǔ)深度：1.6m；時(shí)間軸單位刻度：10μs；Delay：-60ms。

圖5是在沒有為壓力傳感器安裝隔離鋼結(jié)構(gòu)的情況下，示波器采集的爆炸沖擊波超壓波形。由于桶壁的振動(dòng)對(duì)壓力傳感器的影響，采集的波形噪聲很大而且已經(jīng)不滿足通常情況下炮彈彈頭爆炸的空氣壓力時(shí)程曲線，見圖6。

2.2安裝隔離鋼結(jié)構(gòu)測試結(jié)果

圖7為隔離后示波器采集的整個(gè)爆炸沖擊波超壓波形，在為壓力傳感器安裝隔離鋼結(jié)構(gòu)外殼的情況下，由于隔離鋼結(jié)構(gòu)大大減弱了桶壁的振動(dòng)對(duì)壓力傳感器的影響。從示波器采集的爆炸沖擊波超壓波形中可以看出，此時(shí)的波形已經(jīng)消除了噪聲干擾，波形與通常情況下炮彈彈頭爆炸的空氣壓力時(shí)程曲線（圖6，P₀為初始狀態(tài)大氣壓力，P_max為正向壓力峰值，P_min為負(fù)向壓力峰值）基本相吻合。

2.3測試結(jié)果Matlab分析

本次測試實(shí)驗(yàn)使用的是Matlab R2009a版本，對(duì)炮彈彈頭在爆炸桶中爆炸沖擊波超壓波形測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，調(diào)用Matlab內(nèi)部數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波。

Matlab數(shù)字濾波器參數(shù)配置如圖8所示，在濾波器參數(shù)設(shè)置過程中，濾波類型采用低通濾波，濾波器選擇Bartlett-Hanning Window型FIR（finite impulse response）濾波器，濾波階數(shù)為128階，采樣頻率F₈為1mHz，阻帶截頻F_c為30kHz。參數(shù)配置完成后生成Hd濾波參數(shù)表，在Matlab主程序中調(diào)用Hd濾波參數(shù)表，運(yùn)行程序，得到濾波后的爆炸沖擊波超壓波形如圖9所示。

經(jīng)過濾波器濾波后，原本正向負(fù)向壓力交叉混雜的沖擊波超壓波形變成一條近似平滑的曲線。壓力傳感器測得的壓力開始急劇上升，之后緩慢下降并且保持一段時(shí)間的負(fù)向壓力，而且負(fù)向壓力時(shí)間T_-比正向壓力時(shí)間T₊多出較長時(shí)間。這是由于壓電式壓力傳感器在收到猛烈的正向壓力后，電容迅速充電，正向壓力累加達(dá)到最大時(shí)，電容開始放電，放電過程相對(duì)緩慢，就會(huì)使得沖擊波波形在負(fù)向壓力下保持較長一段時(shí)間。

測試過程中發(fā)現(xiàn)，實(shí)測沖擊波超壓峰值沒有達(dá)到第1節(jié)中所計(jì)算的理論峰值0.318mPa，分析其原因是該隔離結(jié)構(gòu)在壓力傳感器測壓面與爆炸桶內(nèi)壁之間存在著傳壓孔，在壓力傳輸過程中削弱了一定量的沖擊波壓力。因此，該傳感器隔離結(jié)構(gòu)還要進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

3結(jié)束語

通過靶場實(shí)際測試，將有、無對(duì)壓力傳感器和爆炸桶桶壁之間進(jìn)行隔離進(jìn)行采集測試對(duì)比，在沒有進(jìn)行隔離的情況下，示波器采集的波形摻雜了桶壁振動(dòng)對(duì)傳感器的噪聲，波形不符合預(yù)期目標(biāo)：在隔離壓力傳感器與爆炸桶桶壁后，示波器采集到比較理想的波形，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的合理性與實(shí)用性。

本文基于壓電式壓力傳感器對(duì)爆炸桶中黑索金炮彈彈頭爆炸沖擊波超壓測試法，提出一種對(duì)壓力傳感器與測試對(duì)象之間的隔離方法，經(jīng)過驗(yàn)證，該方法具有較高的可行性。同時(shí)，鑒于當(dāng)前的工作還屬于探索階段，相關(guān)優(yōu)化工作還需要繼續(xù)深入研究。