基于脈沖超聲的FAE燃料云團濃度檢測裝置

潘曉建，付勝華，婁文忠，李楚寶，陳朝暉，孫 君

(1.西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065；2.北京理工大學機電學院，北京 100081；3.北京理工大學重慶創新中心，重慶 401120)

0 引言

隨著燃料空氣炸藥(FAE)武器的迅速發展，為進一步提高其戰場作戰效能，基于一次拋撒云團內實時濃度檢測，并尋找最優炸點控制云團二次起爆是FAE武器引信當前研究的新方向。FAE燃料拋撒形成爆轟云團，其主要成分為鋁粉和空氣的氣固兩相混合物[1]。文獻[2]在長直水平管道中進行了鋁粉/空氣兩相混合物的爆炸試驗研究，得出鋁粉質量濃度230 g/m3為爆轟的最低臨界質量濃度，最優爆轟質量濃度為550 g/m3。如何有效識別FAE拋撒云團濃度，是當前FAE武器引信發展的難點。目前針對FAE燃料云團分布研究主要集中在燃料拋撒的理論分析和試驗研究[3-4]，特征參數包括云團形狀、尺寸、湍流及擴散速度等數值仿真。由于受到拋撒作用機理復雜、測試設備不完善等因素制約，針對FAE武器云團濃度動態分布的試驗檢測研究還很欠缺。

FAE燃料在拋撒分散過程中，云霧濃度不可能處處分布均勻。同時，由于FAE拋撒爆燃的影響，導致測量FAE云團濃度十分困難且成本較大，因此，一般選擇在標準罐體內進行FAE燃料的拋撒試驗研究。文獻[5—6]通過光學傳感器，利用光線在不同濃度云霧中的衰減特性，判斷FAE的分布濃度；然而，光線衰減特性與云霧濃度的映射關系很難確定，不能直接給出FAE的瞬態濃度分布。本文針對FAE燃料拋撒形成的鋁粉/空氣兩相混合物云團濃度檢測困難，當前實驗室濃度測試方法缺乏實時瞬態檢測能力的問題，提出了基于脈沖超聲的FAE燃料云團濃度檢測裝置。

1 超聲衰減理論

超聲衰減可用于表征FAE擴散過程中的濃度。根據Lloyd和Q.Wang超聲散射模型[7-8]，FAE拋撒的氣固兩相混合云團的聲衰減系數可以表示為：

(1)

式(1)中，式α0為超聲衰減系數，f為超聲頻率，ρg、ρs分別為FAE燃料和空氣的密度，A′0和A′1是FAE燃料顆粒對超聲的散射系數，φm為FAE燃料的顆粒質量濃度。A′0和A′1可以表示為：

(2)

(3)

式(2)、式(3)中，A0n和A1n分別對應單個FAE燃料粒子的超聲散射系數，an是粒子半徑。A0n和A1n可以表示為：

(4)

(5)

相關參數可以進一步闡述為：

(6)

(7)

(8)

式中，下標g和s分別表示連續氣相和FAE燃料的顆粒相，c是聲速，T為絕對溫度，cp為熱容，Θ為熱容膨脹系數，k為熱導率，δv是粘性邊界層厚度，Z是聲阻抗。

因此，通過對FAE燃料顆粒的參數確定和測定超聲的衰減系數，即可判定FAE燃料云團的濃度。FAE的顆粒粒徑范圍通常分布在在0.01～100 μm之間。根據波長大于粒徑的原理，超聲波頻率f的選擇在0.1～100 MHz之間。然而，高頻超聲波在空氣中傳播會迅速衰減，因此，測量FAE燃料顆粒濃度的超聲波頻率范圍優先選擇40～400 kHz。

超聲衰減系數可以由接收脈沖和參考脈沖的中心頻率f下的最大峰值的比率確定[9]:

(9)

2 FAE燃料云團濃度檢測裝置

實驗室FAE燃料爆炸試驗通常是在標準20 L容器罐內進行，結合歐洲標準EN14034(CEN/TC305，2004a，CEN/TC305,2004b和CEN/TC305,2004c)，ASTM標準E1226(2007)和中國標準GB/T 16 425(MCI，1996年)，在本裝置中，標準20 L容器罐內不加點火系統，布置脈沖超聲傳感器在球罐內進行鋁粉濃度檢測，傳感器之間的間距L為20 mm，如圖1所示。

圖1 FAE燃料濃度檢測試驗裝置Fig.1 Concentration detection device for FAE fuel cloud

FAE燃料濃度檢測試驗系統主要包括拋撒氣動裝置、200 kHz脈沖超聲傳感器、脈沖信號發生器及信號放大器、數據采集儀及處理計算機等。其中，氣動裝置主要包括：壓力泵、儲氣室、電磁閥及其控制器、逆止閥、鋁粉吹粉室、噴嘴和20 L壓力球罐等。一定質量的鋁粉放置在吹粉室中，控制電磁閥通斷時間和泵源氣壓，通過噴嘴將鋁粉拋灑至球罐中,如圖2所示。

圖2 FAE燃料濃度檢測試驗系統Fig.2 FAE fuel concentration detection system

FAE燃料濃度信號檢測系統主要包括脈沖信號發生器、超聲傳感器發射端及接收端、信號放大器、信號采集儀及處理計算機，如圖3所示。FAE燃料拋撒，在超聲傳感器之間形成鋁粉/空氣兩相混合物云團。信號采集儀實時獲取脈沖超聲傳感器接收端信號，計算機根據不同脈沖周期內的超聲衰減進行動態濃度計算。

圖3 FAE燃料濃度信號檢測系統Fig.3 FAE fuel concentration signal detection system

FAE燃料拋撒濃度檢測試驗布局如圖4所示，設定容器內的燃料拋撒氣壓為0.4 MPa，容器中的初始壓力為0 MPa(即真空狀態)，燃料顆粒注入時間為10 ms。設定脈沖超聲發射頻率，對注入反應容器中FAE燃料顆粒的濃度分布狀態進行瞬態檢測。試驗系統參數如表1所示。

圖4 鋁粉濃度采集系統組成Fig.4 Composition of aluminum powder concentration collection system

表1 試驗系統參數

3 試驗數據分析

FAE燃料的主要成分為微納米級的鋁粉顆粒，如圖5所示。對鋁粉顆粒進行顯微圖像分析，選取直徑在20～40 μm的顆粒進行拋撒試驗，使其顆粒在拋撒過程保持狀態接近一致。

圖5 FAE燃料顯微圖像分析及選取Fig.5 FAE fuel microscopic image analysis and selection

對FAE燃料在標準容器內拋撒過程超聲傳感器接收端的信號分析可知：在拋撒的初始時期(前50 ms)，主要為拋撒湍流，超聲信號幅值增大；在70～110 ms期間，湍流逐漸減小，燃料云團分布逐步趨于均勻狀態，超聲信號幅值呈現梯度衰減，表征了濃度分布變化和良好的抗湍流干擾性能；隨后燃料云團開始沉降，超聲信號幅度逐步恢復初始狀態，如圖6所示。

圖6 FAE燃料拋撒濃度特征采集信號Fig.6 FAE fuel emission concentration characteristic acquisition signal

文獻[10—11]表明，在20 L標準容器罐內的拋撒初始階段逐漸達到湍動能的最大值，在進料階段之后，湍動能隨時間衰減；鋁粉顆粒分布隨之逐漸變得均勻，超聲特征的變化趨勢與參考文獻中結果一致。

在FAE拋撒云團均勻狀態階段，對A、B兩個周期內的超聲信號分析可知，不同時間內的超聲信號幅值有明顯的衰減，如圖7所示。對其進行超聲衰減系數的計算，得到在70～170 ms超聲脈沖衰減的變化曲線，如圖8所示。云團在95～115 ms之間，超聲衰減接近一致且為衰減最大，表明在此過程中，云團分布到達最大濃度下的均勻分布。

圖7 A/B處超聲信號對比Fig.7 Ultrasonic signal comparison at A/B

圖8 脈沖超聲衰減分布曲線Fig.8 Pulse ultrasonic attenuation distribution curve

通過對不同標稱濃度(一定質量下的FAE燃料顆粒與標準容器的比值)進行檢測，實現對50～750 g/m3的云團濃度與超聲衰減的標定，如圖9所示。

圖9 濃度與超聲衰減測試曲線Fig.9 Concentration and ultrasonic attenuation test curve

通過三次測試得到了不同FAE燃料云團濃度下的超聲衰減的梯度信息，且具備良好的一致性。最終采用多項式數據擬合得到脈沖超聲檢測FAE燃料拋撒濃度的特征曲線，通過超聲衰減系數，即可得到對應濃度信息，如圖10所示。表明了該FAE燃料云團濃度檢測裝置的可行性，具備對FAE拋撒云團濃度的識別能力。

圖10 濃度與超聲衰減擬合曲線Fig.10 Concentration and ultrasonic attenuation fitting curve

4 結論

本文提出了基于脈沖超聲衰減理論的FAE燃料拋撒云團濃度檢測裝置。該裝置基于相關頻率的超聲衰減理論，結合脈沖超聲的抗干擾能力強和分辨力高的特點，利用氣壓將一定質量的鋁粉吹入20 L容器罐，在罐內形成鋁粉/空氣兩相混合物云團；通過脈沖驅動構建超聲脈沖波檢測電路，根據不同脈沖周期內的超聲脈沖波衰減實現對動態云團濃度計算。該裝置具備對FAE燃料拋撒云團濃度的檢測能力。試驗驗證結果表明，在對標稱濃度50～750 g/m3的FAE燃料拋撒試驗中，得到了不同FAE燃料云團濃度下的超聲衰減的梯度信息，擬合得到了超聲衰減系數與濃度之間的關系曲線。該裝置為實現FAE武器一次拋撒云團的最優起爆濃度識別奠定了試驗基礎。