水下爆炸氣泡射流載荷陣列測量技術探索*

盛振新，劉建湖，張顯丕，杲 濤，陳江濤，楊 靜

（中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫214082）

隨著近年來引信和制導技術的快速發展，水中兵器近場爆炸已成為攻擊艦船的主要方式。水中兵器戰斗部在艦船結構附近爆炸時，氣泡在收縮階段受到固壁效應力（Bjerknes力）的作用會向艦船運動，宛如氣泡被艦船目標所吸引。然后氣泡發生失穩潰滅，在遠離結構一側出現坍塌，并沿著坍塌方向形成一股水射流。水射流以極高的速度穿透氣泡，并最終作用在結構上。氣泡射流使氣泡能對結構的作用更集中，可大幅提高水中兵器對目標的局部毀傷威力，已成為研究人員越來越關心的問題。

由于氣泡脈動、坍塌、射流形成等一系列物理現象非常復雜，難以通過理論方法得出氣泡射流演化過程的解析解，因此，主要是采用數值模擬或試驗的方法對氣泡射流進行研究[1-19]。經過多年的研究，目前在氣泡演化過程、射流形狀和速度及射流影響條件等問題上取得了很多成果，初步獲取了氣泡射流作用在結構表面的載荷特性，但是尚未經過有效的試驗測量。氣泡射流載荷有效測量的難點主要在于以下兩點：（1）水下近場爆炸時才會形成氣泡射流，因此氣泡射流測量時傳感器處于復雜的力學環境中，傳感器及測量導線極易發生損壞，導致難以測得完整的載荷時程；（2）氣泡射流實際上是一股水柱，是非均勻分布的面載荷，目前采用的單點測量方式難以準確獲取載荷的空間分布特性。

本文中主要針對上述兩個難點開展研究。針對獲取氣泡射流載荷空間分布的問題，采用陣列傳感方式進行測量，在充分調研的基礎上[20-25]，設計陣列傳感器。針對復合加載下傳感器防護的問題，首先分析復合壓-拉載荷與傳感器的相互作用，摸清傳感器在復合載荷下的損壞機理，設計有效的防護裝置。在此基礎上，在小型觀測水槽內開展小當量水下爆炸試驗，采用陣列傳感器測量獲取氣泡射流壓力時程曲線，同時采用高速攝像獲取氣泡射流的演化過程。最后，基于試驗測量結果，給出氣泡射流載荷的時空分布特性。以期本文中建立的測量技術可為氣泡射流的深入研究提供有效測量手段，為水中兵器高效毀傷和艦船抗爆抗沖擊優化設計提供技術支撐。

1 陣列傳感器設計

陣列傳感器是在同一基體上通過特殊方式加工出多個規則排列的小型敏感元，其設計主要包括敏感材料、傳感器結構形式和傳感器尺寸。

1.1 敏感材料

根據調研結果，陣列傳感器的材料主要分為壓電和壓阻兩種，其中壓電材料大多采用PVDF壓電薄膜，這是由其自身的優點決定的：（1）PVDF壓電薄膜較薄，厚度可以達到幾十個μm，質地柔軟，與結構貼合較好，便于安裝，且不局限于平面結構；（2）具有較高的沖擊強度，可承受強沖擊載荷，為有效測量時長提供基礎；（3）沖擊波和水射流載荷既包含高頻信號也包含低頻信號，而PVDF壓電薄膜的頻響較高，滿足測試要求；（4）聲阻抗較低，與水的聲阻抗接近，使得信號傳輸效率更高。基于以上4點考慮，選取PVDF壓電薄膜作為敏感材料，厚度選取30μm。

1.2 傳感器結構形式

通過調研和對比分析，采用圖1所示的傳感器結構形式。通過濕法刻蝕將PVDF上下表面的鋁膜制成電極陣列，鋁電極為上表面，每n點為1行共用1根導線，下表面每n點為1列共用1根導線，上下表面的點電極對稱為一個電容器單元。該分布形式需要的引線數量為n×2。

圖1 點陣式敏感元分布形式Fig.1 Distribution of sensitive elements

1.3 傳感器結構參數

陣列傳感器結構參數主要包括敏感區域尺寸和敏感元密度。基于現有氣泡射流載荷單點測量和數值計算結果[18]，氣泡射流載荷作用區域半徑約為最大氣泡半徑的1/10。為防止氣泡射流偏出敏感區域，敏感區域半徑應不小于作用區域的2倍，即≥0.2倍最大氣泡半徑。同時，為保證氣泡射流載荷空間分布的準確測量，敏感元分布密度需滿足一定要求，取測點密度≥1 cm?2，呈8×8矩陣排列。

1.4 傳感器設計結果

根據上述研究，針對1個雷管水中爆炸氣泡射流（氣泡最大半徑約160 mm），設計了陣列傳感器，如圖2所示，主體尺寸為80 mm×80 mm，電極陣列規格為8×8。

圖2 陣列傳感器Fig.2 An array sensor

2 陣列傳感器防護裝置設計

陣列傳感器防護裝置設計，首先進行氣泡射流載荷測量時傳感器受力分析，弄清傳統方式測量時傳感器的損壞機理，然后進行防護裝置設計，并進行試驗驗證。

2.1 傳統方式測量時傳感器損壞機理

圖3為采用單點式PVDF傳感器測量氣泡射流載荷時的損壞情況，從圖3中可以看出：傳感器表面涂覆的環氧材料在空化拉扯作用下與傳感器和鋼板結構均脫開，導致測量中斷。

圖3 單點式PVDF傳感器測量氣泡射流載荷時的損壞情況Fig.3 Damageof a single PVDFsensor used to measure bubble jet load

測量氣泡射流載荷時，藥包與傳感器之間的距離較近，因此傳感器所處的力學環境非常復雜，分析認為傳感器受到的載荷主要包括：(1)幾十MPa 級的前驅沖擊波壓力，會對傳感器產生擠壓；(2)沖擊波與結構作用后會反射稀疏波，同時結構表面會出現空化現象，對傳感器產生拉扯，使傳感器與鋼板結構脫開；(3)氣泡射流入射產生幅值較大的沖擊壓力；(4)水射流垂直入射到結構上之后產生速度很高的側向水流，會沖刷傳感器，很可能造成傳感器與導線接頭處損壞，導致測量中斷。

2.2 陣列傳感器防護裝置設計

根據2.1節中傳統方式測量時傳感器損壞機理分析結果，針對陣列傳感器進行防護裝置設計。如圖4所示，該防護裝置主要包括底座、橡膠密封墊、薄膜和壓板，內部充滿硅油，陣列傳感器懸浮于硅油中，傳感器的16根電極通過接線板與測量導線連接。該防護裝置具有以下優點：

（1）由于薄膜和硅油的阻抗均與水的阻抗較接近，傳播到陣列傳感器上的沖擊波失真度較小；

（2）陣列傳感器懸浮于硅油中，可避免結構表面反射稀疏波和空化對傳感器的拉扯；

（3）陣列傳感器懸浮于硅油中，還可有效消除壓電薄膜橫向疊加效應引起的干擾信號；

（4）硅油具有良好的絕緣性能。

為了驗證傳感器防護裝置的有效性，開展了氣泡射流載荷測量試驗。試驗在小型觀測水槽內進行，試驗總體布置如圖5所示，將組裝完成的防護裝置放置于鋼板迎爆面中心，鋼板四角通過吊繩懸掛于水槽內，雷管懸掛于水槽中心，位于防護裝置中心正上方，同時在相同距離處布置1個PCB壓力傳感器。試驗工況如表1所示，薄膜材料包括熱塑性聚氨酯彈性體橡膠（thermoplastic polyurethane，TPU）、硅膠、聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)及復合結構，表中距徑比為爆距與氣泡最大半徑之比。

圖4 陣列傳感器的防護裝置Fig.4 Theprotection device of the array sensor

圖5 氣泡射流測量試驗布置Fig.5 Experimental arrangement of bubble jet load measurement

表1 防護裝置薄膜試驗工況及試驗后薄膜損傷情況Table 1 Test events of protection deviceand damage results of protection films after tests

各工況試驗后薄膜損壞情況如圖6所示：工況1中TPU 薄膜在氣泡射流作用下出現破口；工況2中硅膠薄膜花瓣撕裂成6片；工況3中PET薄膜沿壓板被環向切割；工況4中上層的PET薄膜破碎，下層的TPU 薄膜也出現破口；工況5中PET 薄膜和TPU 薄膜均不破。試驗結果表明：PET+TPU 復合薄膜能夠承受氣泡射流載荷測量時的復合載荷，能夠保證測得完整載荷時程。

圖6 試驗后薄膜損壞情況Fig.6 Damage of protection films after tests

3 氣泡射流載荷測量

3.1 測量系統

本階段研究的主要目的是進行陣列傳感器和防護裝置的設計，因此在氣泡射流載荷測量時未連接掃描電路，直接將陣列傳感器通過同軸電纜與采集儀連接，具體連接方式如圖7所示，按照此種連接方式僅對角線上的8個敏感元有效，圖中用紅色標出。同時，采用高速攝像機拍攝氣泡射流的演化過程。

3.2 測量結果及分析

圖8為工況5的氣泡射流演化過程。從圖8可以判斷該工況下產生了氣泡射流，并且正好作用在陣列傳感器上，其中圖8(a)顯示t=0 ms時刻雷管起爆，圖8(b)顯示t=8.0 ms時刻氣泡處于膨脹階段，圖8(c)顯示t=13.0 ms時刻氣泡膨脹至最大，圖8(d)顯示t=24.0 ms時刻氣泡上壁收縮，圖8(e)顯示t=25.6 ms時刻脈動壓力釋放，圖8(f)顯示t=26.0 ms時刻射流到達傳感器，圖8(g)顯示t=26.6 ms時刻射流沖擊傳感器，圖8(h)顯示t=27.0 ms時刻射流沖擊結束。圖9為氣泡射流載荷測量結果（Ch7未測得有效數據），沖擊波到達傳感器時可以認為是平面波，因此沖擊波傳播階段各通道壓力曲線基本一致，而氣泡射流階段相差較大，說明氣泡射流載荷是非均勻面載荷。

圖8 工況5氣泡射流演化過程Fig.8 Evolution processof bubble jet in case 5

將各通道測得氣泡射流載荷峰值在陣列傳感器上的分布統計如表2所示，并將分布規律表示為圖10。從圖10、表2可知：（1）氣泡射流作用在Ch5和Ch6對應敏感元中間，偏離陣列傳感器中心，說明傳統單個PVDF傳感器可能無法捕捉到氣泡射流載荷的最大值，采用陣列傳感器測量氣泡射流載荷是必要的；（2）氣泡射流中心壓力最大，向四周逐漸減小，中心峰壓約35.6 MPa，約為沖擊波峰壓的1.16倍。

本次試驗的測量結果誤差由以下5部分組成：（1）傳感器的靈敏度、線性、頻響等誤差，2%；（2）數據采集儀誤差，0.5%；（3）藥包質量誤差，1%；（4）測點距離誤差，1%；（5）其他不可見因素，1%。

所得氣泡射流壓力綜合誤差為：

圖9 工況5氣泡射流載荷測量結果Fig.9 Measurement results of bubble jet load in case 5

圖10 氣泡射流載荷峰壓分布規律Fig.10 Peak pressure distribution of bubble jet load

表2 氣泡射流載荷峰壓分布Table2 Peak pressure distribution of bubble jet load

3.3 氣泡射流載荷的理論計算

根據上述理論計算氣泡射流沖擊波壓力和持續時間，并與試驗結果對比，結果列于表3中，試驗值相對理論值的偏差分別為?7.3%和?10.2%，可以證明試驗測量結果的正確性。

表3 氣泡射流載荷計算結果與試驗結果的對比Table 3 Comparison between calculated results and test resultsof bubble jet load

4 結 論

為了解決水下爆炸氣泡射流載荷測量的兩大難題，即氣泡射流載荷空間非均勻分布和復合加載下傳感器的防護，開展了水下爆炸氣泡射流載荷陣列測量技術研究。針對獲取氣泡射流載荷空間分布的問題，采用陣列傳感方式進行測量，設計了陣列傳感器。針對復合加載下傳感器防護的問題，分析了復合壓-拉載荷與傳感器的相互作用，摸清了傳感器在復合載荷下的損壞機理，設計了有效的防護裝置。在此基礎上，在小型觀測水槽內開展了小當量水下爆炸試驗，采用陣列傳感器測量獲取了氣泡射流壓力時程曲線，得到了氣泡射流載荷的時空分布規律，并與理論計算結果進行了對比。得到結論如下：

（1）設計的防護裝置在距徑比0.8條件下可保證傳感器在氣泡射流載荷測量過程中不損壞；

（2）氣泡射流載荷中心最大，向四周逐漸減小，距徑比0.8條件下，中心處氣泡射流載荷峰壓約為沖擊波峰壓的1.16倍。

建立的測量技術將為氣泡射流的深入研究提供有效測量手段，為水中兵器高效毀傷和艦船抗爆抗沖擊優化設計提供技術支撐。