炸藥多點起爆超高速光電分幅攝影技術研究*

暢里華，溫偉峰，冉茂杰，黃文斌，王 旭，何 徽，高 鵬

（中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽 621999）

近年來，多點起爆技術（特別是沖擊片雷管多點起爆技術）在定向殺傷、爆炸成型彈丸等類型的先進戰(zhàn)斗部研制中獲得了快速發(fā)展和應用，既大幅提升了戰(zhàn)斗部的毀傷效能，又賦予了戰(zhàn)斗部多模毀傷的能力。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的發(fā)展，對武器系統(tǒng)的要求越來越高，一方面要求實現(xiàn)可靠高效的毀傷，另一方面要求具備較高安全性。因此，鈍感彈藥及相關技術成為先進武器彈藥研究的重要方向之一。對于鈍感主裝藥，一般無法通過火工品（如電爆炸絲雷管等）直接起爆，通常需要借助尺寸相對較大且相對較為敏感的傳爆藥實現(xiàn)主裝藥的可靠起爆。為進一步提升傳爆序列的安全性，Cope提出了取消大尺寸傳爆藥，采用沖擊片雷管多點同步起爆，利用沖擊波和爆轟波對碰增壓效應，使鈍感主裝藥中局部入射沖擊波壓力超過臨界起爆壓力，實現(xiàn)鈍感主裝藥的可靠起爆。

在多點起爆實驗中，對炸藥多點起爆爆轟波發(fā)展及爆轟波相互作用過程的研究，高速攝影為光學診斷技術中一個不可或缺的測試手段。目前高速攝影接收系統(tǒng)采用的相機通常為數(shù)字相機、轉鏡式高速相機及彈道靶場相機（SVR）。數(shù)字相機最高攝影頻率為0.1 MHz 量級，轉鏡式高速分幅相機最高攝影頻率為千萬幅頻，曝光時間最短百納秒，動態(tài)模糊大。SVR 相機曝光時間最短幾十納秒，能將不同時刻飛行物（或界面）的運動圖像疊加到同一畫面上，但圖像噪聲大，空間分辨率低。

本文采用中國工程物理研究院流體物理研究所研制的曝光時間最短5 ns，空間分辨率為40 lp/mm、攝影頻率為200 MHz 的超高速光電分幅相機，結合有機玻璃光快門技術，對以HMX 為基及以TATB 為基的兩種塑料粘結炸藥在三點同步起爆條件下爆轟波發(fā)展及相互作用波形，進行納秒量級時間分辨水平的捕捉，并對實驗結果進行初步分析。

1 實驗裝置

炸藥三點起爆實驗裝置示意圖如圖1 所示。采用3 個電爆炸絲雷管串聯(lián)的方式，同時引爆3 個均布的尺寸為 ? 20 mm×10 mm 的太安傳爆藥柱，再由傳爆藥柱起爆尺寸為 ? 100 mm×10 mm 的HMX 塑料粘結主炸藥或尺寸為 ? 100 mm×20 mm 的TATB 塑料粘結主炸藥，在主炸藥藥柱的底面采用一定厚度的有機玻璃光快門來截止后續(xù)產(chǎn)物發(fā)光，在雷管底部安裝一對電離式銅箔電探針，用于觸發(fā)超高速光電分幅相機。起爆點的具體分布如圖2 所示，3 個起爆點均勻分布在 ? 50 mm 的圓上，主炸藥藥柱底面波陣面以起爆軸向為中心沿徑向傳播，并采用超高速光電分幅相機拍攝波陣面?zhèn)鞑ミ^程。

圖1 三點起爆裝置示意圖Fig. 1 Schematic of the three-point detonating device

圖2 起爆點分布Fig. 2 Distribution of detonation points

2 攝影系統(tǒng)診斷方案

2.1 攝影系統(tǒng)布局

圖3 為多點起爆實驗中超高速光電分幅攝影診斷布局。為保證安全，防止爆炸損壞爆炸塔窗口、鏡頭及相機等設備，實驗裝置與相機成90°角擺放，被攝目標通過反射鏡折轉后經(jīng)防護窗口、成像物鏡成像在超高速光電分幅相機像面上。由于爆轟波傳播過程極快，實驗過程中，為拍攝到穩(wěn)定可靠的爆轟波發(fā)展過程圖像，必須保證超高速相機系統(tǒng)拍攝時刻與爆轟波的形成和發(fā)展時刻精確同步。同時超高速光電相機對光的敏感度較高，炸藥爆轟所產(chǎn)生的光較強，實驗時可通過每幅調節(jié)增益、曝光時間及采用濾光片等措施來降低光強，防止圖像曝光過度。

圖3 超高速光電分幅攝影系統(tǒng)布局Fig. 3 Layout of the ultra-high speed photoelectric framing photography system

2.2 圖像接收系統(tǒng)—超高速光電分幅相機

實驗圖像接收系統(tǒng)采用中國工程物理研究院流體物理研究所自主研制的超高速光電分幅相機，該相機具有時間/空間分辨率高、畫幅尺寸大以及攝影頻率高、弱光探測能力強等優(yōu)點，已成為超快過程重要測試手段之一。其原理是通過成像與分光系統(tǒng)將拍攝的目標成像在門控像增強器的光陰極上，像增強器的輸出圖像由CCD 接收和記錄，系統(tǒng)曝光時間和攝影頻率由像增強器驅動源以及精密同步模塊控制，外形見圖4。主要技術指標如下：

圖4 超高速光電相機外形Fig. 4 Outline of ultra-high speed photoelectric framing camera

（1）記錄畫幅數(shù)為8；

（2）最高攝影頻率為2×10Hz；

（3）最短曝光時間為5 ns；

（4）曝光時間范圍為5 ns～1 ms 連續(xù)可調；

（5）幅間隔為1 ns～10 ms 連續(xù)可調；

（6）空間分辨率為40 lp/mm；

（7）探測光譜范圍為380～860 nm。

2.3 攝影系統(tǒng)同步控制設計

動態(tài)應用實驗過程中，由于起爆裝置有高電壓和大電流，這些因素可能會導致超高速光電分幅相機誤觸發(fā)，引起相機工作不正常或圖像丟失等。為避免該問題，確保系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定工作，動態(tài)實驗時，相機用UPS 電源供電，相機、同步機觸發(fā)全采用光觸發(fā)模式，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，相機拍攝過程中同時反饋電信號到監(jiān)控示波器，精確監(jiān)測相機第一幅的拍攝時刻，確保相機在預期時刻進行曝光，也方便在時序出現(xiàn)問題時進行排查。通過以上措施，實現(xiàn)了目標起爆時刻與攝影系統(tǒng)拍攝時刻的精確同步，可靠地獲得炸藥三點起爆出藥柱底面的爆轟波發(fā)展波形及相互作用波形高清晰度圖像。超高速攝影測試系統(tǒng)同步控制設計如圖5 所示，延時總控系統(tǒng)分兩路，一路給示波器作為時序監(jiān)測時刻參考信號，另一路觸發(fā)起爆裝置，裝置起爆后輸出電探針信號。電探針信號分為兩路，一路給示波器作為時序監(jiān)測時刻，一路給延時同步機，同步機進行延時后輸出電信號，經(jīng)電-光轉換器輸出光信號，通過光纖傳輸觸發(fā)光電分幅相機，同時光電分幅相機反饋第一幅記錄時刻給示波器，實時監(jiān)測相機實際記錄時刻。

圖5 超高速光電攝影系統(tǒng)同步控制示意圖Fig. 5 Synchronization control diagram of ultra-high speed photoelectric photography

3 結果及分析

針對以HMX 為基和以TATB 為基的兩種塑料粘結炸藥三點同步起爆實驗，采用超高速光電分幅攝影系統(tǒng)開展了爆轟波傳播過程實驗研究，實現(xiàn)了目標在像面上清晰成像以及被攝目標與相機拍攝時刻的精確同步，獲得爆轟波發(fā)展波形及相互作用波形8 個時刻的高清晰度圖像，精細觀察到波形的發(fā)展情況及相互作用過程，拍攝結果如圖6 和圖7 所示。拍攝條件為：曝光時間10 ns，增益70%。定義雷管起爆時刻為零時。

圖6 HMX 塑料粘結炸藥三點起爆爆轟波傳播過程圖像Fig. 6 Three-point initiation detonation wave propagation image of HMX-based plastic-bonded explosive

圖7 TATB 塑料粘結炸藥三點起爆爆轟波傳播過程圖像Fig. 7 Three-point initiation detonation wave propagation image of TATB-based plastic-bonded explosive

從圖6 和圖7 拍攝結果可以看出，兩發(fā)實驗的第一幅圖像均顯示出藥柱底部三個爆轟波光帶直徑有所差異，這是由于同批次電爆炸絲雷管作用時間自身存在數(shù)十納秒分散性所引起的。另外，早期時刻圖像的光帶比后面幾個時刻光帶要寬一些。這是因本實驗中主炸藥內部形成的是球面散心爆轟波，實驗樣品為等高度柱形炸藥且起爆點位于藥柱頂面，爆轟波剛出炸藥底面時，波陣面的徑向速度遠大于正常爆速，隨著波陣面向外運動，徑向傳播速度逐漸降，低直至接近正常爆速，在相同曝光時間內波陣面沿徑向運動的距離不完全相同，導致不同時刻的波陣面光環(huán)寬度不一樣。

同時從拍攝序列圖像中也觀察到爆轟波相互作用過程的一些重要信息，三個起爆點發(fā)出的爆轟波首先兩兩發(fā)生正碰，隨后分別沿兩個方向以斜入射的方式發(fā)生反射，說明爆轟波相互作用有2 種情況：（1）沿炸藥徑向朝外傳播的爆轟波相互作用，從圖6 和圖7 的第5 幅實驗圖像開始可以看出，兩條光帶交匯處并非像兩個圓弧交匯那樣形成尖點（例如圖6 和圖7 的第3 幅實驗圖像），而是形成了一定寬度的平坦區(qū)域，說明兩個相互作用的爆轟波已經(jīng)產(chǎn)生了馬赫反射，隨著入射角的增大，馬赫桿寬度逐漸增加；（2）向炸藥中心發(fā)展的爆轟波內聚相互作用，匯聚過程的實驗圖像上未見形成馬赫反射，當爆轟波匯聚至炸藥中心后，反射沖擊波向外傳播過程中出現(xiàn)了馬赫桿結構（圖6 和圖7 的第4 幅實驗圖像開始），表明發(fā)生了馬赫反射，同樣隨著入射角的增大，馬赫桿寬度不斷增加。

另外，從最后兩個時刻實驗圖像中，可以明顯看出在有機玻璃光快門上形成了“Y”形狀的黑線，其位置對應于3 個爆轟波兩兩相互作用交匯點形成的軌跡，黑色表明其透光率極低，分析認為可能是由于爆轟波在此區(qū)域相互作用導致加載壓力突增、有機玻璃密度陡增所引起的，是爆轟波對碰增壓效應的一種體現(xiàn)。

如圖8 所示，與國外基于重復曝光方式的SVR 相機拍攝結果（典型實驗圖像見圖8(a)）相比，本文超高速光電分幅攝影系統(tǒng)（圖8(b)～8(d)）由于每幅均采用獨立曝光，同時超高速光電分幅攝影系統(tǒng)攝影頻率最高達200 MHz，最短曝光時間達5 ns，可有效減小運動模糊，能夠更精細地觀測到爆轟波傳播及相互作用細節(jié)信息，如內聚相互作用、馬赫桿等。

圖8 超高速光電分幅相機與SVR 相機拍攝結果對比Fig. 8 Result comparison of ultra-high speed photoelectric framing and SVR camera

4 結 論

超高速光電分幅攝影技術基于獨立曝光模式，且具有曝光時間短、幅間隔連續(xù)可調、空間分辨高等優(yōu)勢。通過本次實驗研究，采用超高速光電分幅攝影結合有機玻璃光快門技術，拍攝到兩種典型炸藥在三點同步起爆條件下納秒時間分辨的爆轟波發(fā)展及其相互作用波形序列圖像，清晰捕獲到內聚相互作用、馬赫桿等波形的細節(jié)結構。該實驗方法及其結果對于爆轟波相互作用及爆轟波馬赫反射等問題研究具有一定的參考價值。