基于地震波觸發(fā)的戰(zhàn)斗部動(dòng)爆沖擊波試驗(yàn)研究*

鈔紅曉，胡 浩，雷 強(qiáng)，高 瑞，姚國(guó)慶

（1.重慶大學(xué)，重慶400044；2.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽712099；3.駐咸陽地區(qū)軍事代表室，陜西 咸陽712099）

沖擊波作為爆破戰(zhàn)斗部的主要?dú)绞街?，是評(píng)估武器毀傷威力的一項(xiàng)重要指標(biāo)[1]。毀傷威力評(píng)估時(shí)，需要對(duì)戰(zhàn)斗部炸點(diǎn)周圍的沖擊波場(chǎng)進(jìn)行分布式測(cè)量，同時(shí)要求多測(cè)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)同步觸發(fā)。實(shí)戰(zhàn)環(huán)境下戰(zhàn)斗部落點(diǎn)及起爆時(shí)刻具有一定的隨機(jī)性，且戰(zhàn)斗部爆炸前具有一定的速度，戰(zhàn)斗部的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)改變爆炸沖擊波的壓力場(chǎng)分布。傳統(tǒng)的觸發(fā)方法如斷線觸發(fā)[2]、光觸發(fā)[3]、無線觸發(fā)[1]等均難以實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗部實(shí)戰(zhàn)環(huán)境下沖擊波超壓的可靠觸發(fā)，因此對(duì)戰(zhàn)斗部動(dòng)爆壓力場(chǎng)的特性分析主要是通過仿真計(jì)算，并結(jié)合少量試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果和爆炸相似律獲得經(jīng)驗(yàn)公式[4-6]，缺少實(shí)戰(zhàn)環(huán)境下的試驗(yàn)研究。

本文中，提出了一種基于地震波可靠觸發(fā)的戰(zhàn)斗部空中爆炸沖擊波超壓測(cè)試方法，對(duì)著靶速度為0、535和980 m/s的戰(zhàn)斗部空中爆炸沖擊波進(jìn)行了測(cè)試分析。結(jié)果表明，基于地震波信號(hào)觸發(fā)測(cè)試方法能可靠獲取戰(zhàn)斗部動(dòng)爆沖擊波超壓峰值。試驗(yàn)成果可為實(shí)戰(zhàn)復(fù)雜環(huán)境下基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究動(dòng)爆沖擊波特性提供依據(jù)。

1 基于地震波觸發(fā)的沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)

1.1 基于地震波觸發(fā)的沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)

為了驗(yàn)證基于地震波實(shí)現(xiàn)沖擊波超壓測(cè)試觸發(fā)的可行性，設(shè)計(jì)了基于加速度信號(hào)觸發(fā)的沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)并進(jìn)行了試驗(yàn)。測(cè)試系統(tǒng)主要包括傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、電源管理、無線通信和信號(hào)采集存儲(chǔ)等五部分，測(cè)試系統(tǒng)組成如圖1所示。進(jìn)行沖擊波超壓測(cè)試時(shí)，信號(hào)調(diào)理電路對(duì)傳感器獲得的沖擊波超壓信號(hào)進(jìn)行濾波、降噪，在進(jìn)入FPGA (field programmable gate array)之前進(jìn)行信號(hào)有無和是否達(dá)到觸發(fā)閾值的判斷，A/D控制模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)后存儲(chǔ)在外部同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(synchronous dynamic random-access memory,SDRAM)中，最后通過USB(universal serial bus)或無線通信模塊將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)上，在上位機(jī)上完成數(shù)據(jù)最終的顯示、分析和處理。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Test system

1.2 基于地震波信號(hào)的沖擊波測(cè)試觸發(fā)原理

基于地震波信號(hào)的沖擊波超壓測(cè)試觸發(fā)方法借助配置在各沖擊波超壓測(cè)試節(jié)點(diǎn)上的加速度計(jì)與信號(hào)調(diào)理電路，利用地震波傳播速度比沖擊波傳播速度快的特點(diǎn)，在沖擊波到達(dá)各測(cè)試節(jié)點(diǎn)之前，提前感應(yīng)到的加速度信號(hào)，經(jīng)專用調(diào)理電路處理后，觸發(fā)該測(cè)試節(jié)點(diǎn)的沖擊波超壓信號(hào)存儲(chǔ)。其觸發(fā)原理如圖2所示，沖擊波超壓信號(hào)采集緩存區(qū)劃分為循環(huán)采集和時(shí)序采集兩部分，通過加速度信號(hào)啟動(dòng)沖擊波超壓信號(hào)的循環(huán)采集完成第1步觸發(fā)，通過預(yù)設(shè)超壓閾值的比較進(jìn)行第2步觸發(fā)，滿足觸發(fā)條件時(shí)，立即固化循環(huán)采集區(qū)，并開始沖擊波超壓的時(shí)序采集。

圖2 地震波觸發(fā)沖擊波超壓測(cè)試原理Fig.2 The principle for measuring shock waveoverpressure triggered by seismic wave

爆炸時(shí)，形成以炸點(diǎn)為中心向四周傳播的地震波，地震波傳播速度最快的是縱波，其使地面發(fā)生上下振動(dòng)，在地殼中的傳播速度：u0=5.5～7 km/s。

（1）根據(jù)金尼-格雷厄姆公式，計(jì)算沖擊波超壓峰值(pp，MPa)：

聯(lián)立式（1）～（3）可得不同觀測(cè)距離處沖擊波傳播平均速度及其與地震波傳播平均時(shí)間差的關(guān)系，如圖3所示。由圖3（a）可以看出，沖擊波超壓值隨爆距的增大而減小，當(dāng)距離r≥5 m時(shí)，沖擊波的傳播平均速度u≤995 m/s，該值遠(yuǎn)小于地震波的傳播速度；由圖3（b）可以看出，當(dāng)距離r≥5 m 時(shí)，沖擊波與地震波傳播到觀測(cè)點(diǎn)的平均時(shí)間差?t≥4.1 ms，而地震波信號(hào)觸發(fā)該測(cè)點(diǎn)的沖擊波信號(hào)只需要幾十微秒，在該時(shí)間差內(nèi)能夠完成觸發(fā)該測(cè)試節(jié)點(diǎn)的沖擊波信號(hào)的存儲(chǔ)。因此，當(dāng)?shù)刃NT 裝藥量不大于100 kg、爆心距不小于5 m 時(shí)，可以通過安裝在測(cè)試終端的加速度計(jì)采集地震波信號(hào)，作為沖擊波超壓測(cè)試的可靠觸發(fā)信號(hào)。

圖3 沖擊波超壓峰值和傳播時(shí)間差隨距離的變化Fig.3 Variation of shock wave overpressurepeak and propagation time difference with distance

圖4是彈丸爆炸時(shí)在距爆心5 m 處獲取的加速度和沖擊波超壓信號(hào)，可以看出加速度信號(hào)的觸發(fā)閾值先于沖擊波信號(hào)到達(dá)測(cè)試節(jié)點(diǎn)，提前時(shí)長(zhǎng)為12.42 ms，這進(jìn)一步驗(yàn)證了基于地震波信號(hào)的沖擊波測(cè)試觸發(fā)方法原理的可行性。

圖4 試驗(yàn)測(cè)試的加速度曲線和超壓峰值曲線Fig.4 Test curves of acceleration and shock wave overpressure peak

2 運(yùn)動(dòng)戰(zhàn)斗部爆炸沖擊波特性分析

2.1 動(dòng)爆試驗(yàn)測(cè)試設(shè)置

為分析不同速度戰(zhàn)斗部爆炸時(shí)沖擊波場(chǎng)的分布規(guī)律，建立分布式動(dòng)爆試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，采用球形裸裝藥，裝藥量為1.2 kg。比例距離R分別為4.71、9.41和14.12 m/kg1/3，戰(zhàn)斗部著靶速度v0分別為0、535和980 m/s，火炮火藥發(fā)射獲得著靶速度，距目標(biāo)炸點(diǎn)50 m 處順序放置4臺(tái)天幕靶，每臺(tái)間隔20 m，通過區(qū)截法獲取彈丸在天幕靶處的飛行速度，再結(jié)合炮口靶獲取的出炮口速度以及制式彈的外彈道模型，計(jì)算出目標(biāo)炸點(diǎn)處彈丸速度。采用模塊裝藥，速度為535和980 m/s彈丸的裝藥分別為3×B模塊和6×B模塊，每個(gè)B 模塊裝藥2.35 kg，引信采用瞬觸發(fā)引信。戰(zhàn)斗部與地靶平面的水平夾角β 為45°，測(cè)點(diǎn)分布如圖5所示，以爆炸中心為原點(diǎn)，建立三維坐標(biāo)系Oxyz，分別在地靶平面距爆心5、10、15 m 處安裝沖擊波超壓測(cè)試裝置。在Oxy平面上（即地靶平面），爆心到測(cè)試點(diǎn)的連線與x軸的夾角為θ，受試驗(yàn)條件限制，共24個(gè)測(cè)點(diǎn)。理論上測(cè)點(diǎn)越多，對(duì)爆炸沖擊波的重建越有利。

圖5 戰(zhàn)斗部爆炸測(cè)點(diǎn)分布Fig.5 Measuring points of blasting warhead explosion

2.2 爆炸沖擊波特性分析

圖6為比例距離R=4.71 m/kg1/3時(shí)不同方向上測(cè)得的沖擊波超壓時(shí)域曲線。由圖6可知，以靜爆條件下（v0=0 m/s）的沖擊波超壓時(shí)域曲線為參照，當(dāng)θ=0°時(shí)，動(dòng)爆沖擊波超壓遠(yuǎn)高于靜爆沖擊波超壓；當(dāng)θ 增大到45°時(shí)，動(dòng)爆沖擊波超壓有所下降，但是仍然高于靜爆沖擊波超壓；當(dāng)θ 增大到90°時(shí)，動(dòng)爆沖擊波超壓繼續(xù)降低，v0對(duì)沖擊波超壓的影響變小，不同速度戰(zhàn)斗部爆炸的沖擊波超壓趨于一致，與靜爆沖擊波壓力相當(dāng)；隨著θ 的進(jìn)一步增大，動(dòng)爆沖擊波壓力進(jìn)一步降低，開始低于靜爆沖擊波壓力；當(dāng)θ 增大到180°時(shí)，測(cè)點(diǎn)處于與戰(zhàn)斗部速度完全相反的方向，為壓力最低點(diǎn)，此時(shí)的沖擊波超壓遠(yuǎn)低于靜爆沖擊波超壓。此外，在動(dòng)爆沖擊波超壓高于靜爆沖擊波超壓的方向上，即θ 在0°～90°和270°～360°范圍內(nèi)時(shí)，v0越大，壓力越高，沖擊波到達(dá)時(shí)間越短；相反地，在動(dòng)爆沖擊波超壓低于靜爆沖擊波超壓的方向上，即θ 在90°～270°范圍內(nèi)時(shí)，v0越大，壓力越低，沖擊波到達(dá)時(shí)間越長(zhǎng)。

圖6 不同方向的沖擊波超壓時(shí)域曲線Fig.6 Shock wave overpressure-time curves in different directions

讀取沖擊波的超壓峰值，得到不同速度戰(zhàn)斗部的爆炸沖擊波超壓峰值對(duì)比曲線，如圖7所示。由圖7可知：（1）比例距離相同時(shí)，戰(zhàn)斗部爆炸的沖擊波超壓峰值隨θ 的增大近似呈余弦衰減，當(dāng)θ=0°時(shí)，超壓峰值最大，θ=180°時(shí)，超壓峰值最小，并且戰(zhàn)斗部著靶速度v0越大，超壓峰值衰減得越快；（2）以靜爆沖擊波超壓峰值為參照，在與戰(zhàn)斗部速度方向相同的區(qū)域（0°～90°和270°～360°），動(dòng)爆沖擊波存在較大的壓力升，超壓峰值大于靜爆狀態(tài)下的超壓峰值，使得沖擊波場(chǎng)呈現(xiàn)出局部高壓區(qū)，而在與戰(zhàn)斗部速度方向相反的區(qū)域（90°～270°），則存在較大的壓力降。由此，可將運(yùn)動(dòng)戰(zhàn)斗部的爆炸沖擊波場(chǎng)分為壓力升和壓力降兩個(gè)區(qū)域，分界點(diǎn)大約在θ=90°處。

圖7 不同速度戰(zhàn)斗部的沖擊波超壓峰值曲線Fig.7 Shock wave overpressure peak curves of the blasting warheads with different velocities

由式（1）、（4）、（5）聯(lián)合可得戰(zhàn)斗部動(dòng)爆沖擊波超壓峰值的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值，實(shí)測(cè)戰(zhàn)斗部動(dòng)爆沖擊波超壓峰值pp,e與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果pp,d對(duì)比如表1所示，其中ε=(pp,e?pp,d)/pp,e。由表1可知，實(shí)測(cè)戰(zhàn)斗部靜爆沖擊波超壓峰值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果一致性較好，除個(gè)別點(diǎn)外，實(shí)測(cè)戰(zhàn)斗部動(dòng)爆沖擊波超壓峰值與理論值較為接近，相對(duì)誤差小于20%，且相對(duì)誤差隨著戰(zhàn)斗部速度的增大而增大。此外，越靠近戰(zhàn)斗部運(yùn)動(dòng)方向軸線（θ=0°和θ=180°）的實(shí)測(cè)沖擊波超壓峰值相對(duì)誤差越大，垂直于戰(zhàn)斗部運(yùn)動(dòng)方向軸線（θ=90°和θ=270°）的實(shí)測(cè)沖擊波超壓峰值相對(duì)誤差較小。

表1 試驗(yàn)結(jié)果與理論值對(duì)比Table1 Comparison between experimental and theoretical results

2.3 爆炸沖擊波場(chǎng)重建

以表1中的沖擊波超壓峰值為插值點(diǎn)，利用MATLAB數(shù)據(jù)處理軟件的薄板樣條插值方法（thinplate-spline interpolation）對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值（該插值方法可以使得三維超壓曲面彎曲能量最?。?，得到戰(zhàn)斗部速度分別為0、535、980 m/s的爆炸沖擊波超壓峰值場(chǎng)分布和等壓曲線，如圖8～10所示。由圖8可知，戰(zhàn)斗部靜爆沖擊波超壓峰值在各個(gè)方向基本相同；由圖9～10可知，戰(zhàn)斗部動(dòng)爆沖擊波超壓峰值在戰(zhàn)斗部運(yùn)動(dòng)速度方向增強(qiáng)，在戰(zhàn)斗部運(yùn)動(dòng)相反方向減弱，且戰(zhàn)斗部速度越大，增強(qiáng)和減弱的程度越大。

圖8 戰(zhàn)斗部速度為0 m/s 的沖擊波超壓峰值場(chǎng)分布Fig.8 Shock wave overpressure field for theblasting warhead with the velocity of 0 m/s

圖9 戰(zhàn)斗部速度為535 m/s的沖擊波超壓峰值場(chǎng)分布Fig.9 Shock wave overpressure field for the blasting warhead with the velocity of 535 m/s

圖10 戰(zhàn)斗部速度為980 m/s的沖擊波超壓峰值場(chǎng)分布Fig.10 Shock wave overpressure field for the blasting warhead with the velocity of 980 m/s

3 結(jié) 論

提出了一種基于地震波可靠觸發(fā)的戰(zhàn)斗部空中爆炸沖擊波超壓測(cè)試方法，并對(duì)速度為0、535 和980 m/s的戰(zhàn)斗部空中爆炸沖擊波進(jìn)行了測(cè)試研究，通過測(cè)試結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值的對(duì)比分析，以及重建的戰(zhàn)斗部動(dòng)爆沖擊波超壓三維可視化模型，可以得出以下結(jié)論：

（1）本文中提出的測(cè)試方法能可靠獲取戰(zhàn)斗部動(dòng)爆沖擊波超壓峰值；

（2）戰(zhàn)斗部動(dòng)爆沖擊波超壓峰值在戰(zhàn)斗部運(yùn)動(dòng)速度方向增強(qiáng)，在戰(zhàn)斗部運(yùn)動(dòng)相反方向減弱，且戰(zhàn)斗部速度越大，增強(qiáng)和減弱的程度越大。