暢里華,何 徽,溫偉峰,李金河,王 旭,冉茂杰

(中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽(yáng) 621999)

在水下武器效應(yīng)研究中，炸藥水下爆炸特性是非常重要的研究?jī)?nèi)容，特別是爆炸所形成的沖擊波，它是形成損傷效應(yīng)的最重要的因素之一。由于沖擊波在水下擴(kuò)散時(shí)能量損失迅速，因此為提高爆炸損傷能力，需要使它盡可能在近場(chǎng)范圍內(nèi)發(fā)揮效果，這就使得開(kāi)展水下爆炸近場(chǎng)沖擊波特性研究顯得尤為重要[1]。其中，炸藥水中爆炸沖擊波陣面的形狀、發(fā)展過(guò)程及不同方向的傳播速度是實(shí)驗(yàn)中最為基本、關(guān)鍵的參數(shù)，對(duì)于炸藥水中爆炸實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，都起著極為重要的作用。鑒于炸藥水中爆炸沖擊波傳播速度快的技術(shù)特點(diǎn)，高速攝影就成為光學(xué)測(cè)試技術(shù)中一個(gè)不可或缺的測(cè)試手段[2-3]。目前，在水中爆炸近場(chǎng)中采用的測(cè)試技術(shù)主要是用分幅或掃描攝影技術(shù)獲得不同時(shí)刻沖擊波頭數(shù)據(jù)，從而推導(dǎo)出峰壓衰減規(guī)律[4-6]。在我國(guó)，在水中爆炸近場(chǎng)光學(xué)測(cè)試方面做的工作較少，趙繼波等[7-8]、李金河等[9]采用高速轉(zhuǎn)鏡掃描相機(jī)或分幅相機(jī)拍攝了炸藥水中爆炸軸向沖擊波傳播一維時(shí)間或二維空間像，一維時(shí)間和二維空間、光強(qiáng)度等信息不能在同一發(fā)實(shí)驗(yàn)中同時(shí)獲得，且不是同一時(shí)基、同一空基，不具有可比性。

本文中，采用自研的超高速同時(shí)分幅/掃描攝影系統(tǒng)首次拍攝炸藥水中爆炸沖擊波傳播過(guò)程同一時(shí)基、同一空基且具有超高時(shí)空分辨的一維(水平和垂直同時(shí)掃描)和二維圖像，不僅能觀察炸藥水中爆炸沖擊波陣面在傳播過(guò)程中的形狀變化，而且可獲得該過(guò)程徑向和軸向的沖擊波傳播速度及沖擊波陣面壓力。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 爆炸裝置

爆炸裝置主要由雷管、傳爆藥、主裝藥柱、支撐架等組成。所用主裝藥為T(mén)NT，尺寸約為?60 mm×66 mm，密度為1.580 g/cm3，用支撐架將爆炸裝置置于水箱中部處于懸空的狀態(tài)，懸空高度為水箱高度的一半。雷管及其引腳與起爆電纜的結(jié)合部嚴(yán)格密封，入水電纜具有良好的水密性。炸藥水中爆炸實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

同時(shí)分幅/掃描超高速光電攝影系統(tǒng)分幅成像組件對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置整個(gè)視場(chǎng)成像，掃描成像組件對(duì)主裝藥柱徑向和軸向同時(shí)成像。

1.2 測(cè)試裝置

炸藥水中爆炸沖擊波傳播超高速同時(shí)分幅掃描攝影測(cè)試布局如圖2所示。脈沖氙燈光源經(jīng)照明物鏡照明被攝區(qū)域，經(jīng)反射鏡、相機(jī)物鏡成像在超高速同時(shí)分幅/掃描光電相機(jī)上。由于沖擊波傳播過(guò)程極快，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為拍攝到穩(wěn)定、可靠的沖擊波傳播過(guò)程圖像，必須保證超高速攝影系統(tǒng)拍攝時(shí)刻、脈沖氙燈光源發(fā)光時(shí)刻及沖擊波傳播的形成和發(fā)展時(shí)刻精確同步[10]。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于起爆裝置伴隨有高電壓和大電流，這些因素輕則會(huì)導(dǎo)致同時(shí)分幅/掃描超高速光電相機(jī)誤觸發(fā)，重則甚至?xí)鹣鄼C(jī)工作不正常、圖像丟失。為避免該問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)相機(jī)整體通過(guò)電屏蔽箱屏蔽，相機(jī)與同步控制器之間通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為光信號(hào)再連接，同時(shí)相機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的控制和數(shù)據(jù)接口全部采用光纖傳輸。通過(guò)以上改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)起爆時(shí)刻與相機(jī)拍攝時(shí)刻的精確同步，可靠獲得炸藥水中爆炸沖擊波傳播過(guò)程同一時(shí)基、同一空基具有高時(shí)空分辨的一維和二維清晰圖像[11]。

2 結(jié)果及分析

圖3是用同時(shí)分幅/掃描超高速光電相機(jī)拍攝的?60 mm×66 mm炸藥在400 mm×400 mm×400 mm水箱中爆炸沖擊波傳播過(guò)程一維時(shí)間和二維空間的圖像信息，炸藥材料為T(mén)NT，t所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻均以炸藥爆炸起始時(shí)刻為零時(shí)。分幅成像拍攝條件：畫(huà)幅數(shù)為6，每幅時(shí)間間隔分別為5、5、5、10、10 μs，曝光時(shí)間為20 ns。掃描成像拍攝條件：掃描時(shí)間為100 μs，掃描速度為0.12 km/s，畫(huà)幅數(shù)為2，水平x方向、垂直y方向同時(shí)掃描。分幅成像拍攝到炸藥水中爆炸沖擊波傳播變化過(guò)程，記錄了沖擊波傳播過(guò)程二維空間信息和抽樣時(shí)間信息；掃描成像得到炸藥水中爆炸沖擊波傳播軸向、徑向沖擊波陣面界面變化過(guò)程，記錄了沖擊波傳播軸向和徑向連續(xù)時(shí)間信息和一維空間信息。從6幅分幅圖像，可清楚地觀察到炸藥水中爆炸沖擊波的傳播和爆轟產(chǎn)物的膨脹過(guò)程：當(dāng)爆轟未完成時(shí)，在藥柱長(zhǎng)度范圍內(nèi)水中沖擊波與爆轟波一起沿藥柱表面母線移動(dòng)，他們?cè)谒幹砻娼稽c(diǎn)處的移動(dòng)速度相同；當(dāng)爆轟完成后，水中沖擊波開(kāi)始以自己的速度在水中傳播，水中沖擊波陣面形狀呈橢圓形且形狀不規(guī)則。從2幅掃描圖像可以看出，垂直掃描y方向(徑向)沖擊波傳播過(guò)程對(duì)稱(chēng)性較好，傳播速度基本一致，水平掃描x方向(軸向)沖擊波傳播較快。

圖4是對(duì)拍攝到的圖像進(jìn)行處理及數(shù)據(jù)分析，得到的炸藥水中爆炸沖擊波陣面軸向、徑向隨時(shí)間的變化曲線。圖4中橫坐標(biāo)為相機(jī)的掃描時(shí)間，縱坐標(biāo)為沖擊波陣面距炸藥中心的距離H。從圖4(a)徑向沖擊波陣面隨時(shí)間變化曲線可以看出，左、右邊界整個(gè)傳播過(guò)程中對(duì)稱(chēng)性很好，沖擊波傳播速度隨時(shí)間的推延而逐漸減小。左邊界沖擊波在5 μs時(shí)刻傳播速度約為4.79 km/s，30 μs時(shí)刻傳播速度約為3.01 km/s，67 μs時(shí)刻傳播速度約為2.50 km/s。右邊界沖擊波在5 μs時(shí)刻傳播速度約為4.76 km/s，30 μs時(shí)刻傳播速度約為3.00 km/s，67 μs時(shí)刻傳播速度約為2.50 km/s。左、右邊界平均速度幾乎一樣。從圖4(b)軸向沖擊波隨時(shí)間變化可以看出，沖擊波傳播速度軸向明顯比徑向快，上邊界成像受電纜線影響無(wú)法準(zhǔn)確讀出，下邊界5 μs時(shí)刻傳播速度約為5.47 km/s，30 μs時(shí)刻傳播速度約為3.51 km/s，40 μs時(shí)刻傳播速度約為3.06 km/s。

圖5為?60 mm×66 mm炸藥在800 mm×800 mm×800 mm水箱中爆炸沖擊波傳播過(guò)程一維時(shí)間和二維空間信息圖像。分幅成像拍攝條件：畫(huà)幅數(shù)為6，每幅時(shí)間間隔分別為5、10、10、20、20 μs，曝光時(shí)間為20 ns。掃描成像拍攝條件：掃描時(shí)間為100 μs，掃描速度為0.12 km/s，畫(huà)幅數(shù)為2，軸向y方向、徑向x方向同時(shí)掃描。從8幅圖像，可清楚地觀察到炸藥水中爆炸沖擊波陣面?zhèn)鞑フ麄€(gè)過(guò)程，比炸藥在400 mm×400 mm×400 mm水箱中沖擊波傳播速度慢。

圖6是對(duì)拍攝到的原始圖5進(jìn)行處理及數(shù)據(jù)分析，得到的炸藥水中爆炸沖擊波陣面軸向、徑向隨時(shí)間的變化曲線。圖6中橫坐標(biāo)為相機(jī)的掃描時(shí)間，縱坐標(biāo)為炸藥水中爆炸沖擊波陣面距中心的距離H。從圖6(a)徑向沖擊波陣面隨時(shí)間變化曲線可以看出，整個(gè)傳播過(guò)程中對(duì)稱(chēng)性較好，沖擊波傳播速度隨時(shí)間的推延而逐漸減小。左邊界沖擊波在5 μs時(shí)刻傳播速度約為4.56 km/s，30 μs時(shí)刻傳播速度約為2.83 km/s，90 μs時(shí)刻傳播速度約為2.23 km/s。右邊界沖擊波在5 μs時(shí)刻傳播速度約為4.41 km/s，30 μs時(shí)刻傳播速度約為2.75 km/s，90 μs時(shí)刻傳播速度約為2.21 km/s。左、右邊界平均速度幾乎一樣。從圖6(b)軸向沖擊波隨時(shí)間變化可以看出，沖擊波傳播速度軸向明顯比徑向快，上邊界成像受電纜線影響無(wú)法準(zhǔn)確讀出，下邊界5 μs時(shí)刻傳播速度約為5.29 km/s，30 μs時(shí)刻傳播速度約為3.18 km/s，40 μs時(shí)刻傳播速度約為2.97 km/s。

由于相機(jī)水平掃描方向與藥柱軸線重合, 所以得到水平方向的沖擊波速度可認(rèn)為是波陣面上軸對(duì)稱(chēng)處的法向速度。通過(guò)法向速度和 Rankine-Hugoniot 關(guān)系[12],可以得到?jīng)_擊波陣面壓力：

(1)

式中：p為沖擊波陣面壓力，GPa；ρ0為水的密度，g/cm3；us為沖擊波速度，km/s；up為沖擊波后流場(chǎng)速度，km/s。

根據(jù)沖擊波陣面隨時(shí)間變化曲線(見(jiàn)圖4(b)和圖6(b))可知任意時(shí)刻的波陣面的法向速度，由式(1)可得到不同時(shí)刻沖擊波壓力，沖擊波壓力隨傳播距離的變化曲線如圖7所示。

圖7中橫坐標(biāo)為沖擊波陣面距炸藥表面的距離L，縱坐標(biāo)為沖擊波峰值壓力p。由圖7可以看出，?60 mm×66 mm炸藥在400 mm×400 mm×400 mm水箱中爆炸沖擊波的傳播過(guò)程中沖擊波峰值壓力保持著較快的衰減速率，在800 mm×800 mm×800 mm水箱中爆炸傳播時(shí)，其沖擊波峰值壓力的衰減過(guò)程呈先急劇下降、后緩慢下降的趨勢(shì)。

3 結(jié) 論

用超高速分幅攝影和掃描攝影技術(shù)拍攝到炸藥水中爆炸沖擊波傳播過(guò)程同一時(shí)基、同一空基且具有高時(shí)空分辨的一維(水平和垂直同掃描)和二維圖像。分幅攝影獲得了不同時(shí)刻沖擊波的波形，對(duì)于認(rèn)識(shí)水下接觸爆炸沖擊波的發(fā)展演化過(guò)程具有重要意義，可以與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行直接對(duì)比，檢驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。掃描結(jié)果獲得了軸向、徑向沖擊波的傳播軌跡，得到炸藥水下接觸爆炸沖擊波傳播速度。分幅圖像和掃描圖像可以相互比對(duì)、相互校核，將二者在同一發(fā)實(shí)驗(yàn)中綜合起來(lái)進(jìn)行分析，避免了不同實(shí)驗(yàn)中分幅掃描數(shù)據(jù)分析中由于裝置、測(cè)量?jī)x器、安裝、測(cè)試等系統(tǒng)誤差帶來(lái)的不確定性。同時(shí)分幅/掃描測(cè)試技術(shù)的發(fā)展豐富了水下接觸爆炸沖擊波的測(cè)試手段，為水下接觸爆炸沖擊波理論的研究和發(fā)展提供了較好的技術(shù)基礎(chǔ)，該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲得對(duì)于水中兵器戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)及毀傷效能評(píng)估也有重要的參考價(jià)值。

[1] 李金河,趙繼波,譚多望,等.不同起爆方式對(duì)含鋁炸藥水中爆炸近場(chǎng)沖擊波壓力的影響[J].高壓物理學(xué)報(bào),2012,26(3):289-293.

LI Jinhe, ZHAO Jibo, TAN Duowang, et al. Effect on the near field shock wave pressure of underwater explosion of aluminized explosive at different initiation modes[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2012,26(3):289-293.

[2] 譚顯祥.高速攝影技術(shù)[M].北京:原子能出版社,1990.

[3] 譚顯祥.光學(xué)高速攝影測(cè)試技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,1992.

[4] DORSETT H, CLIFF M D. Detonation front curvature measurements and aquarium tests of tritonal varriants: DSTO-TR-1411[R]. Defence Science Technology Organisation, 2003.

[5] KIRA A, FUJITA M, ITOH S. Visualization of underwater explosion of spherical explosive[J]. Journal of Materials Processing Technology, 1999,85(1):52-55.

[6] ITO H S, SUZUKI O, NAGANO S, et al. Investigations on fundamental properties of underwater shock waves by high speed photography[J]. Journal of Materials Processing Technology, 1999,85(3):226-230.

[7] 趙繼波,李金河,譚多望,等.柱形裝藥水中爆炸近場(chǎng)徑向壓力測(cè)試初探[C]∥第五屆全國(guó)爆炸力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.2008:86-92.

[8] 趙繼波,譚多望,李金河,等.TNT藥柱水中爆炸近場(chǎng)壓力軸向衰減規(guī)律[J].爆炸與沖擊,2008,28(6):539-543.

ZHAO Jibo, TAN Duowang, LI Jinhe, et al. Axial pressure damping of cylindrical TNT charges in the near underwater-explosion field[J]. Explosion and Shock Waves, 2008,28(6):539-543.

[9] 李金河,趙繼波,譚多望,等.炸藥水中爆炸的沖擊波性能[J].爆炸與沖擊, 2009,29(2):172-176.

LI Jinhe, ZHAO Jibo, TAN Duowang, et al. Underwater shock wave performances of explosives[J]. Explosion and Shock Waves, 2009,29(2):172-176.

[10] 暢里華,何徽,溫偉峰,等.炸藥柱面內(nèi)爆磁通量壓縮超高速同時(shí)分幅/掃描攝影技術(shù)[J].強(qiáng)激光與粒子束,2015,27(11):115002.

CHANG Lihua, HE Hui, WEN Weifeng, et al. Ultrahigh-speed simultaneous framing and streak photography of magnetic flux compression by explosive cylindrical implosion[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2015,27(11):115002.

[11] 暢里華,汪偉,谷卓偉,等.柱面內(nèi)爆磁通量壓縮超高速攝影技術(shù)研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(10):1032001.

CHANG Lihua, WANG Wei, GU Zhuowei, et al. Study on magnetic flux compression by cylindrical implosion using ultrahigh-speed photography[J]. Acta Optica Sinica, 2015,35(10):1032001.

[12] 惲壽榕,趙衡陽(yáng).爆炸力學(xué)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2005.