暢里華，溫偉峰，冉茂杰，黃文斌，王 旭，何 徽，高 鵬

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

近年來(lái)，多點(diǎn)起爆技術(shù)（特別是沖擊片雷管多點(diǎn)起爆技術(shù)）在定向殺傷、爆炸成型彈丸等類型的先進(jìn)戰(zhàn)斗部研制中獲得了快速發(fā)展和應(yīng)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(zhēng)的發(fā)展，對(duì)武器系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，一方面要求實(shí)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(guān)技術(shù)成為先進(jìn)武器彈藥研究的重要方向之一。對(duì)于鈍感主裝藥，一般無(wú)法通過(guò)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(duì)較大且相對(duì)較為敏感的傳爆藥實(shí)現(xiàn)主裝藥的可靠起爆。為進(jìn)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(diǎn)同步起爆，利用沖擊波和爆轟波對(duì)碰增壓效應(yīng)，使鈍感主裝藥中局部入射沖擊波壓力超過(guò)臨界起爆壓力，實(shí)現(xiàn)鈍感主裝藥的可靠起爆。

在多點(diǎn)起爆實(shí)驗(yàn)中，對(duì)炸藥多點(diǎn)起爆爆轟波發(fā)展及爆轟波相互作用過(guò)程的研究，高速攝影為光學(xué)診斷技術(shù)中一個(gè)不可或缺的測(cè)試手段。目前高速攝影接收系統(tǒng)采用的相機(jī)通常為數(shù)字相機(jī)、轉(zhuǎn)鏡式高速相機(jī)及彈道靶場(chǎng)相機(jī)（SVR）。數(shù)字相機(jī)最高攝影頻率為0.1 MHz 量級(jí)，轉(zhuǎn)鏡式高速分幅相機(jī)最高攝影頻率為千萬(wàn)幅頻，曝光時(shí)間最短百納秒，動(dòng)態(tài)模糊大。SVR 相機(jī)曝光時(shí)間最短幾十納秒，能將不同時(shí)刻飛行物（或界面）的運(yùn)動(dòng)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(guó)工程物理研究院流體物理研究所研制的曝光時(shí)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(jī)，結(jié)合有機(jī)玻璃光快門技術(shù)，對(duì)以HMX 為基及以TATB 為基的兩種塑料粘結(jié)炸藥在三點(diǎn)同步起爆條件下爆轟波發(fā)展及相互作用波形，進(jìn)行納秒量級(jí)時(shí)間分辨水平的捕捉，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行初步分析。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

炸藥三點(diǎn)起爆實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1 所示。采用3 個(gè)電爆炸絲雷管串聯(lián)的方式，同時(shí)引爆3 個(gè)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(jié)主炸藥或尺寸為 ? 100 mm×20 mm 的TATB 塑料粘結(jié)主炸藥，在主炸藥藥柱的底面采用一定厚度的有機(jī)玻璃光快門來(lái)截止后續(xù)產(chǎn)物發(fā)光，在雷管底部安裝一對(duì)電離式銅箔電探針，用于觸發(fā)超高速光電分幅相機(jī)。起爆點(diǎn)的具體分布如圖2 所示，3 個(gè)起爆點(diǎn)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?yàn)橹行难貜较騻鞑ィ⒉捎贸咚俟怆姺址鄼C(jī)拍攝波陣面?zhèn)鞑ミ^(guò)程。

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

圖2 起爆點(diǎn)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(diǎn)起爆實(shí)驗(yàn)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(jī)等設(shè)備，實(shí)驗(yàn)裝置與相機(jī)成90°角擺放，被攝目標(biāo)通過(guò)反射鏡折轉(zhuǎn)后經(jīng)防護(hù)窗口、成像物鏡成像在超高速光電分幅相機(jī)像面上。由于爆轟波傳播過(guò)程極快，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為拍攝到穩(wěn)定可靠的爆轟波發(fā)展過(guò)程圖像，必須保證超高速相機(jī)系統(tǒng)拍攝時(shí)刻與爆轟波的形成和發(fā)展時(shí)刻精確同步。同時(shí)超高速光電相機(jī)對(duì)光的敏感度較高，炸藥爆轟所產(chǎn)生的光較強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)時(shí)可通過(guò)每幅調(diào)節(jié)增益、曝光時(shí)間及采用濾光片等措施來(lái)降低光強(qiáng)，防止圖像曝光過(guò)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(jī)

實(shí)驗(yàn)圖像接收系統(tǒng)采用中國(guó)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(jī)，該相機(jī)具有時(shí)間/空間分辨率高、畫幅尺寸大以及攝影頻率高、弱光探測(cè)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為超快過(guò)程重要測(cè)試手段之一。其原理是通過(guò)成像與分光系統(tǒng)將拍攝的目標(biāo)成像在門控像增強(qiáng)器的光陰極上，像增強(qiáng)器的輸出圖像由CCD 接收和記錄，系統(tǒng)曝光時(shí)間和攝影頻率由像增強(qiáng)器驅(qū)動(dòng)源以及精密同步模塊控制，外形見(jiàn)圖4。主要技術(shù)指標(biāo)如下：

圖4 超高速光電相機(jī)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(shí)間為5 ns；

（4）曝光時(shí)間范圍為5 ns～1 ms 連續(xù)可調(diào)；

（5）幅間隔為1 ns～10 ms 連續(xù)可調(diào)；

（6）空間分辨率為40 lp/mm；

（7）探測(cè)光譜范圍為380～860 nm。

2.3 攝影系統(tǒng)同步控制設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于起爆裝置有高電壓和大電流，這些因素可能會(huì)導(dǎo)致超高速光電分幅相機(jī)誤觸發(fā)，引起相機(jī)工作不正常或圖像丟失等。為避免該問(wèn)題，確保系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定工作，動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)，相機(jī)用UPS 電源供電，相機(jī)、同步機(jī)觸發(fā)全采用光觸發(fā)模式，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，相機(jī)拍攝過(guò)程中同時(shí)反饋電信號(hào)到監(jiān)控示波器，精確監(jiān)測(cè)相機(jī)第一幅的拍攝時(shí)刻，確保相機(jī)在預(yù)期時(shí)刻進(jìn)行曝光，也方便在時(shí)序出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)進(jìn)行排查。通過(guò)以上措施，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)起爆時(shí)刻與攝影系統(tǒng)拍攝時(shí)刻的精確同步，可靠地獲得炸藥三點(diǎn)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(cè)試系統(tǒng)同步控制設(shè)計(jì)如圖5 所示，延時(shí)總控系統(tǒng)分兩路，一路給示波器作為時(shí)序監(jiān)測(cè)時(shí)刻參考信號(hào)，另一路觸發(fā)起爆裝置，裝置起爆后輸出電探針信號(hào)。電探針信號(hào)分為兩路，一路給示波器作為時(shí)序監(jiān)測(cè)時(shí)刻，一路給延時(shí)同步機(jī)，同步機(jī)進(jìn)行延時(shí)后輸出電信號(hào)，經(jīng)電-光轉(zhuǎn)換器輸出光信號(hào)，通過(guò)光纖傳輸觸發(fā)光電分幅相機(jī)，同時(shí)光電分幅相機(jī)反饋第一幅記錄時(shí)刻給示波器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相機(jī)實(shí)際記錄時(shí)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(jié)果及分析

針對(duì)以HMX 為基和以TATB 為基的兩種塑料粘結(jié)炸藥三點(diǎn)同步起爆實(shí)驗(yàn)，采用超高速光電分幅攝影系統(tǒng)開展了爆轟波傳播過(guò)程實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)在像面上清晰成像以及被攝目標(biāo)與相機(jī)拍攝時(shí)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(gè)時(shí)刻的高清晰度圖像，精細(xì)觀察到波形的發(fā)展情況及相互作用過(guò)程，拍攝結(jié)果如圖6 和圖7 所示。拍攝條件為：曝光時(shí)間10 ns，增益70%。定義雷管起爆時(shí)刻為零時(shí)。

圖6 HMX 塑料粘結(jié)炸藥三點(diǎn)起爆爆轟波傳播過(guò)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(jié)炸藥三點(diǎn)起爆爆轟波傳播過(guò)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(jié)果可以看出，兩發(fā)實(shí)驗(yàn)的第一幅圖像均顯示出藥柱底部三個(gè)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(shí)間自身存在數(shù)十納秒分散性所引起的。另外，早期時(shí)刻圖像的光帶比后面幾個(gè)時(shí)刻光帶要寬一些。這是因本實(shí)驗(yàn)中主炸藥內(nèi)部形成的是球面散心爆轟波，實(shí)驗(yàn)樣品為等高度柱形炸藥且起爆點(diǎn)位于藥柱頂面，爆轟波剛出炸藥底面時(shí)，波陣面的徑向速度遠(yuǎn)大于正常爆速，隨著波陣面向外運(yùn)動(dòng)，徑向傳播速度逐漸降，低直至接近正常爆速，在相同曝光時(shí)間內(nèi)波陣面沿徑向運(yùn)動(dòng)的距離不完全相同，導(dǎo)致不同時(shí)刻的波陣面光環(huán)寬度不一樣。

同時(shí)從拍攝序列圖像中也觀察到爆轟波相互作用過(guò)程的一些重要信息，三個(gè)起爆點(diǎn)發(fā)出的爆轟波首先兩兩發(fā)生正碰，隨后分別沿兩個(gè)方向以斜入射的方式發(fā)生反射，說(shuō)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(shí)驗(yàn)圖像開始可以看出，兩條光帶交匯處并非像兩個(gè)圓弧交匯那樣形成尖點(diǎn)（例如圖6 和圖7 的第3 幅實(shí)驗(yàn)圖像），而是形成了一定寬度的平坦區(qū)域，說(shuō)明兩個(gè)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(nèi)聚相互作用，匯聚過(guò)程的實(shí)驗(yàn)圖像上未見(jiàn)形成馬赫反射，當(dāng)爆轟波匯聚至炸藥中心后，反射沖擊波向外傳播過(guò)程中出現(xiàn)了馬赫桿結(jié)構(gòu)（圖6 和圖7 的第4 幅實(shí)驗(yàn)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(gè)時(shí)刻實(shí)驗(yàn)圖像中，可以明顯看出在有機(jī)玻璃光快門上形成了“Y”形狀的黑線，其位置對(duì)應(yīng)于3 個(gè)爆轟波兩兩相互作用交匯點(diǎn)形成的軌跡，黑色表明其透光率極低，分析認(rèn)為可能是由于爆轟波在此區(qū)域相互作用導(dǎo)致加載壓力突增、有機(jī)玻璃密度陡增所引起的，是爆轟波對(duì)碰增壓效應(yīng)的一種體現(xiàn)。

如圖8 所示，與國(guó)外基于重復(fù)曝光方式的SVR 相機(jī)拍攝結(jié)果（典型實(shí)驗(yàn)圖像見(jiàn)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(dú)立曝光，同時(shí)超高速光電分幅攝影系統(tǒng)攝影頻率最高達(dá)200 MHz，最短曝光時(shí)間達(dá)5 ns，可有效減小運(yùn)動(dòng)模糊，能夠更精細(xì)地觀測(cè)到爆轟波傳播及相互作用細(xì)節(jié)信息，如內(nèi)聚相互作用、馬赫桿等。

圖8 超高速光電分幅相機(jī)與SVR 相機(jī)拍攝結(jié)果對(duì)比Fig. 8 Result comparison of ultra-high speed photoelectric framing and SVR camera

4 結(jié) 論

超高速光電分幅攝影技術(shù)基于獨(dú)立曝光模式，且具有曝光時(shí)間短、幅間隔連續(xù)可調(diào)、空間分辨高等優(yōu)勢(shì)。通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)研究，采用超高速光電分幅攝影結(jié)合有機(jī)玻璃光快門技術(shù)，拍攝到兩種典型炸藥在三點(diǎn)同步起爆條件下納秒時(shí)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(nèi)聚相互作用、馬赫桿等波形的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。該實(shí)驗(yàn)方法及其結(jié)果對(duì)于爆轟波相互作用及爆轟波馬赫反射等問(wèn)題研究具有一定的參考價(jià)值。