馬雪嬌， 孔德仁， 徐春冬， 余益欣， 張學(xué)輝

(1. 南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094； 2. 長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院， 吉林 長春 130022)

0 引言

隨著戰(zhàn)斗部裝藥量的提升以及新型含能材料的發(fā)展， 各類高能戰(zhàn)斗部應(yīng)運而生， 如溫壓戰(zhàn)斗部、 云爆戰(zhàn)斗部等. 高能戰(zhàn)斗部的威力大幅提升， 其威力時空分布復(fù)雜， 給準(zhǔn)確測試和表征威力參量帶來了問題.

典型威力參量主要包括： 沖擊波壓力、 熱作用參量、 破片參量. 沖擊波壓力的表征主要有地表反射壓、 自由場壓力、 總壓、 動壓等； 熱作用參量主要包括火球表面溫度、 爆炸近場溫度、 熱流密度； 破片根據(jù)形成機(jī)理可分為自然破片、 可控破片、 預(yù)制破片， 表征參量主要為破片速度和飛散特性.

高能戰(zhàn)斗部相較于常規(guī)戰(zhàn)斗部， 其爆炸威力更強(qiáng)， 熱毀傷顯著， 威力參量具有以下特點： 沖擊波壓力范圍更廣， 熱作用參量動態(tài)范圍大， 持續(xù)時間短； 破片速度高、 尺寸小、 殺傷范圍更廣. 高能戰(zhàn)斗部爆炸會產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊、 振動、 高溫高速流場及電磁輻射等， 測試環(huán)境惡劣. 基于上述原因， 高能戰(zhàn)斗部威力參量測試系統(tǒng)需要具有合適的量程和工作頻帶以及較高的分辨率， 需要滿足抗沖擊、 抗高溫干擾等要求.

目前， 國內(nèi)高能戰(zhàn)斗部威力參量測試總體現(xiàn)狀為： (1)測試方法較多， 如沖擊波壓力包括引線測試法和存儲測試法. 火球表面溫度有紅外測溫、 光譜測溫和可見光測溫. 破片測試分為接觸式和非接觸式等多種方法， 各方法的適用范圍、 測試規(guī)范及方法的局限性研究不深入； (2)當(dāng)前我國爆炸場威力參量測試設(shè)備大量采購國外產(chǎn)品， 如各類傳感器、 紅外熱像儀、 高速攝像機(jī)； (3)不同測試方法測試結(jié)果相差較大， 測量數(shù)據(jù)缺乏可比性， 測試結(jié)果評價方法存在缺陷， 造成了爆炸場毀傷威力參量“測不出” “測不準(zhǔn)”的現(xiàn)狀. 因此有必要針對高能戰(zhàn)斗部特點開展相關(guān)威力參量測試技術(shù)研究.

本文針對準(zhǔn)確定量測試高能戰(zhàn)斗部爆炸場沖擊波壓力、 熱作用參量、 破片速度及飛散特性參量開展研究， 綜述近年來各威力參量測試技術(shù)研究現(xiàn)狀及進(jìn)展， 對存在的問題及發(fā)展方向進(jìn)行探討， 為能夠有效準(zhǔn)確地獲取高能戰(zhàn)斗部威力參量， 提升威力參量測試能力提供技術(shù)支持.

1 沖擊波壓力作用參量測試

高能戰(zhàn)斗部沖擊波壓力從表征形式上有地表反射壓、 自由場壓力(靜壓)、 總壓及動壓等， 為了準(zhǔn)確獲取戰(zhàn)斗部爆炸沖擊波壓力， 常采用電測法進(jìn)行測試.

1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

沖擊波壓力電測法指利用壓力傳感測試系統(tǒng)測得沖擊波壓力曲線， 通過數(shù)據(jù)處理獲取沖擊波峰值壓力、 比沖量、 作用時間等參量， 電測法分為引線測試法和無線存儲測試法. 引線測試法是將壓力傳感器放于爆炸現(xiàn)場， 將其他設(shè)備放置于距離爆炸場較遠(yuǎn)的掩體內(nèi)， 通過長線纜進(jìn)行信號傳輸； 無線存儲測試法是將存儲測試系統(tǒng)放置于測試環(huán)境中， 測試結(jié)束后將試驗裝置或試驗數(shù)據(jù)回收進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

1.1.1 引線測試法

近年來， 國內(nèi)對采用引線測試法進(jìn)行高能戰(zhàn)斗部沖擊波壓力測試開展了大量研究， 如趙新穎等[1]對溫壓炸藥在野外近地空中爆炸產(chǎn)生的沖擊波壓力進(jìn)行測試， 并與TNT進(jìn)行對比試驗； 饒國寧等[2]將沖擊波壓力測試系統(tǒng)應(yīng)用于云爆藥劑自由場及地面爆炸場壓力測試， 為爆炸場參數(shù)研究和威力評價提供了參考； 李梅等[3]針對復(fù)合裝藥空中爆炸開展了超壓測試實驗， 利用超壓測試系統(tǒng)對沖擊波傳播特性進(jìn)行了分析.

引線法采用的有線測試系統(tǒng)， 一般是由沖擊波壓力傳感器及安裝組件、 信號調(diào)理器、 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、 傳輸電纜等組成， 如圖 1 所示， 爆炸現(xiàn)場測點由壓力傳感器及安裝組件組成， 虛線框內(nèi)為掩體中設(shè)備， 傳感器與信號調(diào)理器通過長線纜連接. 爆炸時沖擊波作用于壓力傳感器， 產(chǎn)生的電信號經(jīng)線纜傳輸?shù)綔y試設(shè)備， 通過軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

圖 1 引線法測試系統(tǒng)組成

引線法作為一種成熟穩(wěn)定的測試手段， 廣泛應(yīng)用于爆炸場沖擊波壓力測試. 但引線法采用長線纜進(jìn)行信號傳輸， 布場復(fù)雜， 長線纜防護(hù)困難， 抗電磁干擾能力差， “電纜效應(yīng)”產(chǎn)生的信號疊加會引起信號失真， 這些問題亟需進(jìn)一步研究.

1.1.2 無線存儲測試法

目前， 國內(nèi)外針對爆炸場工況沖擊波壓力測試開展了大量無線存儲測試研究， J Fourmann等[4]設(shè)計了一種無線壓力傳感器， 組建了無線測試系統(tǒng)， 對空中爆炸沖擊波進(jìn)行測量， 其成本、 尺寸和能耗方面均適用于惡劣爆炸環(huán)境； 中北大學(xué)、 南京理工大學(xué)等多所高校[5-7]針對自由場、 地面沖擊波壓力測試， 采用以太網(wǎng)、 WIFI等通信方式， 構(gòu)建了存儲式測試系統(tǒng)并應(yīng)用于靶場試驗.

無線存儲測試系統(tǒng)一般由沖擊波傳感器及安裝組件、 存儲采集器和上位機(jī)等組成， 如圖 2 所示， 虛線框內(nèi)為爆炸現(xiàn)場， 各測點由傳感器和存儲采集器組成， 通過無線傳輸與上位機(jī)進(jìn)行通訊.

圖 2 存儲測試法系統(tǒng)組成

存儲測試法在布場方式上節(jié)省了人力物力， 避免了長線纜帶來的信號干擾， 是一種值得發(fā)展的測試手段. 但存儲測試設(shè)備放于爆炸現(xiàn)場， 不利于設(shè)備的保護(hù)， 數(shù)據(jù)存儲及信號捕獲均需進(jìn)一步研究.

1.1.3 壓力校準(zhǔn)方法

為實現(xiàn)沖擊波壓力的準(zhǔn)確測量， 需要對測量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)， 獲取其工作特性參數(shù)， 提高沖擊波壓力測量精度. 目前， 關(guān)于壓力校準(zhǔn)方法， 國內(nèi)外開展了大量研究， 如孔德仁等[8]利用落錘液壓動標(biāo)裝置對沖擊波測量用壓力傳感系統(tǒng)實施了準(zhǔn)靜態(tài)的絕對校準(zhǔn)； David Wisniewiski[9]對激波管系統(tǒng)開展研究， 進(jìn)行了壓力傳感器動態(tài)校準(zhǔn)方法研究； Yang Fan等[10]結(jié)合準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)和激波管動態(tài)校準(zhǔn)， 提出了一種聯(lián)合校準(zhǔn)方法， 實現(xiàn)沖擊波壓力測量系統(tǒng)的全頻段校準(zhǔn).

常用的壓力校準(zhǔn)方法分為靜態(tài)校準(zhǔn)、 動態(tài)校準(zhǔn)和準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn). 靜態(tài)校準(zhǔn)是采用壓力標(biāo)準(zhǔn)器產(chǎn)生的“標(biāo)準(zhǔn)壓力”作用于被校系統(tǒng)， 由實際輸入和系統(tǒng)輸出確定系統(tǒng)的靈敏度、 線性度、 重復(fù)性等靜態(tài)特性參數(shù)； 動態(tài)校準(zhǔn)是采用動態(tài)壓力標(biāo)準(zhǔn)器產(chǎn)生的動態(tài)壓力作用于被校系統(tǒng)， 獲取測量系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)； 準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)介于兩者之間， 采用半正弦壓力脈沖對壓力測量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn).

靜態(tài)校準(zhǔn)方法不適用于低頻特性較差的沖擊波壓力傳感器， 且靜態(tài)校準(zhǔn)加載時間長， 會影響傳感器的使用壽命； 動態(tài)校準(zhǔn)在獲取壓力系統(tǒng)低頻特性尤其零頻特性方面較差； 準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)雖然彌補(bǔ)了上述兩種方法的缺陷， 但校準(zhǔn)范圍仍受到一定限制. 目前， 沖擊波壓力測試系統(tǒng)大多采用實驗室校準(zhǔn)， 通過實驗室校準(zhǔn)獲取的系統(tǒng)工作特性不能完全適用于爆炸場測試環(huán)境， 因此需要進(jìn)一步開展爆炸場現(xiàn)場壓力校準(zhǔn)方法研究.

1.1.4 數(shù)據(jù)處理方法及其他問題

針對沖擊波壓力數(shù)據(jù)處理和分析， 張立恒等[11]對沖擊波信號處理方法進(jìn)行分析， 提出了基于傅里葉分析的高低通濾波測試信號處理方法； 孔霖等[12]研究了沖擊波反射壓的動態(tài)修正與補(bǔ)償方法， 為提高沖擊波反射壓測量準(zhǔn)確度提供了技術(shù)支持. 針對爆炸沖擊波毀傷特性， Li Liping等[13]提出一種基于小波包的能量譜提取方法， 可用于分析不同工況下爆炸沖擊波能量譜.

除此之外， 沖擊波壓力測試還需要考慮傳感器安裝以及寄生效應(yīng)抑制的問題. 傳感器安裝的角度方向?qū)_擊波壓力測試影響較大， 如自由場壓力傳感器安裝的側(cè)偏角、 俯仰角對其測量結(jié)果影響十分顯著； 地表反射壓傳感器一般安裝在測試平板上， 測試平板特性、 尺寸及安裝水平度對沖擊波壓力測量影響較為明顯. 高能戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生的高溫、 沖擊、 振動、 電磁輻射等對沖擊波壓力測試造成干擾， 導(dǎo)致測試結(jié)果產(chǎn)生寄生輸出， 這種現(xiàn)象稱為爆炸場測試的寄生效應(yīng). 多位學(xué)者[14-15]分析了影響沖擊波壓力參量測量的寄生效應(yīng)， 并開展了爆炸場工況下的寄生效應(yīng)抑制方法及數(shù)據(jù)處理方法研究.

1.2 存在的問題及發(fā)展分析

目前， 沖擊波壓力測試沒有統(tǒng)一的測試方法和現(xiàn)場操作規(guī)范， 不同參試單位測試結(jié)果相差較大， 需要進(jìn)一步探討. 高能戰(zhàn)斗部爆炸沖擊波壓力測試仍采用常規(guī)戰(zhàn)斗部的壓力測試方法， 這些方法或多或少存在一定問題； 引線測試法布場繁瑣， 工作量較大， 抗干擾能力較差； 存儲測試法的觸發(fā)、 采集存儲仍存在問題； 有關(guān)無線傳輸、 數(shù)據(jù)加密等方面也需進(jìn)一步研究.

除此之外， 沖擊波壓力測試還要針對壓力校準(zhǔn)方法、 傳感器安裝、 數(shù)據(jù)處理方法、 寄生效應(yīng)抑制等繼續(xù)開展研究， 需要系統(tǒng)研究影響壓力測量結(jié)果的因素及來源， 研究各影響因素的評定方法， 形成科學(xué)合理的沖擊波壓力測量體系， 為提高沖擊波壓力測量精度提供依據(jù).

2 熱作用參量測試

爆炸場熱作用參量主要包括爆炸火球表面溫度、 爆炸近場溫度以及熱流密度. 火球表面溫度指爆炸形成的高溫火球外表面溫度； 爆炸近場溫度是爆炸場熱輻射及高溫氣流溫度的綜合； 熱流密度是指單位時間內(nèi)通過目標(biāo)單位面積上的熱量.

2.1 爆炸火球表面溫度測試

火球表面溫度是隨時間及空間變化的， 是表征火球熱作用能力的重要參量， 一般采用非接觸測溫法， 常用的測量方法有紅外測溫法、 光譜測溫法、 可見光測溫法.

2.1.1 研究現(xiàn)狀

1) 紅外測溫法

紅外測溫是利用紅外探測器接收目標(biāo)物體表面的紅外熱輻射， 結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)， 對火球表面溫度進(jìn)行測試， 紅外熱像儀是爆炸火球表面溫度測試中最常用的測試儀器之一， 工作在3 μm～5 μm波段或 8 μm～12 μm波段.

近年來， 各高校、 研究所開展了大量研究， 如張玉磊等[16]利用紅外熱成像儀分別對溫壓炸藥爆炸火球溫度進(jìn)行了測試研究， 獲取了爆炸火球最高溫度隨時間的變化曲線； Blankenhagel等[17]采用紅外熱像儀對3種有機(jī)過氧化合物火球進(jìn)行了測試， 給出了一種利用紅外圖像進(jìn)行熱輻射評估的方法. 關(guān)于紅外熱像儀測量火球表面溫度的測試精度， 學(xué)者們從理論角度分析了測溫精度的影響因素， 分析了火球表面溫度試驗的主要誤差來源.

紅外測溫法是目前爆炸火球測溫最常用的方法， 但紅外波長范圍一定， 測試量程有限， 測試溫度一般在2 000 ℃以內(nèi)； 紅外熱像儀幀頻普遍較低， 難以準(zhǔn)確獲取爆炸火球的變化過程； 且由于受彈藥組分等因素的影響， 火球表面發(fā)射率并不固定， 會對測試結(jié)果造成一定影響， 這些問題均需要進(jìn)一步解決.

2) 光譜測溫法

光譜測溫法是結(jié)合被測物光譜發(fā)射率及輻射定標(biāo)， 根據(jù)光譜強(qiáng)度的變化反演出被測體溫度， 因此可通過測量火球的光譜特征獲得爆炸火球表面溫度.

Lotfi等[18]采用光譜儀研究了不同炸藥組分對爆炸火球光譜特性及表面溫度的影響， 實驗結(jié)果顯示不同組分下爆炸火球的光譜范圍主要集中在500 nm～950 nm之間， 火球表面溫度最高可達(dá)2 800 K； 孫崐等[19]設(shè)計了一種量程在800 ℃～3 500 ℃ 之間的多光譜測溫儀， 該測溫儀可以測試爆炸火球溫度變化過程.

光譜儀具有響應(yīng)速度快、 測溫量程高等優(yōu)點， 是一種值得發(fā)展的高溫測試方法. 但光譜儀受限于視場的限制， 僅能測量局部溫度， 無法獲取爆炸火球整體溫度分布； 光譜測溫系統(tǒng)需要綜合考慮測試環(huán)境、 被測對象的輻射特性及光譜特性， 以對系統(tǒng)進(jìn)行研制.

3) 可見光測溫法

根據(jù)普朗克定律， 物體溫度越高， 其光譜輻射力峰值對應(yīng)的波長越短， 隨著物體溫度的升高， 其光譜輻射范圍由紅外波段過渡至可見光波段， 因此， 可采用可見光測溫法對爆炸火球表面高溫進(jìn)行測試. 目前， 可見光測溫一般采用高速攝像機(jī)對高溫物體進(jìn)行拍攝， 結(jié)合比色測溫原理對溫度場進(jìn)行測量.

John M等[20]研制了一種高速成像測溫儀， 該測溫儀由一套光學(xué)鏡頭及兩臺單色高速攝像機(jī)組成， 攝像機(jī)記錄入射光強(qiáng)， 并結(jié)合比色測溫原理， 計算火球表面溫度， 該測溫儀動態(tài)特性好， 幀頻可達(dá)10 000 fps， 但是測溫量程有限， 難以滿足高能戰(zhàn)斗部測試的需求； 孫元等[21]在比色測溫基礎(chǔ)上研究了三色測溫法， 假設(shè)物體光譜發(fā)射率隨波長呈線性變化， 通過引入光譜發(fā)射率修正公式， 對傳統(tǒng)比色測溫方法進(jìn)行改進(jìn)， 減小了測溫誤差； 許仁翰等[22]也針對爆炸溫度場搭建了高速成像爆炸溫度場系統(tǒng)， 并應(yīng)用于溫壓彈爆炸溫度測量. 南京理工大學(xué)孔德仁課題組[5]針對高能戰(zhàn)斗部爆炸火球表面溫度測試， 搭建了基于高速相機(jī)的測試系統(tǒng)(如圖 3 所示)， 并對標(biāo)定方法、 測試精度展開研究， 該系統(tǒng)多次應(yīng)用于爆炸場測試， 獲得了較好的測試結(jié)果.

圖 3 基于高速相機(jī)的爆炸火球表面溫度測試系統(tǒng)

可見光測溫法可以測量爆炸火球高溫， 高速攝影設(shè)備幀頻高， 測試精度相對較高， 可獲取爆炸火球全過程. 但該方法目前的研究還不夠完善， 關(guān)于標(biāo)定方法和測試精度都需要進(jìn)一步分析.

2.1.2 存在的問題及發(fā)展分析

爆炸火球表面溫度變化迅速， 峰值溫度持續(xù)時間僅數(shù)十毫秒， 最高溫度達(dá)3 000 ℃， 對測試儀器的幀頻和測量范圍有一定要求.

紅外熱像儀測溫存在的主要問題是測試量程有限和幀頻較低， 難以準(zhǔn)確獲取爆炸火球變化過程； 光譜測溫雖然響應(yīng)速度快、 測溫量程高， 但受視場影響無法全面獲取爆炸火球溫度分布. 采用高速攝像機(jī)的可見光測溫法可以獲取火球溫度空間分布， 但標(biāo)定方法、 測試精度分析等研究還不夠深入.

在此基礎(chǔ)上， 由于各方法適用的光譜范圍不同， 今后可開展多光譜測試方法研究， 聯(lián)合多個光譜波段對火球表面溫度進(jìn)行測試. 同時， 開展爆炸火球三維分布測試研究， 對爆炸火球溫度場進(jìn)行三維重建也是爆炸火球研究的重要方向.

2.2 爆炸近場溫度測試

爆炸近場溫度是衡量熱作用的重要表征參量之一， 可反映爆炸產(chǎn)生的熱毀傷程度. 爆炸近場溫度一般采用接觸式測溫， 測溫元件與被測體接觸獲取測點的溫度數(shù)據(jù).

2.2.1 研究現(xiàn)狀

接觸式測溫一般采用熱電偶作為熱電轉(zhuǎn)換元件， 傳感器敏感元件與爆炸產(chǎn)物直接接觸進(jìn)行測試， 根據(jù)熱電偶輸出幅值查詢分度表獲取被測對象的溫度， 傳統(tǒng)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖如圖 4 所示.

圖 4 傳統(tǒng)熱電偶示意圖

熱電偶具有較高的測溫上限、 較好的熱電特性， 在爆炸場溫度測試中得到了廣泛應(yīng)用. 高能戰(zhàn)斗部近場沖擊波壓力高， 嚴(yán)重影響熱電偶的生存. 為了滿足耐壓能力要求， 國內(nèi)外對熱電偶測溫端結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究. Pearce等[23]通過在鉑絲中摻雜金屬鋯的方式改善了鉑銠熱電偶的高溫脆化問題， 該方法可以在不影響熱電特性的情況下提升熱電偶強(qiáng)度； 張茹開等[24]通過在熱電偶前方加裝滯止罩的方式降低沖擊波的強(qiáng)度， 提升熱電偶的存活概率. 針對熱電偶的響應(yīng)時間長的問題， 國內(nèi)學(xué)者將自適應(yīng)動態(tài)補(bǔ)償、 粒子群算法、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法應(yīng)用于熱電偶測溫系統(tǒng)動態(tài)補(bǔ)償數(shù)字濾波器的構(gòu)建中， 以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能. 數(shù)字濾波器雖然具有經(jīng)濟(jì)且靈活性強(qiáng)的優(yōu)點， 但是需要額外的數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)， 無法實時輸出測試結(jié)果， 不適用于高能戰(zhàn)斗部爆炸場溫度測試.

2.2.2 存在的問題及發(fā)展分析

目前， 爆炸場溫度測試存在以下問題：

1)高能戰(zhàn)斗部爆炸場溫度高， 超出傳統(tǒng)熱電偶分度表上限， 需要對熱電偶分度表進(jìn)行拓展；

2)熱電偶的響應(yīng)時間難以滿足高能戰(zhàn)斗部爆炸場測試需求， 應(yīng)繼續(xù)提升熱電偶動態(tài)特性；

3)機(jī)械沖擊、 振動、 熱滯流對熱電偶傳感器影響較大， 高溫會導(dǎo)致熱電偶氧化， 長時間測試可導(dǎo)致熱電偶失效.

綜上所述， 目前傳統(tǒng)熱電偶存在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低、 測溫范圍窄、 響應(yīng)時間長等問題， 無法滿足高能戰(zhàn)斗部測試的需求， 需要繼續(xù)從熱電偶結(jié)構(gòu)、 制備方法等多方面入手， 拓展熱電偶測溫范圍， 使其測溫上限滿足爆炸場溫度測試要求， 采用相應(yīng)工藝措施及動態(tài)補(bǔ)償技術(shù)提高熱電偶傳感器頻率響應(yīng)特性.

2.3 熱流密度測試

熱流密度是爆炸火球形成的熱輻射及高溫高速流場形成的熱對流的綜合， 是表征爆炸場熱作用強(qiáng)度的重要參量.

2.3.1 研究現(xiàn)狀

國外用于熱流密度測試的傳感器以美國ITI， RdF， Vatell， Medtherm等公司為代表， 美國NASA， AEDC、 德國DLR， RWTH、 俄羅期IPM， 日本NAL等研究機(jī)構(gòu)也針對熱流密度測量技術(shù)進(jìn)行了大量研究. 在國內(nèi)， 北京遙測技術(shù)研究所、 航天一院702所、 中電49所、 西安近代化學(xué)研究所、 南京理工大學(xué)均開展了熱流傳感器研制工作.

常見的熱流密度傳感器主要包括同軸熱電偶、 戈登計、 薄膜熱阻式熱流計及薄壁熱流計等. 同軸熱電偶主要用于測試對流換熱產(chǎn)生的熱流密度， 測試輻射熱流密度時精度有限； 戈登計作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器雖然精度高， 但主要用于測試輻射熱流密度； 薄膜熱阻式熱流計制作工藝復(fù)雜、 價格昂貴、 響應(yīng)時間較長， 不適合在爆炸場環(huán)境中使用. 相比較而言， 薄壁熱流計響應(yīng)時間短、 結(jié)構(gòu)簡單、 可靠性強(qiáng)， 可同時滿足熱輻射及熱對流測試的要求， 常被應(yīng)用于惡劣環(huán)境下的熱流密度測試， 傳統(tǒng)薄壁熱流計結(jié)構(gòu)如圖 5 所示.

圖 5 傳統(tǒng)薄壁熱流計結(jié)構(gòu)圖

薄壁熱流計是一種間接測量傳感器， 其測量精度主要取決于傳感層的熱傳導(dǎo)特性、 溫度傳感器精度及動態(tài)響應(yīng). 薄壁熱流計根據(jù)薄壁后壁面溫度， 結(jié)合相應(yīng)數(shù)學(xué)模型， 求解入射熱流密度. 為了提升熱流計響應(yīng)速度， 可通過改進(jìn)數(shù)學(xué)模型的方式， 如采用拉布拉斯轉(zhuǎn)換、 共軛梯度法等， 減小熱流計響應(yīng)時間， 提升熱流計動態(tài)特性.

除此之外， 近年來國內(nèi)針對爆炸場工況開展了大量關(guān)于熱流密度傳感器的研制和測試工作. 郭雨巖等[25]針對大當(dāng)量戰(zhàn)斗部， 設(shè)計了一種新型熱沉冷卻式熱流密度傳感器， 并對試驗結(jié)果進(jìn)行了分析； 張俊峰等[26]研制了熱容式熱流密度傳感器， 并將其應(yīng)用于密閉爆炸場、 火箭發(fā)動機(jī)尾焰測試等多個場景； 陳愛艷等[27]針對溫壓彈藥， 采用接觸法結(jié)合戈登型熱流傳感器， 設(shè)計了爆炸場熱流信號存儲測試系統(tǒng)， 并進(jìn)行了實爆測試.

目前， 熱流密度測試仍受諸多因素影響， 測試精度有待進(jìn)一步分析， 關(guān)于熱流密度傳感器的研制工作需繼續(xù)開展， 改善其動態(tài)范圍及響應(yīng)時間， 以適應(yīng)爆炸場測試環(huán)境.

2.3.2 存在的問題及發(fā)展分析

目前， 熱流密度傳感器存在或多或少的缺點， 相比之下， 薄壁熱流計更適用于爆炸場環(huán)境的熱流密度測試. 由于爆炸場環(huán)境惡劣， 熱流密度持續(xù)時間短， 對傳感器的耐壓能力、 響應(yīng)時間和測量范圍都提出了較高要求. 在之后的研究中需繼續(xù)對熱流密度傳感器的動態(tài)范圍、 響應(yīng)時間、 生存能力以及標(biāo)定方法開展研究， 研制適用于高能戰(zhàn)斗部爆炸場熱流密度測試的傳感器及測試系統(tǒng).

3 破片速度及飛散特性測試

破片根據(jù)其形成機(jī)理分為自然破片、 可控破片、 預(yù)制破片等主要形式， 破片參量測試主要為破片速度和破片飛散特性測試.

3.1 破片速度測試

根據(jù)測試裝置的特點， 破片測速方法分為接觸式和非接觸式兩類， 接觸式測量法包括鋁箔靶、 梳狀靶、 網(wǎng)靶等， 非接觸式測量包括光幕靶、 天幕靶、 雷達(dá)測速法以及高速攝影法等.

接觸式測試大多采用鋁箔靶或梳狀靶， 國內(nèi)開展了大量研究. 楊桂紅等[28]采用梳狀靶法測量了全預(yù)制鎢合金破片的飛行速度， 并將試驗結(jié)果與高精度光幕靶結(jié)果進(jìn)行了對比； 錢禮華等[29]在梳狀靶的基礎(chǔ)上研制了存儲式彈丸破片速度測試裝置， 該裝置體積小， 不需要長信號線， 減少了干擾.

接觸式測試作為一種較為成熟的測試方法， 廣泛應(yīng)用于爆炸場測試中， 但該方法立靶布設(shè)繁瑣， 且破片穿靶時測試裝置會對破片速度造成一定影響.

非接觸式測試方法常用的有雷達(dá)測速法、 光幕靶法以及高速攝影法. 雷達(dá)測速法是指雷達(dá)發(fā)射固定頻率的脈沖波對空掃描時， 根據(jù)多普勒頻率的大小， 可測出目標(biāo)對雷達(dá)的徑向相對運動速度. 楊勇[30]提出， 采用毫米波陣列雷達(dá)對近場破片速度進(jìn)行測量， 設(shè)計了毫米波破片速度參數(shù)測量系統(tǒng)并進(jìn)行了試驗； 杜詩泓[31]為克服傳統(tǒng)雷達(dá)對高機(jī)動微小目標(biāo)觀測時間分辨率不足的缺點， 開展了基于連續(xù)波雷達(dá)的技術(shù)研究和系統(tǒng)設(shè)計， 并進(jìn)行外場測試， 驗證了實際雷達(dá)系統(tǒng)工作的有效性. 針對光幕靶法， 王紅宇等[32]對紅外光幕靶進(jìn)行改進(jìn)， 搭建了適用于彈丸速度測試的測速系統(tǒng)； 楊久琪等[33]提出了一種基于主動光幕陣列的破片速度測量方法， 可不暴露于破片殺傷范圍內(nèi)獲取水平方向入射的破片速度. 高速攝像機(jī)拍攝頻率較高， 可實現(xiàn)對高速運動目標(biāo)運動過程的記錄， 通過拍攝的影像判讀實際速度， 如杜博軍等[34]提出了基于高速攝影視覺測量的靜爆破片運動參數(shù)測試方法， 給出了雙目視覺測量的方案.

非接觸式測試方法雖然規(guī)避了測試裝置對破片穿靶的影響， 但各方法仍存在較多問題， 具體將在3.3小節(jié)詳細(xì)討論.

3.2 破片飛散特性測試

破片飛散特性主要包括有效破片總數(shù)、 破片的飛散角、 飛散方向角和分布密度等參數(shù)， 測試方法分為接觸式和非接觸式兩大類， 接觸式方法是指利用設(shè)立靶板獲取通過靶板截面的破片分布特性； 非接觸式方法主要是利用虛擬靶、 X射線攝影設(shè)備、 高速攝影等裝置獲取破片分布特性.

接觸式主要采用立靶法， 即在距離戰(zhàn)斗部一定距離處破片飛散區(qū)域一定角度內(nèi)樹立靶板進(jìn)行破片飛散特性測試. 2001年， 美國物理科技公司采用電子靶板開展一體化裝置研究， 對破片分布進(jìn)行測試， 并應(yīng)用于空軍基地破片測試中； 王林等[35]針對大當(dāng)量殺傷戰(zhàn)斗部破片飛散特性， 在球形靶的基礎(chǔ)上開展了矩形靶、 L形靶試驗方法研究， 并應(yīng)用于靶場測試和評估. 人工判讀靶板費時費力， 且坐標(biāo)轉(zhuǎn)換復(fù)雜， 獲得的飛散角及分布密度精度不高， 因此， 有研究者采用相機(jī)拍攝試驗靶板， 對試驗前后圖像進(jìn)行比對， 根據(jù)爆心坐標(biāo)、 靶板坐標(biāo)系的統(tǒng)一， 求取飛散角及分布密度， 如李明富等[36]針對戰(zhàn)斗部靜爆試驗分析， 開展了圖像識別技術(shù)研究， 并開發(fā)了靶板破孔識別分析程序. 唐詩等人[37]針對戰(zhàn)斗部靜爆破片群設(shè)計了一種新型陣列式梳狀靶測試系統(tǒng)， 通過對陣列單元的合理設(shè)計， 建立坐標(biāo)系計算破片群的飛散特性.

接觸式測試方法最大的問題是布場復(fù)雜， 且只能單次試驗使用， 耗費大量人力物力.

針對非接觸式測試方法， 美國陸軍在阿伯丁試驗場采用測速雷達(dá)、 高速相機(jī)和纖維靶板構(gòu)建的系統(tǒng)， 獲取了戰(zhàn)斗部破片參數(shù)， 并進(jìn)行了毀傷威力分析； 美國發(fā)起的SBIR項目[38]中， 利用高速成像技術(shù)和3D運動目標(biāo)空間追蹤技術(shù)， 對破片的運動參數(shù)進(jìn)行了重建； 美國桑迪亞實驗室[39]采用閃光X射線和高速攝影技術(shù)， 對破片飛散過程進(jìn)行了測試， 利用數(shù)字圖像技術(shù)對破片場進(jìn)行3D重構(gòu). 在國內(nèi)， 唐孝容等[40]設(shè)計并組建了陣列式光幕靶測試系統(tǒng)， 用于測試破片群飛散特性； 陳君等[41]針對戰(zhàn)斗部破片空間分布測試， 提出了一種結(jié)合激光輔助照明和原向反射技術(shù)的高速線陣相機(jī)交匯測試方法.

非接觸式測量裝置可重復(fù)使用， 節(jié)省了立靶的人力物力， 但測試設(shè)備都較昂貴， 需要對其布場防護(hù)重視.

3.3 存在的問題及發(fā)展分析

破片速度測試主要存在以下問題：

1)接觸式測試布場方式繁瑣， 裝置放于爆炸場不易于防護(hù)， 僅能單次使用； 測試裝置會影響破片的運動， 破片過靶時會產(chǎn)生速度衰減， 為提高測量準(zhǔn)確性， 應(yīng)研究裝置對破片速度測量的影響規(guī)律， 并對測試裝置改進(jìn)減小影響；

2)雷達(dá)測速法在破片群數(shù)量多、 破片速度變化大、 飛散方向多的情況下， 回波信號復(fù)雜， 信號分析困難；

3)光幕靶法對背景光照、 測量環(huán)境要求較高， 多破片同時穿靶的速度測量存在一定困難；

4)高速攝影法對破片群識別難度較大， 還需研究圖像標(biāo)定方法及噪聲信號剔除等問題， 對高速攝像機(jī)位置布設(shè)和目標(biāo)提取跟蹤算法進(jìn)行研究， 實現(xiàn)對破片群的速度測試.

針對破片飛散特性， 接觸式測試主要問題在于靶板布場設(shè)計及安裝， 若采用拍攝照片圖像識別的方法， 則需對破片圖像處理及數(shù)據(jù)分析進(jìn)行研究； 非接觸式中， 光幕靶法主要用于大尺寸破片測量， 針對小破片群分布測試的研究還不夠完善； 高速攝像交會測量破片飛散特性處于起步階段， 存在密集目標(biāo)圖像辨識困難， 易受環(huán)境影響等問題， 如何跟蹤和提取微小目標(biāo)是破片參量測試的研究重點. 同時， 現(xiàn)有的破片飛散特性測試多是測量某個截面或投影平面的破片參量， 破片三維空間分布測試研究還需進(jìn)一步開展.

4 結(jié) 論

針對高能戰(zhàn)斗部威力測試， 本文對沖擊波壓力、 熱作用參量、 破片參量測試技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納與總結(jié)， 分析了各方法存在的問題， 探討了威力參量測試發(fā)展方向， 可以看出， 高能戰(zhàn)斗部測試技術(shù)正朝著綜合化、 精確化、 穩(wěn)定化的方向發(fā)展.

目前， 高能戰(zhàn)斗部威力測試仍存在一些問題， 需要進(jìn)一步研究：

1) 沖擊波壓力參量測試仍采用常規(guī)方法， 測試方法不統(tǒng)一， 系統(tǒng)抗干擾能力較差， 寄生效應(yīng)嚴(yán)重， 會造成測不出、 測不準(zhǔn)的情況， 需要對傳感器安裝工藝、 壓力校準(zhǔn)方法、 寄生效應(yīng)抑制繼續(xù)開展研究；

2) 熱作用參量測試中， 各參量測試均存在環(huán)境適應(yīng)性較差、 測量范圍有限、 響應(yīng)時間較長等問題， 應(yīng)繼續(xù)開展各參量測試方法和相關(guān)測試設(shè)備的研究， 準(zhǔn)確全面地獲取熱作用場的時空分布；

3) 破片參量測試中， 各方法存在一定局限性， 對于密集微小破片群的測試仍需繼續(xù)研究， 并進(jìn)一步開展破片三維空間分布測試研究.

目前， 高能戰(zhàn)斗部威力參量測試所使用的測試設(shè)備(如傳感器、 信號調(diào)理器、 高溫測試設(shè)備等)大量采購國外進(jìn)口設(shè)備， 一些高性能設(shè)備如高幀頻紅外熱像儀、 高速攝像機(jī)在國內(nèi)的研制無法滿足測試需求， 因此迫切需要開展測試設(shè)備的自主研發(fā)工作， 研制適用于高能毀傷工況下的高精度高性能測試設(shè)備.