CN111912303B - 一种热刺激弹药装药点火及其反应增长全过程测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种热刺激弹药装药点火及其燃烧反应增长全过程测试系统，从预热、点火、燃烧各个阶段同时对弹体温度、装药温度、弹体内部压力以及膨胀速率进行监控，实现了约束弹体装药在热刺激下的温度变化、点火响应、内部压力变化历史以及壳体膨胀速率的同步测量，并具有良好的测量精度，解决热刺激下装药响应、点火后燃烧增长机制研究和反应烈度评估缺少全过程多参量完整系统量化数据的难题，可促进不敏感弹药基数的进步，具有良好的社会和经济效益。

Description

一种热刺激弹药装药点火及其反应增长全过程测试系统

技术领域

本发明属于不敏感弹药基础研究技术领域，尤其涉及一种热刺激弹药装药点火及其反应增长全过程测试系统。

背景技术

弹药在存储、运输或服役等全寿命过程中，不免会遭遇火烧或长期暴露在高温环境等意外热刺激，引发弹药装药点火燃烧，直至爆炸甚至转变为爆轰等典型非冲击点火事故，造成灾难性后果。这种非冲击点火事故反应演化过程非常复杂，受约束结构强度、惯性约束能力、炸药固有本征燃烧特性和裂纹发展演化等多种因素影响，准确系统同步获得弹药高温刺激下的装药响应温度变化规律、点火后内部压力增长历史以及对外的能量释放和作功规律，是研究了解弹药装药非冲击点火事故反应起始发生条件、灾变演化行为以及灾害后果量化评估的重要依据，而系统合理的试验设计和精密测试方法是进行上述研究不可或缺技术前提和物质保障。温度刺激下弹药装药点火、燃烧、直至爆炸过程，壳体上的温度高达270-300℃，弹体内部压力可达800-1200MPa，壳体破碎后速度可达几十米/秒，有时甚至达到千米/秒。由于上述过程复杂，环境恶劣，典型物理过程变化时间上跨2-3个量级，压力变化和速度变化同样属于跨量级状态，给多物理量同步测试技术带来了新的挑战，同时目前市场上最好的压力传感器包括进口传感器，也无法满足在如此高温环境下的高压测量，因此需针对上述问题需求发展特殊的试验测试技术和系统。

现有测试系统中主要有炸药烤燃试验系统和强约束球形装药反应烈度表征实验系统。炸药烤燃试验系统主要由烤燃弹、加热套、温控系统、热电偶、温度记录仪组成，其工作原理为加热套和温控系统以设定的升温速率给烤燃弹加热，直至发生剧烈反应为止；期间安装在炸药中心和烤燃弹外表面的热电偶，通过温度记录仪分别记录药柱中心和烤燃弹外表面温度随时间的变化，获得炸药发生点火的时间。强约束球形装药反应烈度表征实验系统主要由强约束球形装药实验装置、中心点火装置、弹体内部压力测试系统、PDV测试系统等组成，其工作原理为中心点火装置点火，装药点火燃烧产生裂纹，火焰在裂纹中燃烧并传播，产生高温高压气体，压力测试系统测量弹体内部压力变化，PDV测试系统测量弹体变形加速过程，直至弹体破裂失效，试验结束。上述系统虽然可得到热刺激装药的响应和点火后燃烧反应增长数据，但是得到的数据只是分别对应某个阶段，不能形成全过程完整的数据链，对烤燃事故的灾变机制研究具有较大的局限性。

发明内容

为解决热刺激下装药响应、点火后燃烧增长机制研究和反应烈度评估缺少全过程多参量完整系统量化数据的问题，本发明提供一种热刺激弹药装药点火及其反应增长全过程测试系统，实现了约束弹体装药在热刺激下的温度变化、点火响应、内部压力变化历史以及壳体膨胀速率的同步测量，并具有良好的测量精度。

一种热刺激弹药装药点火及其反应增长全过程测试系统，包括烤燃试验弹、加热模块、温度测试模块、压力测试模块、PDV测试模块、冷却模块以及处理模块，其中，烤燃试验弹包括弹体11和装药12；

所述加热模块用于以设定的温升速率加热弹体，使得弹体内部装药的温度随之升高，直到温度达到装药12的燃点从而发生点火燃烧；

所述温度测试模块用于实时测量弹体11和装药12的温度；

所述压力测试模块用于测量装药12发生点火燃烧至弹体破裂期间的弹体11内部压力；

所述冷却模块用于转移压力测试模块在测试弹体11内部压力时，从弹体11和装药12吸收的热量；

所述PDV测试模块用于从装药12发生点火燃烧至弹体11破裂期间，测量弹体11外表面与PDV测试模块之间发生的位移；

所述处理模块用于根据弹体外表面与PDV测试模块之间的位移获取弹体11在装药12发生点火燃烧后的膨胀速率，进而得到点火全过程中弹体温度、装药温度、弹体内部压力以及弹体膨胀速率之间的变化关系。

进一步地，所述加热模块包括加热套21、温控传感器22以及温度控制仪23；

所述加热套21包裹弹体11，用于对弹体11进行加热；

所述温控传感器22安装于加热套21与弹体11之间，用于测量弹体11外表面的温度；

所述温度控制仪23用于根据弹体11外表面的温度控制自身的输出电流的大小，以此控制加热套21的温升速率。

进一步地，所述温度测试模块包括弹体热电偶31、装药热电偶32以及温度记录仪33；

所述弹体热电偶31安装于加热套21与弹体11之间，用于测量弹体11外表面的温度；

所述装药热电偶32安装于装药12内部，用于测量装药12的温度；

所述温度记录仪33用于记录弹体11外表面的温度与装药12的温度随时间变化的数据。

进一步地，所述烤燃试验弹还包括法兰盖13和螺栓14，且法兰盖13上开有温度测试孔，并通过螺栓14安装于弹体11的开口上，以实现装药12的封装；

所述装药热电偶32通过所述温度测试孔穿过法兰盖13到达装药12内部。

进一步地，所述烤燃试验弹还包括法兰盖13，且法兰盖13上开有压力测试螺纹孔；所述压力测试模块包括压力传感器41、电荷放大器42以及示波器43；

所述压力传感器41安装于压力测试螺纹孔中，用于测量装药发生点火燃烧至弹体破裂期间的弹体内部压力，并将弹体内部压力转换为电荷信号；

所述电荷放大器42用于将电荷信号转换为电压信号；

所述示波器43用于采集并贮存所述电压信号。

进一步地，所述烤燃试验弹还包括法兰盖13，且法兰盖13上开有压力测试螺纹孔；所述冷却模块包括测压堵螺61、测压压螺62、进液管63、出液管64以及冷却液65；

所述测压堵螺61安装于压力测试螺纹孔中，同时，测压堵螺61的上端面开有环形槽，侧面设有外螺纹，中部开有通孔，其中，测压堵螺61上半部的外螺纹与测压压螺62内部设置的内螺纹连接，以实现测压压螺62对测压堵螺61上设置的环形槽进行密封；

所述测压压螺62上开有与测压堵螺61的通孔同轴的中心孔，则压力传感器41通过所述中心孔安装于所述通孔中，同时，测压压螺62沿其径向还向外延伸有环形面，且环形面上正对所述环形槽的位置开设有两个对称的螺纹孔，进液管63和出液管64分别通过所述螺纹孔安装于测压压螺62上，并与测压堵螺61的环形槽连通，分别形成冷却液65的流进通道和流出通道。

进一步地，所述PDV测试模块包括PDV探头51、光纤52、PDV控制仪53以及高性能示波器54；

所述PDV探头51垂直对准弹体11外表面；

所述PDV控制仪53用于在压力测试模块提供的弹体内部压力的触发下发射激光，激光通过光纤52传输到PDV探头51，再经由PDV探头51入射到弹体11外表面；

所述PDV探头51还用于接收弹体11外表面的反射激光，反射激光经由光纤52回到PDV控制仪53，再经由PDV控制仪53转换为电压信号；

所述高性能示波器54用于采集并存贮所述电压信号，然后根据电压信号得到弹体外表面与PDV测试模块之间的位移。

有益效果：

本发明提供的一种热刺激弹药装药点火及其燃烧反应增长全过程测试系统，从预热、点火、燃烧各个阶段同时对弹体温度、装药温度、弹体内部压力以及膨胀速率进行监控，实现了约束弹体装药在热刺激下的温度变化、点火响应、内部压力变化历史以及壳体膨胀速率的同步测量，并具有良好的测量精度，解决热刺激下装药响应、点火后燃烧增长机制研究和反应烈度评估缺少全过程多参量完整系统量化数据的难题，可促进不敏感弹药基数的进步，具有良好的社会和经济效益。

附图说明

图1为本发明提供的一种热刺激弹药装药点火及其反应增长全过程测试系统的结构框图；

图2为本发明提供的一种热刺激弹药装药点火及其反应增长全过程测试系统的结构图；

11-弹体、12-装药、13-法兰盖、14-螺栓、21-加热套、22-温控传感器、23-温度控制仪、24-电缆、25-供电线、31-弹体热电偶、32-装药热电偶、33-温度记录仪、34-电缆、41-压力传感器、42-电荷放大器、43-示波器、44-低噪声电缆、51-PDV探头、52-光纤、53-PDV控制仪、54-高性能示波器、55-信号电缆、56-同步线、61-测压堵螺、62-测压压螺、63-进液管、64-出液管、65-冷却液。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种热刺激弹药装药点火及其反应增长全过程测试系统，包括烤燃试验弹、加热模块、温度测试模块、压力测试模块、PDV测试模块、冷却模块以及处理模块，其中，烤燃试验弹包括弹体11和装药12；

所述加热模块用于以设定的温升速率加热弹体，使得弹体内部装药的温度随之升高，直到温度达到装药的燃点从而发生点火燃烧，弹体破裂；

所述温度测试模块用于实时测量弹体和装药的温度；

所述压力测试模块用于测量装药发生点火燃烧至弹体破裂期间的弹体内部压力；

所述冷却模块用于转移压力测试模块在测试弹体内部压力时，从弹体和装药吸收的热量；

所述PDV测试模块用于在装药发生点火燃烧至弹体破裂期间，测量弹体外表面与PDV测试模块之间的位移；

所述处理模块用于根据弹体外表面与PDV测试模块之间的位移获取弹体在装药发生点火燃烧后的膨胀速率，进而得到点火全过程中弹体温度、装药温度、弹体内部压力以及弹体膨胀速率之间的变化关系。

下面给出各模块的具体实现方式，如图2所示，烤燃试验弹由弹体11、装药12、法兰盖13、螺栓14组成，用于装填密封炸药装药，模拟弹药响应；法兰盖13开有压力测试螺纹孔，用于安装测压堵螺61；法兰盖13开有温度测试孔，用于装药热电偶32穿过法兰盖13到达装药12内部。

加热模块由加热套21、温控传感器22、温度控制仪23、电缆24、供电线25组成，用于加热烤燃试验弹装置；加热套21包裹弹体11，在加热套21与弹体11之间安装温控传感器22，加热套21、温控传感器22与温度控制仪23通过电缆24连接，温度控制仪23根据温控传感器22的温度控制加热套21电流，控制烤燃试验弹装置升温速率。

温度测试模块由弹体热电偶31、装药热电偶32、温度记录仪33、电缆34组成，用于测量记录烤燃过程弹体外表面和装药内部温度随时间变化；弹体热电偶31安装在加热套21与弹体11之间，装药热电偶32安装在装药12内部设计位置，并通过电缆与温度记录仪33连接，测量记录弹体11外表面和装药12内部温度随时间变化数据。

压力测试模块由压力传感器41、电荷放大器42、示波器43、低噪声电缆44组成，用于测量烤燃试验弹内部装药点火后压力快速增长变化历史；压力传感器41通过传感器螺纹固定安装在测压堵螺61中心的测试孔中，通过电缆与电荷放大器42连接，电荷放大器42再通过信号电缆连接到作为记录仪的示波器43上，另外，示波器43上的触发信号输出端通过同步线56与PDV控制仪53的触发输入端连接；当压力传感器41感受到压力，压力传感器41输出的电荷通过低噪声电缆44传输到电荷放大器42，电荷放大器42把电荷信号转换成电压信号，并通过电缆传输给作为记录仪的示波器43，记录仪采集存储电压信号，同时通过同步线触发PDV控制仪53，根据压力传感器41灵敏度系数，可得到压力时间历史，完成测量。

PDV测试模块由PDV探头51、光纤52、PDV控制仪53、高性能示波器54、信号电缆55、同步线56组成，用于测量烤燃试验弹壳体在点火后的膨胀速度时间历史；该PDV测试模块为非接触测量，PDV探头51垂直对准被测弹体表面，距测弹体11表面20-50mm，PDV探头51通过光纤与PDV控制仪53连接，PDV控制仪53的信号输出端通过信号电缆55与高性能示波器54连接，PDV控制仪53的触发输入端通过同步线56与压力测试模块连接。当PDV控制仪53接受到压力测试模块的触发信号，即压力信号时，PDV控制仪53发射激光，通过光纤52传到测弹体11表面发生反射，PDV探头51接受到反射激光，并通过光纤52传输到PDV控制仪53，通过光电转换后的电压信号，由信号电缆55传输到记录仪，记录仪采集存贮电压信号，通过专用处理软件可得到烤燃试验弹壳体在点火后的膨胀速度时间历史。

冷却模块由测压堵螺61、测压压螺62、进液管63、出液管64、冷却液65组成，用于烤燃试验时控制压力传感器的温度不超过传感器的耐温上限；测压堵螺上端面开有与传感器一样深度的环形槽，侧面设有外螺纹，中部开有通孔，测压堵螺上半部外螺纹与测压压螺的内螺纹连接，以实现测压压螺62对测压堵螺61上设置的环形槽进行密封，形成环形内部空腔；所述测压压螺62上开有与测压堵螺61的通孔同轴的中心孔，则压力传感器41通过所述中心孔安装于所述通孔中，同时，测压压螺62沿其径向还向外延伸有环形面，且环形面上正对所述环形槽的位置开设有两个对称的螺纹孔，进液管63和出液管64通过螺纹与测压压螺62连接，与测压堵螺61的环形槽连通，形成液体流进、流出通道；当开启冷却液时，冷却液65通过进液管63进入环形内部空腔内，再通过出液管64流出，带走热量，有效控制压力传感器41周围介质的温度。压力传感器冷却模块通过测压堵螺61的前端螺纹与烤燃试验弹的压力测试螺纹通孔连接，与压力测试模块一起实现烤燃试验高温过程对弹体内部装药点火燃烧直至壳体失效全过程的压力历史测量。

本系统的具体工作过程如下：

开始烤燃试验时，温度控制仪23通过供电线25给加热套21供电使其温度升高,热量通过热传导进入弹体11，进而进入装药12，使弹体11和装药12温度升高，温度控制仪23根据电缆25提供的温控传感器22反馈的温度数据控制输出电流，完成对加热套21的温度升高的控制，使烤燃试验弹外表面以设定的温升速率升温；

从加热套21开始加热之前启动温度测试模块采集模式，弹体热电偶31和装药热电偶32把测点温度通过电缆34传输给温度记录仪33，温度记录仪33采集存贮烤燃试验过程弹体11和装药12的温度变化，直至发生点火燃烧，弹体破裂。

适时开启冷却液65输入开关，冷却液65通过进液管63注入，达到测压堵螺61与测压压螺62形成的环形槽内，冷却液65通过出液管64流出带走热量，起到冷却测压堵螺61中心局部位置的作用，直至试验结束。

当试验弹内部装药12局部温度达到点火温度时，装药12局部点火燃烧，产生高温高压气体，由于烤燃试验弹内部是由弹体11和法兰盖13通过螺栓14连接而成的密闭容器，产生高温气体使烤燃试验弹内部压力增高，进一步加速燃烧速率，产生更高的压力，高压气体通过测压堵螺61的测试孔达到压力传感器41位置，压力传感器41感受到压力产生电荷，电荷通过低噪声电缆44传输到电荷放大器42，电荷放大器42把电荷转换成电压，并通过低噪声电缆44传输给示波器43，示波器43采集存贮电压信号，当电压信号达到设定值时，示波器43通过同步线56触发PDV测试模块，当弹内压力超过烤燃试验弹的破坏强度，弹体破坏，测试完成。

当PDV控制仪53通过同步线56接受到压力测试模块的触发信号，PDV控制仪53发射激光，通过光纤52传到测弹体表面发生反射，PDV探头51接受到反射激光，并通过光纤52传输到PDV控制仪53，通过光电转换后的电压信号，由信号电缆55传输到高性能示波器54，高性能示波器54采集存贮电压信号，通过专用处理软件可得到烤燃试验弹壳体在点火后的膨胀速度时间历史，直至弹体破坏，测试结束。

由此可见，本发明能够应用于约束弹体装药在热刺激下的温度变化、点火响应、内部压力变化历史、及壳体膨胀速率的同步测量，解决了热刺激下装药响应、点火后燃烧增长机制研究和反应烈度评估缺少全过程多参量完整系统量化数据的问题。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种热刺激弹药装药点火及其反应增长全过程测试系统，其特征在于，包括烤燃试验弹、加热模块、温度测试模块、压力测试模块、PDV测试模块、冷却模块以及处理模块，其中，烤燃试验弹包括弹体(11)、装药(12)以及法兰盖(13)，且法兰盖(13)上开有压力测试螺纹孔；所述压力测试模块包括压力传感器(41)、电荷放大器(42)以及示波器(43)；所述冷却模块包括测压堵螺(61)、测压压螺(62)、进液管(63)、出液管(64)以及冷却液(65)；

所述加热模块用于以设定的温升速率加热弹体，使得弹体内部装药的温度随之升高，直到温度达到装药(12)的燃点从而发生点火燃烧；

所述温度测试模块用于实时测量弹体(11)和装药(12)的温度；

所述压力传感器(41)安装于压力测试螺纹孔中，用于测量装药(12)发生点火燃烧至弹体破裂期间的弹体(11)内部压力，并将弹体内部压力转换为电荷信号；所述电荷放大器(42)用于将电荷信号转换为电压信号；所述示波器(43)用于采集并贮存所述电压信号；

所述冷却模块用于转移压力测试模块在测试弹体(11)内部压力时，从弹体(11)和装药(12)吸收的热量，具体为：所述测压堵螺(61)安装于压力测试螺纹孔中，同时，测压堵螺(61)的上端面开有环形槽，侧面设有外螺纹，中部开有通孔，其中，测压堵螺(61)上半部的外螺纹与测压压螺(62)内部设置的内螺纹连接，以实现测压压螺(62)对测压堵螺(61)上设置的环形槽进行密封；

所述测压压螺(62)上开有与测压堵螺(61)的通孔同轴的中心孔，则压力传感器(41)通过所述中心孔安装于所述通孔中，同时，测压压螺(62)沿其径向还向外延伸有环形面，且环形面上正对所述环形槽的位置开设有两个对称的螺纹孔，进液管(63)和出液管(64)分别通过所述螺纹孔安装于测压压螺(62)上，并与测压堵螺(61)的环形槽连通，分别形成冷却液(65)的流进通道和流出通道；

所述PDV测试模块用于从装药(12)发生点火燃烧至弹体(11)破裂期间，测量弹体(11)外表面与PDV测试模块之间发生的位移；

所述处理模块用于根据弹体外表面与PDV测试模块之间的位移获取弹体(11)在装药(12)发生点火燃烧后的膨胀速率，进而得到点火全过程中弹体温度、装药温度、弹体内部压力以及弹体膨胀速率之间的变化关系。

2.如权利要求1所述的一种热刺激弹药装药点火及其反应增长全过程测试系统，其特征在于，所述加热模块包括加热套(21)、温控传感器(22)以及温度控制仪(23)；

所述加热套(21)包裹弹体(11)，用于对弹体(11)进行加热；

所述温控传感器(22)安装于加热套(21)与弹体(11)之间，用于测量弹体(11)外表面的温度；

所述温度控制仪(23)用于根据弹体(11)外表面的温度控制自身的输出电流的大小，以此控制加热套(21)的温升速率。

3.如权利要求1所述的一种热刺激弹药装药点火及其反应增长全过程测试系统，其特征在于，所述温度测试模块包括弹体热电偶(31)、装药热电偶(32)以及温度记录仪(33)；

所述弹体热电偶(31)安装于加热套(21)与弹体(11)之间，用于测量弹体(11)外表面的温度；

所述装药热电偶(32)安装于装药(12)内部，用于测量装药(12)的温度；

所述温度记录仪(33)用于记录弹体(11)外表面的温度与装药(12)的温度随时间变化的数据。

4.如权利要求1所述的一种热刺激弹药装药点火及其反应增长全过程测试系统，其特征在于，所述烤燃试验弹还包括法兰盖(13)和螺栓(14)，且法兰盖(13)上开有温度测试孔，并通过螺栓(14)安装于弹体(11)的开口上，以实现装药(12)的封装；

所述装药热电偶(32)通过所述温度测试孔穿过法兰盖(13)到达装药(12)内部。

5.如权利要求1所述的一种热刺激弹药装药点火及其反应增长全过程测试系统，其特征在于，所述PDV测试模块包括PDV探头(51)、光纤(52)、PDV控制仪(53)以及高性能示波器(54)；

所述PDV探头(51)垂直对准弹体(11)外表面；

所述PDV控制仪(53)用于在压力测试模块提供的弹体内部压力的触发下发射激光，激光通过光纤(52)传输到PDV探头(51)，再经由PDV探头(51)入射到弹体(11)外表面；

所述PDV探头(51)还用于接收弹体(11)外表面的反射激光，反射激光经由光纤(52)回到PDV控制仪(53)，再经由PDV控制仪(53)转换为电压信号；

所述高性能示波器(54)用于采集并存贮所述电压信号，然后根据电压信号得到弹体外表面与PDV测试模块之间的位移。

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