CN112013728A - 一种射流高速碰撞靶板产生碎片云瞬态过程的实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种射流高速碰撞靶板产生碎片云瞬态过程的实验观测方法，该方法中，起爆药引爆主炸药爆轰压垮药型罩形成射流，同时给同时分幅扫描相机一个触发信号，当触发信号达到同时分幅扫描相机设定触发值时，打开同时分幅扫描相机快门，拍摄分幅图像和扫描图像；最终，分幅扫描相机的分幅部分获得试验过程中的分幅图像数据，扫描部分获得试验过程中的扫描图像数据。本发明的实验观测方法，可清晰地获取到射流高速碰撞靶板瞬态过程中射流运动状态、碰靶过程和碎片云及冲击波发展过程图像信息，同时通过扫描图像能获得射流速度、碎片云扩散速度和冲击波速度等具体曲线值，从而实现对瞬态过程较全面的描述。

Description

一种射流高速碰撞靶板产生碎片云瞬态过程的实验方法

技术领域

本发明属于爆炸与毁伤领域，涉及高速碰撞瞬态过程，具体涉及一种射流高速碰撞靶板产生碎片云瞬态过程的实验观测方法。

背景技术

金属弹丸以超过3km/s的速度撞击薄板时，会造成薄板穿孔并自身发生破碎，在板前后两侧分别产生反溅碎片云和穿透碎片云。采用二级轻气炮，目前已实现将克级弹丸加载到10km/s速度。聚能射流主要通过主装药起爆后产生爆轰波加载药型罩，可形成速度更高的高速射流，具有更强的穿靶能力。相较于弹丸高速碰靶产生碎片云，射流高速碰靶的研究相对较少，目前的研究工作主要集中于。为观测碎片云的所进行的超高速撞击实验中，主要采用闪光X射线摄影技术，通过X射线对碎片云的多次照射，获得碎片云扩散的情形。例如，Piekutowski AJ.(Debris clouds generated by hypervelocity impact ofcylindrical projectiles with thin aluminum plates.International Journal ofImpact Engineering,1987,5(1):509-518.)借助闪光X射线照相拍摄了大量的碎片云照片，成为后续大量理论和模拟研究的基础。然而，闪光X射线摄影技术仅能获取射流某一时刻的运动位置，难于获取连续的射流运动速度，同时X光摄影难以获得瞬态过程中冲击波等其他信息。基于相似的物理机理，射流高速碰撞薄靶同意会产生碎片云，然而目前开展的实验尚未实现对射流高速碰靶产生碎片云的拍摄。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种射流高速碰撞靶板产生碎片云瞬态过程的实验观测方法，解决现有技术中的实验方法难以对射流高速碰撞靶板产生碎片云瞬态过程进行全面和准确的描述的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种射流高速碰撞靶板产生碎片云瞬态过程的实验观测方法，该方法将射流高速碰撞靶板系统布置于爆炸场所中，该方法包括以下步骤：

步骤一、布设同时分幅扫描相机系统和激光照明系统，通过调整反射平面镜，保证激光光路穿过爆炸防护窗口进入同时分幅扫描相机系统视场正中心；

步骤二，布设射流发射装置和靶板，保证靶板水平、射流垂直入射靶板，同时保证射流碰靶区域位于同时分幅扫描相机系统视场内、射流轴线与视场左右对称线重合；

步骤三，在主炸药上安装触发探针，触发探针通过触发线连接到相机系统，测量并记录触发探针到药型罩下端面的距离H₁和药型罩下端面到靶板上端面的距离H₂，H₁小于药型罩高度H₀；

步骤四，在同时分幅扫描相机系统视场内放置标志物，通过对比标志物实际尺寸和在同时分幅扫描相机系统视场内的尺寸，确定比例尺，计算获得靶板上端面到视场顶部的距离H₃；

步骤五，计算射流进入视场时刻距离主炸药爆轰波到达触发探针时刻的时间差ΔT，为同时分幅扫描相机系统的延时设置将以ΔT为参考时间差，计算公式为：

式中，V_j为射流预估平均速度；

步骤六，将雷管插入主炸药顶部的起爆药柱中，雷管尾端通过起爆线连接到延时起爆器，同时延时起爆器连接到激光照明系统的触发电路；

步骤七，通过延时起爆器产生脉冲信号打开激光光源并引爆雷管，主炸药起爆后压垮药型罩形成弹丸，同时触发探针给同时分幅扫描相机系统触发信号，当触发信号达到相机设定触发值时，打开相机快门，获取分幅图像和扫描图像；

步骤八，分幅图像数据处理：

对比分幅获得的两幅图像之间的信息，除以时间间隔，获得射流入射速度、出靶速度、碎片云扩散速度和冲击波速度信息；

步骤九，扫描图像数据处理：

步骤901，提取扫描图像中连续的数据点，在拐点处增加同等距离判读处的多个数据点；

步骤902，计算扫描图像上成像的放大比，计算公式为：

α＝L_X/L_a

β＝L_Y/L_b

式中，α和β分别为X、Y方向的放大比，L_X和L_Y分别为X和Y方向的标尺长度，L_a和L_b分别为扫描图像上标尺像的尺寸；

步骤903，将扫描图像上的空间二维信息转化为时间-空间坐标中的信息：

将通过X方向的放大倍数α，结合扫描图像上的狭缝间距，求得射流的运动时间；通过Y方向的放大倍数β和扫描轨迹上的各点坐标可求出射流、碎片云和冲击波的运动距离，用测得的图像中Y方向的坐标除以扫描时间可得到各点所对应的运动速度；

步骤904，在对图像进行数字化判读的基础上，结合同时分幅扫描相机系统扫描速度和图像放大比参数，得到试验射流速度、碎片云扩散速度和冲击波速度的具体曲线值。

本发明还具有如下技术特征：

所述的射流高速碰撞靶板系统包括激光照明系统、射流发射装置和靶板，所述的射流发射装置一侧放置有反射平面镜，爆炸场所的第一爆炸防护窗口外布设有激光发射系统，爆炸场所的第二爆炸防护窗口外布设有同时分幅扫描相机系统；

所述的射流发射装置包括从底部至顶部依次设置的药型罩、主炸药和起爆药柱。

所述的爆炸场所为爆炸塔，爆炸塔的塔壁上开设有第一爆炸防护窗口和第二爆炸防护窗口。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(Ⅰ)本发明的实验观测方法，可较清晰地获取到射流高速碰撞靶板瞬态过程中射流运动状态、碰靶过程和碎片云及冲击波形成过程图像信息，同时通过扫描图像能获得射流速度、碎片云扩散速度和冲击波速度等具体曲线值，从而实现对瞬态过程较全面的描述。

(Ⅱ)分幅图像能给出整个过程抽样点上的二维空间信息，但会丢失相邻画幅间的时-空信息；扫描图像能清晰且连续地记录空间运动过程，但扫描狭缝外的空间信息会全部丢失，只有两者结合、构成无视差的分幅、扫描同时成像记录，才能得到完整、精准的瞬态毁伤过程信息。结合毁伤数据处理及信息提取技术，提取、分辨有用的试验信息以及将分幅图像、扫描图像中的信息联合处理，从而实现对毁伤过程全面、准确的刻画。

附图说明

图1是本发明的射流高速碰撞靶板系统的俯视示意图。

图2是本发明的射流发射装置布设示意图。

图3是本发明实施例中分幅图像。

图4是本发明实施例中扫描图像。

图中各个标号的含义为：1-激光照明系统，2-同时分幅扫描相机系统，3-反射平面镜，4-射流发射装置，5-靶板，6-爆炸塔，7-第一爆炸防护窗口，8-第二爆炸防护窗口，9-相机视场；

401-雷管，402-起爆药柱，403-主炸药，404-触发探针，405-药型罩。

以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

本发明涉及一种射流高速碰撞靶板产生碎片云瞬态过程的实验方法，可应用于武器设计和防护等领域，为科研人员和工程设计人员提供一种观测射流高速碰撞靶板的瞬态过程的方法，可用于射流侵彻靶板产生碎片云的实验设计、理论分析和相关工程应用。

本发明的目的在于，提供一种射流高速碰撞靶板产生碎片云瞬态过程的实验方法，该方法采用激光为背景光源，通过同时分幅/扫描相机系统，从而实现对射流高速碰撞靶板瞬态过程的观测记录，可用于射流侵彻靶板产生碎片云的实验设计、理论分析和相关工程应用。

需要说明的是，本发明中的X方向和Y方向分别指的是分幅图像中水平方和竖直方向。

需要说明的是，本发明中的同时分幅扫描相机系统采用现有技术中已知的同时分幅扫描超高速光电摄影系统，例如，授权公告号为CN103197499B的中国专利，专利名称为：一种同时分幅扫描超高速光电摄影系统。再例如，论文(畅里华等，《强激光与粒子束》，2015，27(11)：115002-1-6)，炸药柱面内磁通量压缩超高速同时分幅/扫描摄影技术。

需要说明的是，本发明中的所有部件，如无特殊说明，全部均采用现有技术中已知的部件。

本发明中，如图1和图2所示，所述的射流高速碰撞靶板系统包括激光照明系统1、射流发射装置4和靶板5，所述的射流发射装置4一侧放置有反射平面镜3，爆炸场所的第一爆炸防护窗口7外布设有激光发射系统1，爆炸场所的第二爆炸防护窗口8外布设有同时分幅扫描相机系统2；

所述的射流发射装置4包括从底部至顶部依次设置的药型罩405、主炸药404和起爆药柱403。

所述的爆炸场所为爆炸塔6，爆炸塔6的塔壁上开设有第一爆炸防护窗口7和第二爆炸防护窗口8。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例给出一种射流高速碰撞靶板产生碎片云瞬态过程的实验观测方法，该方法将射流高速碰撞靶板系统布置于爆炸场所中，该方法包括以下步骤：

步骤一、布设同时分幅扫描相机系统和激光照明系统，通过调整反射平面镜，保证激光光路穿过爆炸防护窗口进入同时分幅扫描相机系统视场正中心；

本实施例中，射流高速碰撞靶板系统的俯视示意图如图1所示，爆炸场所为爆炸塔。爆炸塔的窗口采用K9玻璃，所用反射平面镜要求反射率≥90％。平面镜放置于弹架上以保证与爆炸塔窗口同高，通过平移、转动平面镜，使激光光路进入同时分幅扫描相机视场中心。

步骤二，布设射流发射装置和靶板，保证靶板水平、射流垂直入射靶板，同时保证射流碰靶区域位于同时分幅扫描相机系统视场内、射流轴线与视场左右对称线重合；

本实施例中，射流发射装置布设如图2所示，主炸药采用Φ50射流源，起爆药柱为Φ10×10mm的A药柱，起爆方式采用端面中心起爆，通过8#电雷管引爆。目标靶板采用2mm厚铝板，使用水平尺和激光水平仪确定装置位置和姿态，保证靶板水平、射流垂直入射靶板，同时保证射流碰靶区域位于同时分幅扫描相机视场内、射流轴线与视场左右对称线重合。

步骤三，在主炸药上安装触发探针，触发探针通过触发线连接到相机系统，测量并记录触发探针到药型罩下端面的距离H₁和药型罩下端面到靶板上端面的距离H₂，H₁小于药型罩高度H₀；

本实施例中，触发探针采用细铜丝。通过测量，H₁＝21mm、H₂＝446mm。

步骤四，在同时分幅扫描相机系统视场内放置标志物，通过对比标志物实际尺寸和在同时分幅扫描相机系统视场内的尺寸，确定比例尺，计算获得靶板上端面到视场顶部的距离H₃；

步骤五，计算射流进入视场时刻距离主炸药爆轰波到达触发探针时刻的时间差ΔT，为同时分幅扫描相机系统的延时设置将以ΔT为参考时间差，计算公式为：

式中，V_j为射流预估平均速度；

本实施例中，通过计算得H₃＝20mm，射流预估平均速度V_j＝8.4km/s，带入上式计算得ΔT＝53.21μs。

根据视场直径和射流速度，同时分幅扫描相机采用20μs档，扫描时刻为51μs至68.6μs,分幅间隔2.5μs。

步骤六，将雷管插入主炸药顶部的起爆药柱中，雷管尾端通过起爆线连接到延时起爆器，同时延时起爆器连接到激光照明系统的触发电路；

步骤七，通过延时起爆器产生脉冲信号打开激光光源并引爆雷管，主炸药起爆后压垮药型罩形成弹丸，同时触发探针给同时分幅扫描相机系统触发信号，当触发信号达到相机设定触发值时，打开相机快门，获取分幅图像和扫描图像；

步骤八，分幅图像数据处理：

对比分幅获得的两幅图像之间的信息，除以时间间隔，获得射流入射速度、出靶速度、碎片云扩散速度和冲击波速度信息；

本实施例中，4幅间隔约2.5μs的分幅图像如图3所示，通过图像可以获得碎片云形状和变化规律，同时通过计算可获得射流出靶速度、碎片云扩散速度、冲击波速度。

步骤九，扫描图像数据处理：

步骤901，提取扫描图像中连续的数据点，在拐点处增加同等距离判读处的多个数据点；

步骤902，计算扫描图像上成像的放大比，计算公式为：

α＝L_X/L_a

β＝L_Y/L_b

式中，α和β分别为X、Y方向的放大比，L_X和L_Y分别为X和Y方向的标尺长度，L_a和L_b分别为扫描图像上标尺像的尺寸；

步骤903，将扫描图像上的空间二维信息转化为时间-空间坐标中的信息：

将通过X方向的放大倍数α，结合扫描图像上的狭缝间距，求得射流的运动时间；通过Y方向的放大倍数β和扫描轨迹上的各点坐标可求出射流、碎片云和冲击波的运动距离，用测得的图像中Y方向的坐标除以扫描时间可得到各点所对应的运动速度；

步骤904，在对图像进行数字化判读的基础上，结合同时分幅扫描相机系统扫描速度和图像放大比参数，得到试验射流速度、碎片云扩散速度和冲击波速度的具体曲线值。

本实施例中，分幅图像如图3所示，扫描图像如图4所示。从图3和图4中可计算知，分幅图像的比例为：α_f＝1/346＝0.110(mm/像素点)；通过步骤902计算获得，扫描图像的距离比例系数为分幅的0.77倍，即α_s＝0.77α_f＝0.085(mm/像素点)，扫描图像的时间系数为：α_st＝17.6/1830＝0.00962(μs/像素点)。

在此基础上，可计算得扫描图像对应分幅图像的点。通过判读分幅图像间的时间间隔计算出物体运动速度，与根据扫描图像信息计算出的物体运动速度进行对比。本实施例中，以射流运动速度为例，由分幅图像和扫描图像计算出的速度对比如表1所示。

表1射流运动的分幅图像与扫描图像信息对比

Claims (3)

1.一种射流高速碰撞靶板产生碎片云瞬态过程的实验观测方法，其特征在于，该方法将射流高速碰撞靶板系统布置于爆炸场所中，该方法包括以下步骤：

步骤一、布设同时分幅扫描相机系统和激光照明系统，通过调整反射平面镜，保证激光光路穿过爆炸防护窗口进入同时分幅扫描相机系统视场正中心；

步骤二，布设射流发射装置和靶板，保证靶板水平、射流垂直入射靶板，同时保证射流碰靶区域位于同时分幅扫描相机系统视场内、射流轴线与视场左右对称线重合；

步骤三，在主炸药上安装触发探针，触发探针通过触发线连接到相机系统，测量并记录触发探针到药型罩下端面的距离H₁和药型罩下端面到靶板上端面的距离H₂，H₁小于药型罩高度H₀；

步骤四，在同时分幅扫描相机系统视场内放置标志物，通过对比标志物实际尺寸和在同时分幅扫描相机系统视场内的尺寸，确定比例尺，计算获得靶板上端面到视场顶部的距离H₃；

步骤五，计算射流进入视场时刻距离主炸药爆轰波到达触发探针时刻的时间差ΔT，为同时分幅扫描相机系统的延时设置将以ΔT为参考时间差，计算公式为：

式中，V_j为射流预估平均速度；

步骤六，将雷管插入主炸药顶部的起爆药柱中，雷管尾端通过起爆线连接到延时起爆器，同时延时起爆器连接到激光照明系统的触发电路；

步骤七，通过延时起爆器产生脉冲信号打开激光光源并引爆雷管，主炸药起爆后压垮药型罩形成弹丸，同时触发探针给同时分幅扫描相机系统触发信号，当触发信号达到相机设定触发值时，打开相机快门，获取分幅图像和扫描图像；

步骤八，分幅图像数据处理：

对比分幅获得的两幅图像之间的信息，除以时间间隔，获得射流入射速度、出靶速度、碎片云扩散速度和冲击波速度信息；

步骤九，扫描图像数据处理：

步骤901，提取扫描图像中连续的数据点，在拐点处增加同等距离判读处的多个数据点；

步骤902，计算扫描图像上成像的放大比，计算公式为：

α＝L_X/L_a

β＝L_Y/L_b

式中，α和β分别为X、Y方向的放大比，L_X和L_Y分别为X和Y方向的标尺长度，L_a和L_b分别为扫描图像上标尺像的尺寸；

步骤903，将扫描图像上的空间二维信息转化为时间-空间坐标中的信息：

将通过X方向的放大倍数α，结合扫描图像上的狭缝间距，求得射流的运动时间；通过Y方向的放大倍数β和扫描轨迹上的各点坐标可求出射流、碎片云和冲击波的运动距离，用测得的图像中Y方向的坐标除以扫描时间可得到各点所对应的运动速度；

步骤904，在对图像进行数字化判读的基础上，结合同时分幅扫描相机系统扫描速度和图像放大比参数，得到试验射流速度、碎片云扩散速度和冲击波速度的具体曲线值。

2.如权利要求1所述的射流高速碰撞靶板产生碎片云瞬态过程的实验观测方法，其特征在于，所述的射流高速碰撞靶板系统包括激光照明系统、射流发射装置和靶板，所述的射流发射装置一侧放置有反射平面镜，爆炸场所的第一爆炸防护窗口外布设有激光发射系统，爆炸场所的第二爆炸防护窗口外布设有同时分幅扫描相机系统；

所述的射流发射装置包括从底部至顶部依次设置的药型罩、主炸药和起爆药柱。

3.如权利要求2所述的射流高速碰撞靶板产生碎片云瞬态过程的实验观测方法，其特征在于，所述的爆炸场所为爆炸塔，爆炸塔的塔壁上开设有第一爆炸防护窗口和第二爆炸防护窗口。

Images