CN114383767A - 含能破片冲击起爆总释能的绝热法测量方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种含能破片冲击起爆总释能的绝热法测量方法，测量装置包括量热计，该测量方法包括：开动搅拌器均匀搅拌，使内桶水温度分布均匀；发射含能破片，含能破片进入内桶后立即关闭破片飞行通道；在发射含能破片后至内桶水温度变化趋于稳定的第一阶段，含能破片撞靶后每隔预定时间记录一次温度，温度升到最高开始下降前一个读数或温度不变化时的第一个读数作为温度的最终读数；在内桶水温稳定后的第二阶段，每隔预定时间记录温度；生成内桶温度计与外桶温度计分别测量得到的内桶水与外桶传热介质的温度变化曲线，得到内桶水温升，计算含能破片冲击起爆总释能。本申请具有测量精度高、测量速度快、测量成本低的特点。

Description

含能破片冲击起爆总释能的绝热法测量方法
技术领域
本申请属于传热量测量技术领域，尤其是涉及一种含能破片冲击起爆总释能的绝热法测量方法。
背景技术
含能破片是一种在高速撞击目标条件下能够发生剧烈爆轰反应的毁伤元素，其配方通常包括铝热剂、金属间化合物、金属/聚合物混合物、亚稳态分子间复合物、复合材料和氢化物等。相比于传统惰性破片，含能破片在侵彻目标的过程中会释放大量的能量，造成目标穿孔面积、目标内部的燃油/电子设备损毁程度大大增加现象，大幅提高了对目标的毁伤能力。
目前，绝热法是测量炸药爆热的主要方法，但该方法需要样品处于静止状态，无法直接应用于高速飞行样本的总释能测量。基于超压转换的含能破片冲击起爆总释能测量方法为间接测量法，采用测量含能破片冲击起爆后的超压峰值，再利用热力学定律转换得到活性元的总释能。然而，该技术存在如下的缺点：1)空气与理想气体存在差异；2)超压变化规律复杂，实际升温过程与理想的绝热升温过程存在差异；3)含能破片的氧化、燃烧过程需要较长时间，且不会产生超压，而氧化、燃烧所产生的能量甚至高于爆轰所产生的能量，与瞬态完全反应的假设存在较大差异。
因此，现有测量含能破片冲击起爆总释能的方法一般采用测量冲击起爆超压值，经过转换得到总释能，由于这些方法忽略了不会产生超压的燃烧过程，且转换过程视空气为理想气体，因此测量误差较大。
发明内容
本申请旨在提供一种含能破片冲击起爆总释能测量方法，以减小测量误差。
为实现上述目的，本申请采用如下的技术方案：
一种含能破片冲击起爆总释能测量方法，其中测量装置包括量热计、测速光幕靶阵列以及破片动能加载装置；所述量热计包括壳体、设置在壳体中的外桶以及设置在外桶中的内桶，所述外桶包括由内外桶体包围形成的外桶腔体，该外桶腔体中填充传热介质；所述内桶包括由内外桶体包围形成的内桶腔体，该内桶腔体中填充蒸馏水，并设有搅拌器；该量热计一端形成依次贯穿所述壳体、外桶、内桶的破片飞行通道，被测含能破片可经该破片飞行通道进入内桶的内腔室，该内腔室内沿含能破片进入方向依次设有多层靶板；该方法包括如下步骤：
对测量装置的内桶系统进行热容标定，得到内桶系统总热容W；
基于绝热法进行冲击起爆总释能测量，包括：
开动搅拌器均匀搅拌，使内桶水温度分布均匀；
发射含能破片，含能破片进入内桶后立即关闭破片飞行通道；
在发射含能破片后至内桶水温度变化趋于稳定的第一阶段，含能破片撞靶后每隔预定时间记录一次温度，温度升到最高开始下降前一个读数或温度不变化时的第一个读数作为温度的最终读数；
在内桶水温稳定后的第二阶段，每隔预定时间记录温度；
生成内桶温度计与外桶温度计分别测量得到的内桶水与外桶传热介质的温度变化曲线，得到内桶水温升Δt；
计算含能破片冲击起爆总释能Qv＝WΔt。
在另外的一些示例中，所述壳体还设有外循环泵，用于使外桶介质温度稳定地跟踪内桶水温。
在另外的一些示例中，所述外桶腔体内设有外桶温度计，所述内桶腔体内设有内桶温度计，所述温度计均分别与控温仪、温度记录仪连接。
在另外的一些示例中，所述量热计还包括绝热阀门，该绝热阀门用于在破片进入所述破片飞行通道前保持打开状态，并在所述破片通过所述破片飞行通道进入所述内桶的内腔室后封闭该破片飞行通道。
在另外的一些示例中，所述内腔室内还设有用于测量爆轰时温度的温度传感器。
在另外的一些示例中，所述内桶的内桶体与外桶体之间，以及内桶的外桶体与外桶的内桶体分别之间分别设有绝热支撑。
在另外的一些示例中，对内桶系统进行热标定包括基于绝热法对内桶系统进行热容标定以及基于DSC法对靶板、温度传感器进行热容标定。
其中，所述内桶系统包括内桶壳体、内桶水、绝热阀门以及内桶空气。
在另外的一些示例中，所述基于绝热法对内桶系统进行热容标定包括第一阶段标定试验和第二阶段标定试验。
其中，所述第一阶段为苯甲酸点火后至内桶水温变化趋于稳定的阶段，第二阶段为内桶水温度稳定后的阶段。
本申请提供的装置及方法能够直接测量含能破片冲击起爆总释能，具有测量精度高、测量速度快、测量成本低的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本申请实施例的含能破片冲击起爆总释能测量装置结构示意图；
图2为根据本申请实施例的含能破片冲击起爆总释能测量方法流程示意图；
图3为根据本申请实施例的内桶系统标定流程示意图；
图4为根据本申请实施例的冲击起爆总释能测量过程示意图。
图中：
100-量热计，101-壳体，102-外桶，103-内桶，104-外循环泵，105-防弹保护装置；
1021-外桶温度计；
1031-靶板，1032-超压传感器/温度传感器，1033-绝热阀门，1034-搅拌器，1035-内桶温度计，1036-绝热支撑；
200-测速光幕靶阵列；
300-破片动能加载装置，301-破片；
具体实施方式
以下结合附图对本申请的示范性实施例做出说明，其中包括本申请实施例的各种细节，以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本申请的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
图1为根据本申请实施例的含能破片冲击起爆总释能测量装置结构示意图。如图1所示，该测量装置包括量热计100、测速光幕靶阵列200以及破片动能加载装置300。
所述量热计100包括壳体101、设置在壳体101中的外桶102以及设置在外桶中的内桶103。所述外桶102包括由内外桶体包围形成的外桶腔体，该外桶腔体中填充传热介质，例如循环水。所述内桶103包括由内外桶体包围形成的内桶腔体，该内桶腔体中填充蒸馏水。量热计100一端形成依次贯穿所述壳体101、外桶102、内桶103的破片飞行通道，被测含能破片301经该破片飞行通道进入内桶103内桶体形成的内腔室。
所述破片飞行通道开口处安装防止含能破片损伤测量装置的防弹保护装置105。
所述内腔室内沿含能破片进入方向依次设有多层靶板1031，用于测量所述被测含能破片的毁伤能力。
所述内腔室内还设有用于测量爆轰时温度的温度传感器以及用于测量爆轰时超压的超压传感器。所述传感器1032例如可以设置在所述靶板附近的内桶102内桶体内壁上。
所述外桶腔体内设有外桶温度计1021，所述内桶腔体内设有内桶温度计1035，所述温度计1021、1035均分别与控温仪、温度记录仪连接，所述控温仪、温度记录仪分别均与数据采集处理系统连接。
所述内桶腔体内还有设有搅拌器1034，用于保持内桶水温分布均匀。
所述内桶103的内桶体与外桶体之间以及内桶103的外桶体与外桶102的内桶体分别之间设有绝热支撑，用于隔离内外桶之间的传热。
所述壳体101中还设有外循环泵104，用于使外桶水温稳定地跟踪内桶水温，以及保持外桶水温分布均匀。
所述量热计100还包括绝热阀门1033，该绝热阀门1033用于在破片301进入所述破片飞行通道前保持打开状态，并在所述破片301通过所述破片飞行通道进入所述内桶103的内腔室后封闭该破片飞行通道，从而隔离内桶向外传热以及防止冲击波向外泄漏。优选地，所述绝热阀门1033包括分别设置在所述破片飞行通道两个端口的第一阀门和第二阀门，在所述破片301通过所述破片飞行通道进入所述内桶103的内腔室后，所述第一阀门和第二阀门同时关闭。
所述测速光幕靶阵列200设置在量热计100具有破片飞行通道的一侧与动能加载装置300之间，用于测量含能破片301的飞行速度。
所述动能加载装置300例如为弹道枪，用于对被测含能破片301进行动能加载。
所述外桶温度计1021监测外桶水温变化情况，并反馈至控温仪，由控温仪控制加热/致冷外桶水，使外桶水温能够稳定地跟踪内桶水温。
所述温度记录仪记录所述温度计的输出数据，经数据采集处理系统进行处理，为温控仪提供数据源。
所述外桶桶体、外桶循环水、循环泵、外桶温度计、温度记录仪、数据采集处理系统、控温仪、绝热支撑组成外桶水温控系统。
所述内桶桶体、内桶蒸馏水、搅拌器、内桶温度计、绝热阀门组成内桶系统。
以下对采用上述测量装置进行含能破片冲击起爆总释能测量的方法进行描述。
如图2所述，该测量方法包括如下步骤：
S101、对测量装置的内桶系统进行热容标定；
通过热容标定可以在测量得到系统的温升时，结合标定得到的系统热容计算出系统吸收的热量。
考虑到内桶系统(包括内桶水、内桶桶体、绝热阀门、内桶空气)的总热容标定工作量比较大，因此，本发明采用分别标定的思路，对于重复使用过程中损耗较小的内桶系统(包括内桶水、内桶壳体、绝热阀门、内桶空气)进行定期热容标定；对于测量过程中损耗较大的靶板、超压传感器，在每次测量前均进行热容标定。如图3所示，具体包括：
S1011、基于绝热法对内桶系统进行热容标定；
内桶系统(包括内桶水、内桶桶体、绝热阀门、内桶空气)的总热容可利用苯甲酸等标准物质标定得到，标定环境温度为20℃～25℃，相对湿度不大于83％RH，实验室内无强空气对流，避免阳光照射或其它热源辐射，具体流程包括：
Step 1、开动搅拌器均匀搅拌，使内桶水温度分布均匀；
例如，在预定时间间隔(例如1min)内，当测量内桶水与外桶水温度变化不超过预定温度(例如0.005℃)时，记录该热平衡状态下内桶水温度减去外桶水温度的温差，记为TC；
Step 2、分两阶段进行标定试验：
第1阶段：苯甲酸点火后至内桶水温变化趋于稳定(例如水温波动小于0.05℃)的阶段，在该阶段最后一次读数时点火，时间不超过预定时间(例如1s)，点火后每分钟记录一次温度，温度升到最高开始下降前一个读数或温度不变化时的第一个读数作为温度的最终读数；
第2阶段：内桶水温度稳定后的阶段，第1阶段后每隔预定时间(例如每隔1分钟)读取并记录温度一次。温度记录精度为0.001℃。优选地，该阶段采用次数大于10次，采样时间大于11min。
在上述两个阶段的测量过程中，外桶水的温度通过程序温控与内桶水温度始终保持稳定的温差TC，要求温差波动保持在0.05℃以内。
Step 3、计算内桶系统的热容；
读数完毕，停止搅拌。
取下温度计或测温仪探头，打开量热计盖，检查内桶的内腔室是否漏气，如有漏气重新进行实验。
此外，检查是否有积碳，如有积碳则重新进行实验。
此外，检查金属丝是否燃烧尽，如有未燃尽的金属丝，经清洗、干燥后精确称取其质量，用于对燃烧热进行修正。
内桶系统的热容按下式计算：
Figure BDA0003428570730000081
式中，WA为内桶系统的热容，单位J/K；
Q1为苯甲酸燃烧放出的热量，单位J；
Q2为由水、氧、氮生成硝酸的反应热量，单位J；
Q3为金属丝燃烧放出的热量，单位J；
Q4为棉线燃烧放出的热量，单位J；
Δtc为内桶水的温升，单位℃。
苯甲酸燃烧放出的热量Q1按下式计算：
Q1＝q1m1
式中，q1为苯甲酸的燃烧热，单位J/g；
m1为苯甲酸的质量，单位g。
由水、氧、氮生成硝酸的反应热Q2按下式计算：
Q2＝Am1
A为经验常数，例如其值为4J/g。
金属丝燃烧放出的热量Q3按下式计算：
Q3＝q3m3
式中，q3为金属丝的燃烧热，单位J/g；
m3为已燃烧掉金属丝的质量，单位g。
棉线燃烧放出的热量Q4按下式计算：
Q4＝q4m4
式中，q4为棉线的燃烧热，单位J/g；
m4为棉线的质量，单位g。
按照上述步骤重复进行多次平行试验，例如至少6次，计算相对标准差小于设定值(例如0.3％)的平均值，作为内桶系统的热容。
S1012、基于DSC法进行靶板、超压/温度传感器热容标定；
靶板、超压/温度传感器的热容采用差式扫描量热仪(Differential ScanningCalorimeter,DSC)测量得到，记为WB。
S1013、计算内桶系统总热容；
系统总热容W计算方法如下：
W＝WA+WB
S102、基于绝热法进行冲击起爆总释能测量；
测量环境温度为20℃～25℃，相对湿度不大于83％RH，实验室无强空气对流，避免阳光照射或其它热源辐射。
根据含能破片预估总释能，以系统温升在1～1.5℃为准选取含能破片的总质量，对含能破片进行精确称重。
如图4所示，冲击起爆总释能测量过程如下：
Step 1、开动搅拌器均匀搅拌，使内桶水温度分布均匀，在1min内量热桶(即内桶水与外桶水)温度变化不超过0.005℃，并统计此热平衡状态下内桶水温度减去外桶水温度的差，记为TC；
Step 2、弹道枪发射含能破片，含能破片进入内桶后立即关闭绝热阈门；
Step 3、主期阶段(即弹道枪发射含能破片后至内桶水温度变化趋于稳定的阶段)的测量，含能破片撞靶后每分钟记录一次温度，温度升到最高开始下降前一个读数或温度不变化时的第一个读数作为温度的最终读数；
Step 4、末期阶段(即内桶水温度稳定后的阶段)的测量，主期后每分钟读取并记录温度一次读至0.001℃，末期采样时间建议为11min；
在主期、末期测量过程中，外桶水的温度通过程序温控与内桶水温度始终保持稳定的温差TC，要求温差波动保持在0.05℃以内。
Step 5、记录内桶温度计与外桶温度计分别测量得到的内桶水与外桶水的温度变化曲线。
每分钟测量一次内桶水与外桶水的温度，得到内桶水与外桶水随温度变化的曲线。本申请测定的总释能是水为液态时的总释能，含能破片冲击起爆总释能Qv按下式计算：
Qv＝WΔt
式中：Qv—冲击起爆总释能，J；
W—系统总热容，J/℃；
Δt—内桶水温升，即主期阶段内桶水温度曲线最后一个温度读数与第一个温度读数之差。
实施例1：
PELE(penetrator with enhanced lateral effect)是一种基于内外核不同材料密度在穿甲过程产生横向增强效应的无引信弹药，就现有PELE弹使用的内核材料而言，一般为低密度惰性材料，如聚乙烯、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚氨酯高分子材料等。
该实施例在碟惰性内核PELE弹的作用机理基础上，设计、制备活性材料(AL/PTFE)内核，并进行活性内核PELE弹对多层钢靶的毁伤实验，测量活性内核PELE弹与目标撞击的引起化学反应释放的总释能。
该实施例中，活性内核PELE弹外壳材料为35CrMnSi，长137mm，外径29mm，内径为18mm；内核材料为一定配比的AL/PEFE。
实验采用30mm弹道炮射击平台，加载速度为920m/s；靶板为3层，第一层为厚度15mm的装甲钢，第二、三层均为厚度1.2mmA3钢。活性内核弹丸穿过主装甲后产生了长时间和大范围的火球，同时形成了较强烈的冲击波，对第二、三层后效靶产生较大的冲击。
在绝热阀门绝热性能良好的前提下，采用本发明可达到与爆热测量装置相当的测量精度，相对测量误差可控制在3％以内，并且与爆热测量装置相比，本发明可以实现对高速运动样品的高精度测量。
以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种含能破片冲击起爆总释能测量方法，其中，测量装置包括量热计、测速光幕靶阵列以及破片动能加载装置；所述量热计包括壳体、设置在壳体中的外桶以及设置在外桶中的内桶，所述外桶包括由内外桶体包围形成的外桶腔体，该外桶腔体中填充传热介质；所述内桶包括由内外桶体包围形成的内桶腔体，该内桶腔体中填充蒸馏水，并设有搅拌器；该量热计一端形成依次贯穿所述壳体、外桶、内桶的破片飞行通道，被测含能破片可经该破片飞行通道进入内桶的内腔室，该内腔室内沿含能破片进入方向依次设有多层靶板；其特征在于，该方法包括如下步骤：
对测量装置的内桶系统进行热容标定，得到内桶系统总热容W；
基于绝热法进行冲击起爆总释能测量，包括：
开动搅拌器均匀搅拌，使内桶水温度分布均匀；
发射含能破片，含能破片进入内桶后立即关闭破片飞行通道；
在发射含能破片后至内桶水温度变化趋于稳定的第一阶段，含能破片撞靶后每隔预定时间记录一次温度，温度升到最高开始下降前一个读数或温度不变化时的第一个读数作为温度的最终读数；
在内桶水温稳定后的第二阶段，每隔预定时间记录温度；
生成内桶温度计与外桶温度计分别测量得到的内桶水与外桶传热介质的温度变化曲线，得到内桶水温升Δt；
计算含能破片冲击起爆总释能Qv＝WΔt。
2.根据权利要求1所述的含能破片冲击起爆总释能测量方法，其特征在于，所述壳体还设有外循环泵，用于使外桶介质温度稳定地跟踪内桶水温。
3.根据权利要求2所述的含能破片冲击起爆总释能测量方法，其特征在于，所述外桶腔体内设有外桶温度计，所述内桶腔体内设有内桶温度计，所述温度计均分别与控温仪、温度记录仪连接。
4.根据权利要求3所述的含能破片冲击起爆总释能测量方法，其特征在于，所述量热计还包括绝热阀门，该绝热阀门用于在破片进入所述破片飞行通道前保持打开状态，并在所述破片通过所述破片飞行通道进入所述内桶的内腔室后封闭该破片飞行通道。
5.根据权利要求4所述的含能破片冲击起爆总释能测量方法，其特征在于，所述内腔室内还设有用于测量爆轰时温度的温度传感器。
6.根据权利要求1-5任一项所述的含能破片冲击起爆总释能测量方法，其特征在于，所述内桶的内桶体与外桶体之间，以及内桶的外桶体与外桶的内桶体分别之间分别设有绝热支撑。
7.根据权利要求1所述的含能破片冲击起爆总释能测量方法，其特征在于，对内桶系统进行热标定包括基于绝热法对内桶系统进行热容标定以及基于DSC法对靶板、温度传感器进行热容标定。
8.根据权利要求1或7所述的含能破片冲击起爆总释能测量方法，其特征在于，所述内桶系统包括内桶壳体、内桶水、绝热阀门以及内桶空气。
9.根据权利要求1所述的含能破片冲击起爆总释能测量方法，其特征在于，所述基于绝热法对内桶系统进行热容标定包括第一阶段标定试验和第二阶段标定试验。
10.根据权利要求1所述的含能破片冲击起爆总释能测量方法，其特征在于，所述第一阶段为苯甲酸点火后至内桶水温变化趋于稳定的阶段，第二阶段为内桶水温度稳定后的阶段。
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