CN114935287A - 一种活性射流化学能分布释放测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活性射流化学能分布释放测试系统及方法。本发明对活性药型罩聚能装药采用装药起爆的方式形成活性射流，同时在测试罐内设置多层不等距间隔靶，并对间隔靶的间隔距离、预留的活性射流通孔等进行尺寸设计，进一步分析不同位置(不同速度梯度内)活性射流化学能释放特性，从而较好地描述活性射流对目标侵爆联合作用效果。本发明超压测试系统可重复利用，结构简单，具有良好的经济性与便利性。

Description

一种活性射流化学能分布释放测试系统及方法

技术领域

本发明涉及弹药工程聚能射流技术领域，具体涉及一种活性射流化学能分布释放测试系统及方法。

背景技术

活性材料是近年来新材料领域和武器装备领域研究热点之一，这类材料是是由含能粉体经冷压、烧结等工艺制备而成的一种固体复合含能材料，这类材料具有类铝强度和类炸药含能，能够利用动能撞击目标的同时，还能发生自激活反应，从而通过自身爆燃反应大幅提高对目标的毁伤效应。由活性材料制备而成的活性药型罩已在聚能装药领域获得广泛研究。活性药型罩在聚能装药的爆炸驱动作用下形成的高速活性射流，不仅能像传统金属射流那样对目标实施侵彻或破甲，更重要的是这种活性射流在侵入目标内部后还能自行激活并适时发生爆炸/爆燃反应，释放大量的化学能，从而对目标内部形成更致命的杀伤/毁伤效应。采用这种侵-爆联合毁伤活性药型罩聚能装药技术，打击装甲战车、水面战舰、潜艇等轻中型装甲类目标时，可大幅提升对目标内部技术装备和人员的后效毁伤和结构爆裂能力，打击机场跑道、飞机洞库、碉堡工事等混凝土类硬目标时，可发挥类似聚能-爆破两级串联战斗部的高效毁伤威力。

对于活性药型罩聚能装药技术，活性药型罩在爆炸驱动下形成活性射流的过程，是一个相当复杂的力、热、化耦合响应过程。活性射流的激活状态和激活延迟时间与活性药型罩聚能装药侵-爆联合毁伤能力密切相关，因为活性射流一旦发生剧烈爆燃反应就无法再侵彻目标了。对于活性药型罩聚能装药技术，要实现对靶后目标或硬目标的高效毁伤，活性药型罩在爆炸驱动下的激活与响应、活性射流的成型特性和化学能分布释放行为的研究必不可少，尤其是活性射流化学能分布释放行为的测试研究成果对活性药型罩结构设计、活性聚能战斗部毁伤威力的提升等有着重要指导意义和参考价值。

对于活性材料药型罩，在活性射流成型过程中，聚能装药的爆炸载荷强度可达数十GPa，极大的冲击波压力作用于活性药型罩，使得各处受到的冲击波压力都大于其激活阈值，即在遭遇目标前活性射流就已经发生了激活。这与碰撞载荷作用下活性材料破片响应行为相比，爆炸载荷下活性射流的激活响应行为显著不同，导致二者的能量释放机理不一样，从而不能用传统测试活性材料破片的超压测试系统去研究活性射流的化学能分布式释放行为。特别是，相对于活性材料破片的长度而言，活性射流的空间尺寸更大。尤其是对于大口径活性药型罩，其沿轴向和径向的尺寸都较大，在爆炸驱动下使得活性药型罩各处受到的激活压力和载荷环境有所不同，这就导致形成的活性射流化学能释放行为沿着轴向方向也存在着显著区别。为此，针对爆炸成型活性射流化学能分布释放行为，需建立相应的测试系统。

还需说明的是，与传统含能材料(包括高能炸药、推进剂、火药等)相比，活性药型罩材料具有更高的强度和更大的密度，甚至更钝感，故难以通过传统起爆方式(如火焰、雷管等)实现爆燃在活性材料中自持稳定的传播。因此，目前适用于传统炸药的能量释放装置，如爆热和水下爆炸测试方法，均不适应于测试这种大尺寸活性射流化学能分布释放行为的研究，主要是因为传统的雷管起爆无法维持这种具有非自持特性活性材料的化学反应，再者这种静态测试方法是不能客观表征活性射流的动能和化学能联合作用效果。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种活性射流化学能分布释放测试系统及方法，能够获得活性射流不同位置化学能释放效应，通过对不同位置处测得的内爆超压-时间曲线进行分析，可得到活性射流化学能能量分布释放特性，从而解决活性射流靶后爆燃毁伤能量释放表征的技术难题。

本发明的活性射流化学能分布释放测试系统，其特征在于，包括：支架、测试罐、间隔靶架、基座和超压测试单元；所述超压测试单元包括压力传感器和数据采集系统；

其中，测试罐固连在基座上；测试罐包括两端开口的筒状结构，以及安装在筒状结构两端的顶盖和底盖；

多层间隔靶架放置在测试罐内部，将测试罐分为多个隔舱；压力传感器设置在各隔舱内，并与数据采集系统连接；其中，多层间隔靶架中各靶板的间隔距离从顶部到底部依次递增，其中，第一层靶板与第二层靶板之间的间隔距离为第一层靶板与顶盖间隔距离的一半；第一层靶板与顶盖的间隔距离为1.5CD～2.5CD，CD为待测试活性药型罩聚能装药的口径；顶盖及多层间隔靶架中各靶板的中心预留有活性射流侵孔通道；待测试活性药型罩聚能装药通过支架安装在顶盖外侧并与预留的活性射流侵孔通道相对。

较优的，多层间隔靶架中各靶板的间隔距离按40％～60％依次递增。

较优的，所述顶盖上预留的活性射流侵孔通道的孔径为待测试活性药型罩聚能装药口径的1～1.2倍。

较优的，所述顶盖的厚度为20mm～30mm。

较优的，所述靶板上预留的活性射流侵孔通道的孔径为待测试活性药型罩聚能装药口径的1.3～1.5倍。

较优的，所述靶板的厚度为15mm～25mm。

较优的，所述间隔靶架包括固定支架和靶板；所述靶板可沿固定支架移动。

较优的，测试罐包括多个筒状结构，多个筒状结构通过衔接圈和密封环依次密封连接。

较优的，所述筒状结构的截面为圆形或多边形。

较优的，所述筒状结构的壁厚为30mm～40mm，筒状结构内径d₁为160mm～200mm；所述测试罐的内腔深度为3d₁～5d₁。

较优的，所述筒状结构、顶盖、底盖，以及间隔靶架采用45号钢、装甲钢、30CrMnSiA合金钢、钨合金或钨铜合金制成。

本发明还提供了一种活性射流化学能分布释放测试方法，采用上述测试系统进行测试，包括：

步骤1，根据待测试活性药型罩聚能装药的口径设置间隔靶架各靶板间距、各靶板和顶盖上预留活性射流侵孔通道的孔径，以及测试罐内腔深度；装配待测试活性药型罩聚能装药以及所述测试系统；

步骤2，采用起爆器起爆待测试活性药型罩聚能装药，并同步触发超压测试系统，记录超压数据；

步骤3，根据记录的超压数据，获得超压-时间曲线，根据所述超压-时间曲线获得待测试活性药型罩聚能装药的化学能释放特性。

有益效果：

本发明测试系统及方法能够对聚能装药中产生的活性射流化学能分布释放进行有效测试。本发明对活性药型罩聚能装药采用装药起爆的方式形成活性射流，同时在测试罐内设计多层不等距间隔靶，并对间隔靶的间隔距离、预留的活性射流通孔等进行尺寸设计，进一步分析了不同位置(不同速度梯度内)活性射流化学能释放特性，从而较好地描述活性射流对目标侵爆联合作用效果。并且超压测试系统可重复利用，结构简单，也使得此测试方法具有良好的经济性与便利性。

附图说明

图1为一种活性射流化学能分布释放测试方法结构示意图。

其中：1-支架；2-活性药型罩聚能装药；3-间隔靶架；4-测试罐；5-基座；6-压力传感器；7-数据采集系统。

图2为活性药型罩聚能装药结构示意图。

其中：a-起爆器；b-炸药装药；c-壳体；d-活性药型。

图3为本发明的密闭超压测试罐结构示意图。

其中：8—筒状结构；9-顶盖；10—法兰环；11—紧固螺栓；12-衔接圈；13-密封环；14-底座；15-底盖；16-把手。

图4为本发明间隔靶架结构示意图。

其中：17-固定支架；18-靶板。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种活性射流化学能分布释放测试系统及方法。

活性药型罩在爆炸驱动下形成活性射流的过程，可分为三个阶段：第一阶段为活性药型罩爆炸加载及冲击激活过程，冲击波首先作用于药型罩顶部，一段时间后传播到药型罩底部，在爆轰波强冲击下药型罩被压垮，且药型罩微元温度升高，活性材料被激活；第二阶段是活性射流成型及反应驰豫过程，药型罩各微元速度梯度造成活性射流不断拉伸，且拉伸过程中伴随温升效应；第三阶段是活性射流爆燃及化学能释放效应，由于受形貌、速度分布、质量分布和温度分布影响，射流不同部位激活程度和爆燃反应速率不同，致使活性射流化学能呈现分布式释放，而非整体爆燃。特别需要说明的是，活性材料在受到冲击碰撞后首先被激活，在一定延迟时间后才发生剧烈的化学反应，一般把从活性材料被激活到发生剧烈的化学反应这段时间称为活性材料的激活延迟时间。本发明设计的活性射流化学能分布释放测试系统及方法，通过聚能装药的爆炸加载方式使得活性药型罩各微元获得一定的速度拉伸形成活性射流，并激活活性射流各微元，当高速活性射流进入测试罐内，通过多个传感器的设置，可有效获取活性射流在密封罐内的能量释放行为。本发明可对各类活性材料药型罩形成的活性射流的化学能释放行为进行研究，客观反应活性射流靶后的剧烈反应和分布式能量释放行为，具有广泛的应用空间和较大的应用价值。

本发明提供的这种活性射流化学能分布释放测试罐系统，与传统的活性射流化学能释放测试罐相比，有两点不同：首先是新型测试罐主体钢制圆筒的长径比相比于传统测试罐增大，这样可以更好地捕获到活性射流在侵-爆过程中的爆轰压力信号与侵彻时间信号，从而避免爆轰波在传播过程中压力信号的衰减以及因为时间信号延迟所引起的各种误差；其次是在测试罐中设计了多层间隔靶结构，且靶板之间距离呈不均匀分布，将测试罐分成长度不同的数个隔舱，在每个隔舱内由压力传感器测得活性射流爆燃所造成的超压-时间曲线，这样可以更准确地得到不同位置处活性射流的化学能释放特性，再结合活性射流的速度-位置曲线，可大幅提升活性射流的侵-爆联合毁伤性能预测结果的准确性，从而为活性药型罩与聚能装药结构设计提供重要的指导意义。

本发明的测试系统如图1所示，包括：底部基座5、测试罐4、间隔靶架3和超压测试系统，其中超压测试系统包括压力传感器6和数据采集系统7。活性药型罩聚能装药2水平固定在支架1上，测试罐4固连于基座5，支架1与基座5放置在地面上；活性药型罩聚能装药2前端装有雷管起爆器，底端与测试罐4相接；多层间隔靶架3放置在测试罐4的内部，将测试罐4分为多个隔舱，间隔靶架的各靶板之间的间距可根据活性射流成型特性进行调整，每块靶板中心预开孔，主要是预留活性射流通道，每个隔舱内布置一个压力传感器6，通过数据采集系统7可对活性射流不同位置化学能释放超压效应进行测试。

活性药型罩聚能装药2主要由起爆器a、炸药装药b、壳体c和活性药型罩d组成，如图2所示。聚能装药可实现对于活性药型罩的高速驱动，起爆器置于聚能装药的前端，起爆后产生爆轰波在炸药装药内部传播，首先传播到活性药型罩顶部，一段时间后再传播到活性药型罩底部，在此过程中活性药型罩会被压垮、闭合，从而形成具有一定速度梯度的活性射流。活性射流对目标的作用原理是利用高速动能先对目标实施侵彻，当到达活性材料的激活延迟时间后发生剧烈爆燃反应，释放化学能与气体产物，产生内爆效应或后效毁伤增强效应。由于聚能装药口径、活性药型罩形状和炸药类型等因素对活性射流成型形貌、激活状态及射流头部速度有较大影响，射流头部速度范围为5000-10000m/s。由此可见，对于活性射流来说，射流速度梯度及头部速度跨度范围较大，这就对测试罐内的靶板之间的距离提出了要求，如果距离过长则不能准确反映活性射流的化学能释放特性，如果距离过小，测得超压曲线过多，数据难以处理。同时，活性射流的形貌也不尽相同，从而对靶板上的预开孔孔径也提出了要求。

内爆超压测试罐4是筒状结构，如图3所示，该筒状结构具有大长径比，且壁厚要足够厚、强度足够大，能保证活性材料爆燃反应的发生下测试罐不变形，从而达到重复使用的目的。测试罐的截面可为圆形、方形或其他多边形，材质可选用45号钢、装甲钢、30CrMnSiA合金钢、钨合金、钨铜合金等高密度高强度金属材料。测试罐4包括筒状结构，以及密封安装在筒状结构8两端的顶盖9和底盖15。如图3所示，筒状结构8前端口一定距离为活性药型罩聚能装药2部分。筒状结构8前端通过法兰环10固定顶盖9，具体的，顶盖9与筒状结构8紧密贴合，筒状结构8外径环向打孔，打孔位置尺寸与法兰环10螺孔孔径位置保持一致且一一对应，筒状结构8、顶盖9与法兰环10通过紧固螺栓进行固定，顶盖9被法兰环10与筒状结构8前端夹住，从而实现钢制圆筒结构8和法兰环10对顶盖9的紧密固定。顶盖9中心预留活性射流侵孔通道，根据聚能装药的口径，预留侵孔通道尺寸可以改变，即根据活性射流成型特性，顶盖9可以更换。筒状结构8后端通过衔接圈12和密封环13用底盖15密封住，底盖15与衔接圈12通过螺纹连接。筒状结构8内部放置间隔靶架3，将测试罐分为多个隔舱。沿测试罐上方的一条母线上分布着多个螺纹孔，螺纹孔的尺寸与压力传感器6螺纹尺寸相互匹配以使得测试时压力传感器6可以顺利安装并接收到相关信号，每一个隔舱均设有一个压力传感器6；压力传感器6与数据采集系统7之间通过线材连接，数据采集系统可以对压力传感器所接收到的信号进行采集与处理。活性射流成型后进入圆筒内部，在此过程中活性射流被激活并发生剧烈的化学反应，释放大量的能量，冲击波作用在测试罐体圆筒壁表面，通过压力传感器采集活性射流爆炸所产生的压力信号，可以得到活性射流的能量分布释放特性。筒状结构8通过螺栓将底座14与基座5连接，保证活性射流爆燃反应下测试罐不会移动。筒状结构8上还设有把手16，便于搬运。

间隔靶架3主要由固定支架17与可移动靶板18组成，如图4所示，固定支架17为两根支撑靶板18用的带螺纹钢柱，穿插在靶板18边缘部位，前后用对应的螺栓或焊接将靶板18固定在支架上，根据活性射流成型特性设计靶板的数量及各靶板之间的距离。通常活性射流沿其轴向从头部到尾部速度逐渐递减，且速度梯度比较大，头部射流速度在5000-10000m/s，尾部杵体速度在500-2000m/s，即射流段速度梯度大，杵体段速度梯度小。并且，速度梯度大的射流段长度被拉得更长，故对于一定速度梯度内的活性射流微元能量释放需要的空间更大；然而，杵体段射流速度梯度虽小，但其所占的质量比较大，能量释放需要的空间应大一些，因此在设计间隔靶之间的距离时，通常第一层靶板与顶盖9的距离一般设计为1.5CD～2.5CD(CD为聚能装药的口径)，第二层靶板与第一层靶板之间的距离一般设计为第一层靶板与顶盖9距离的一半，后面几层靶板之间的距离以40％～60％呈递增趋势。特别的，最后一层靶板与底盖之间的距离由测试罐体内腔深度与前面靶板之间距离确定。

筒状结构8的尺寸为：壁厚为30mm～40mm，内径d₁为160mm～200mm，外凸圆盘外径为240mm～280mm，外凸圆盘周向厚度为20mm～30mm，测试罐体内腔深度l₁为3d₁～5d₁可调。固定在测试罐上的顶盖9的厚度，根据经验，一般设计为20mm～30mm厚，预留侵孔孔径一般为聚能装药口径的1倍～1.2倍。固定支架17的长度根据钢制圆筒结构8的内腔深度可调，保证固定支架17可以完全放入测试罐中；靶板18的厚度一般为15mm～25mm厚，预留活性射流侵孔通道，侵孔直径通常为聚能装药口径的1.3倍～1.5倍。再根据间隔靶的位置，布置压力传感器的位置，保证每个压力传感器位于两层间隔靶的中间位置即可。根据活性射流成型特性，筒状结构8的数量可以选择1～3个，两个筒状结构之间通过衔接圈和密封环连接，最后一个筒状结构用底盖15密封。特别的，当一个测试罐的内腔深度l₁小于所测聚能装药口径10倍时，就需再加一个测试罐。

本发明的活性射流化学能分布释放测试系统能够有效测试活性射流在内爆超压测试罐4体内产生的超压-时间曲线，进而对化学能分布释放行为进行研究。在试验时，超压测试系统触发装置与聚能装药2引爆装置并联，在引爆器引爆装药压垮活性药型罩瞬间同时触发超压测试系统，并记录超压数据。数据采集系统要放置于离测试罐4至少10米的位置，并需要设置掩体进行保护，且系统方圆10m内不应有无线通信设备。

在此基础上，首先检查整个测试系统是否正常稳定，检查完毕后，由起爆器将聚能装药2内的炸药引爆，产生的炸药爆轰波进而压垮活性药型罩形成活性射流，活性射流微元在压垮过程中被激活，等到达活性材料弛豫时间，被拉长的活性射流发生化学反应，能量呈现分布式释放。与此同时通过超压测试系统获取测试罐内不同位置的超压-时间曲线，进行数据的采集，完成整个测试流程。数据采集完毕后，根据活性药型罩聚能装药结构和射流成型特性数值模拟结果，更换新的顶盖9和间隔靶架3，可以进行下发试验。若聚能装药的口径不变，仅改变活性药型罩的结构、炸药类型等，就可以用同一套内爆超压测试系统再开展试验。

实施例一

本发明提供了一种活性射流化学能分布释放测试系统。试验中所用的活性药型罩聚能装药由支架支撑，支架与地面固连，聚能装药形状为船尾形，总长度为75mm，装药口径为50mm，其中活性药型罩锥角为60°。活性药型罩聚能装药尾部与内爆超压测试罐紧挨着，内爆超压测试罐体钢制圆筒壁厚为32mm，内径为160mm，测试罐内腔深度为500mm；测试罐体材料为45号钢，在测试罐前端通过法兰环和紧固螺栓实现对20mm厚圆形顶盖的固定，顶盖材料为45号钢，中心预留侵孔通道55mm；在测试罐另一端通过衔接圈和密封环实现对50mm厚底盖的固定，底盖材料也为45号钢。与此同时，将间隔靶通过固定支架进行固定，间隔靶连接钢制圆杆长度496mm；多层间隔靶靶板的厚度及材料为20mm的RHA钢；第一层靶板与圆形顶盖之间的距离为100mm，后面几层间隔靶各靶板之间的距离依次为50mm、75mm和112.5mm，最后一层靶板与底盖之间的距离为162.5mm，即钢靶数量为4，将测试罐分为5个隔舱，据设计好的间距用螺栓将4块RHA钢固定在圆形杆上，4块RHA钢直径均为154mm，预留侵孔通道的孔径为70mm。沿圆筒结构外侧轴线方向，在距离钢制圆筒结构安装顶盖的那一端的端面距离50mm、125mm、187.5mm、281.3mm和418.8mm的位置上，分别布置5个压力传感器，保证压力传感器位于各隔舱的中间位置。传感器用螺纹与测试罐体连接，螺纹规格为M20×1.5规格；超压数据采集频率10K。

实验测试效果：

在进行完前期的准备工作后，开展了一发典型测试，记录数据，获得的超压列于表1。结果表明，采用该测试方法所获得的测试结果稳定可靠，能够获得不同位置活性射流化学能释放的压力，以此对活性射流化学能分布释放特性进行分析研究。

表1采用本发明所涉及的测试系统获得的超压值

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种活性射流化学能分布释放测试系统，其特征在于，包括：支架(1)、测试罐(4)、间隔靶架(3)、基座(5)和超压测试单元；所述超压测试单元包括压力传感器(6)和数据采集系统(7)；

其中，测试罐(4)固连在基座(5)上；测试罐(4)包括两端开口的筒状结构(8)，以及安装在筒状结构(8)两端的顶盖(9)和底盖(15)；

多层间隔靶架(3)放置在测试罐(4)内部，将测试罐(4)分为多个隔舱；压力传感器(6)设置在各隔舱内，并与数据采集系统(7)连接；其中，多层间隔靶架(3)中各靶板的间隔距离从顶部到底部依次递增，其中，第一层靶板与第二层靶板之间的间隔距离为第一层靶板与顶盖(9)间隔距离的一半；第一层靶板与顶盖(9)的间隔距离为1.5CD～2.5CD，CD为待测试活性药型罩聚能装药(2)的口径；顶盖(9)及多层间隔靶架(3)中各靶板的中心预留有活性射流侵孔通道；待测试活性药型罩聚能装药(2)通过支架(1)安装在顶盖(9)外侧并与预留的活性射流侵孔通道相对。

2.如权利要求1所述的活性射流化学能分布释放测试系统，其特征在于，其中，多层间隔靶架(3)中各靶板的间隔距离按40％～60％依次递增。

3.如权利要求1所述的活性射流化学能分布释放测试系统，其特征在于，其中，所述顶盖(9)上预留的活性射流侵孔通道的孔径为待测试活性药型罩聚能装药(2)口径的1～1.2倍。

4.如权利要求1或3所述的活性射流化学能分布释放测试系统，其特征在于，所述顶盖(9)的厚度为20mm～30mm。

5.如权利要求1所述的活性射流化学能分布释放测试系统，其特征在于，其中，所述靶板上预留的活性射流侵孔通道的孔径为待测试活性药型罩聚能装药(2)口径的1.3～1.5倍。

6.如权利要求1或5所述的活性射流化学能分布释放测试系统，其特征在于，所述靶板的厚度为15mm～25mm。

7.如权利要求1所述的活性射流化学能分布释放测试系统，其特征在于，其中，所述间隔靶架(3)包括固定支架(17)和靶板(18)；所述靶板(18)可沿固定支架移动。

8.如权利要求1所述的活性射流化学能分布释放测试系统，其特征在于，测试罐(4)包括多个筒状结构(8)，多个筒状结构(8)通过衔接圈(12)和密封环(13)依次密封连接。

9.如权利要求1或8所述的活性射流化学能分布释放测试系统，其特征在于，所述筒状结构(8)的截面为圆形或多边形。

10.如权利要求1或8所述的活性射流化学能分布释放测试系统，其特征在于，所述筒状结构(8)的壁厚为30mm～40mm，筒状结构(8)内径d₁为160mm～200mm；所述测试罐(4)的内腔深度为3d₁～5d₁。

11.如权利要求1所述的活性射流化学能分布释放测试系统，其特征在于，所述筒状结构(8)、顶盖(9)、底盖(15)，以及间隔靶架(3)采用45号钢、装甲钢、30CrMnSiA合金钢、钨合金或钨铜合金制成。

12.一种活性射流化学能分布释放测试方法，其特征在于，采用如权利要求1～11任一所述的系统进行测试，包括：

步骤1，根据待测试活性药型罩聚能装药(2)的口径设置间隔靶架(3)各靶板间距、各靶板和顶盖(9)上预留活性射流侵孔通道的孔径，以及测试罐(4)内腔深度；装配待测试活性药型罩聚能装药(2)以及所述测试系统；

步骤2，采用起爆器起爆待测试活性药型罩聚能装药(2)，并同步触发超压测试系统，记录超压数据；

步骤3，根据记录的超压数据，获得超压-时间曲线，根据所述超压-时间曲线获得待测试活性药型罩聚能装药(2)的化学能释放特性。

Images