CN116381184B - 模拟高原环境爆炸多元毁伤效应的实验装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了模拟高原环境爆炸多元毁伤效应的实验装置及测试方法，爆炸实验装置领域，其包括爆炸罐本体，所述爆炸罐本体上设置有观察窗、开口、抽气管和充气管，所述抽气管连接真空泵，所述充气管连接氮气瓶；所述爆炸罐本体内部设置有准静压传感器、温压药柱、热电偶温度传感器、氧浓度传感器和压力传感器。本发明中真空泵通过抽气管将爆炸罐本体内部空气吸走，形成低压，可根据高原的高度需要设定爆炸罐本体内部的压力，氮气瓶通过充气管对爆炸罐本体内部进行氮气填充，来达到氧浓度的调控，进而达到调节氧浓度的作用，来模拟高原环境低压低氧的环境，以便于检测温压炸药的性能。
Description
技术领域
本发明涉及爆炸实验装置领域，特别是模拟高原环境爆炸多元毁伤效应的实验装置及测试方法。
背景技术
20世纪80年代以来，以温压弹药为主要代表的新型高能高效弹药开始在战争中使用，凸显出令人胆寒的巨大破坏杀伤能力，被美、俄等军事强国列为重点发展方向，成功应用于航空炸弹、制导炸弹、钻地弹、火箭弹等系列武器装备。与传统弹药不同，温压弹药能量密度更高，可与固体燃料结合，通过多次燃爆实现高速破片、长时高冲量冲击、高热辐射及耗氧窒息等相结合的多重耦合毁伤机制，摧毁军事工事，大范围杀伤隐藏于军事工程内的人员、设备等。我国高原地区幅员辽阔，其中青藏高原作为我国的重要战略要地，具有海拔高、气压低、含氧量低等特点，高原环境特征与以往武器效应试验环境差异较大，目前缺乏高原地区武器爆炸威力、毁伤破坏效应的系统研究。
目前，申请公布号为CN 111161583 A的中国专利公开了模拟爆炸训练装置种模拟爆炸训练装置，利用该模拟爆炸训练装置不仅能让安检搜排爆人员充分了解各种不同电起爆功能模块的基本原理和结构，提高训练效果，还可以控制训练成本。但是只能用于低海拔常规环境，而当前标准规范中采用的爆炸效应参数多来自低海拔常规环境，加之现役弹药尤其是以温压弹药为代表的新型弹药多为非理想弹药，在不同环境下具有不同能量输出与冲击波传播机制，如不加修正地采用标准规范中的参数，势必将误导爆炸毁伤效应评估和工程防护设计，而高原环境弹药爆炸毁伤效应实验是上述研究的基本前提，但高原实验由于实验代价高，实验环境恶劣，实验结果又受外界因素影响，因此，需要模拟高原环境爆炸多元毁伤效应的实验装置及测试方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有的爆炸实验装置，只能用于低海拔常规环境，而当前标准规范中采用的爆炸效应参数多来自低海拔常规环境，加之现役弹药尤其是以温压弹药为代表的新型弹药多为非理想弹药，在不同环境下具有不同能量输出与冲击波传播机制，如不加修正地采用标准规范中的参数，势必将误导爆炸毁伤效应评估和工程防护设计。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：模拟高原环境爆炸多元毁伤效应的实验装置，其包括爆炸罐本体，所述爆炸罐本体上设置有观察窗、开口、抽气管和充气管，所述抽气管连接真空泵，所述充气管连接氮气瓶；所述爆炸罐本体内部设置有准静压传感器、温压药柱、热电偶温度传感器、氧浓度传感器和压力传感器，所述温压药柱与电雷管连接，所述准静压传感器、热电偶温度传感器和压力传感器分别与数据采集线连接，数据采集器连接数据采集器、数据采集器连接控制模块。
作为本发明所述模拟高原环境爆炸多元毁伤效应的实验装置的优选方案，其中：所述开口铰接连接活动门。
作为本发明所述模拟高原环境爆炸多元毁伤效应的实验装置的优选方案，其中：所述爆炸罐本体外壁上固定连接固定块，所述固定块设置于开口两侧，固定块上设置有卡槽，卡槽内壁设置有栓条。
作为本发明所述模拟高原环境爆炸多元毁伤效应的实验装置的优选方案，其中：所述活动门上设置有冷却件，所述冷却件包括固定盘、内管、外管和进水管，所述固定盘固定连接活动门，并且固定盘内部设置有容纳腔，容纳腔通过出水口与外界相连，内管滑动穿过容纳腔轴心，内管外壁滑动连接外管内壁，外管固定连接活动门，进水管固定连接外管，并且进水管连通外管，内管上设置有第一进水口和第二进水口。
作为本发明所述模拟高原环境爆炸多元毁伤效应的实验装置的优选方案，其中：所述冷却件还包括固定管、活动筒和弹簧，所述固定管固定连接固定盘，固定管外壁滑动连接活动筒，活动筒内端壁固定连接弹簧一端，弹簧另一端固定连接固定盘，所述活动筒内端壁固定连接内管。
作为本发明所述模拟高原环境爆炸多元毁伤效应的实验装置的优选方案，其中：所述出水口圆周设置于容纳腔外部，并且出水口远离容纳腔一端朝向活动门边缘部分。
作为本发明所述模拟高原环境爆炸多元毁伤效应的实验装置的优选方案，其中：所述内管外壁横截面为方形，并且外管对应内管设置。
作为本发明所述模拟高原环境爆炸多元毁伤效应的实验装置的优选方案，其中：所述爆炸罐本体底部设置有通口，所述爆炸罐本体外壁固定连接支撑杆。
作为本发明所述模拟高原环境爆炸多元毁伤效应的实验装置的优选方案，其中：所述抽气管上设置有压力表和第一球阀，所述充气管上设置有第二球阀。
模拟高原环境爆炸多元毁伤效应的测试方法，其包括：步骤1：更换爆炸罐本体内的空气；步骤2：固定电雷管和温压药柱；步骤3：封闭活动门；步骤4：抽出爆炸罐本体内部的部分空气，观察压力表，达到指定数值后关闭第一球阀，若氧浓度过高，继续抽取爆炸罐本体内部的空气，然后填充氮气，在爆炸罐本体内部营造高原低压低氧环境；步骤5：通过电雷管起爆温压药柱，进行爆炸实验；步骤6：采集实验数据重复步骤，更换爆炸罐本体内部的气体；步骤7：清理爆炸罐本体内爆轰产物及爆炸残留杂质。
本发明的有益效果：本发明中真空泵通过抽气管将爆炸罐本体内部空气吸走，形成低压，可根据高原的高度需要设定爆炸罐本体内部的压力，氮气瓶通过充气管对爆炸罐本体内部进行氮气填充，来达到氧浓度的调控，进而达到调节氧浓度的作用，来模拟高原环境低压低氧的环境，以便于检测温压炸药的性能，获取高原低压低氧的环境下温压炸药温压炸药的能量输出与冲击波传播机制，获取其爆炸相关的参数，便于进行爆炸毁伤效应评估和工程防护设计。
附图说明
图1为本公开实施例中的整体结构示意图。
图2为本公开实施例中的剖视图。
图3为本公开实施例中的开口和活动门结构示意图。
图4为本公开实施例中的活动门结构示意图。
图5为本公开实施例中的冷却件结构示意图。
图6为本公开实施例中的外管剖视图。
图7为本公开实施例中的冷却件工作时结构示意图。
图8为本公开实施例中的模拟海拔4500米高原环境下爆炸冲击波压力变化图。
图9为本公开实施例中的模拟海拔4500米高原环境下准静态压力变化图。
图10为本公开实施例中的模拟海拔4500米高原环境下氧浓度变化图。
图11为本公开实施例中的模拟海拔4500米高原环境下爆炸热辐射温度变化图。
附图标记：1爆炸罐本体，2数据采集线，3开口，31活动门，32固定块，321卡槽，322栓条，33冷却件，331固定盘，3311容纳腔，3312出水口，332内管，3321第一进水口，3322第二进水口，333外管，334进水管，335固定管，336活动筒，337弹簧，4准静压传感器，5温压药柱，6电雷管，7氧浓度传感器，8压力表，9观察窗，10热电偶温度传感器，11真空泵，12氮气瓶，13第一球阀，14压力传感器，15数字采集器，16控制模块，17支撑杆，18抽气管、19充气管，20第二球阀，21通口。
实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例
参照图1和图2，该实施例提供了模拟高原环境爆炸多元毁伤效应的实验装置，其包括爆炸罐本体1，所述爆炸罐本体1上设置有观察窗9、开口3、抽气管18和充气管19，所述抽气管18连接真空泵11，所述充气管19连接氮气瓶12。
本实施例中优选的，所述爆炸罐本体1空腔内部长度1641mm、高度1600mm，体积约为2.6立方米。其一侧为观察窗9，并且观察窗9为圆形，直径为300mm，优选采用光学防爆玻璃，厚度为40mm，可抗150MPa的压力，可观察炸药爆炸的火球变化及后燃烧现象。开口3设置于观察窗9对面。抽气管18和充气管19优选采用抗爆波纹管，有利于提高抗压抗爆抗高温的能力。
所述爆炸罐本体1内部设置有准静压传感器4、温压药柱5、热电偶温度传感器10、氧浓度传感器7和压力传感器14，所述温压药柱5与电雷管6连接，所述准静压传感器4、热电偶温度传感器10和压力传感器14分别与数据采集线2连接，数据采集器15连接数据采集器15、数据采集器15连接控制模块16。
本实施例中优选的，通过开口3能够往爆炸罐本体1内部放置温压药柱5，或在爆炸罐本体1内部设置准静压传感器4、热电偶温度传感器10、氧浓度传感器7和压力传感器14。通过电雷管6能够远程起爆温压药柱5，进行爆炸实验。改变温压药柱5不同的装药量便于对不同的当量的炸药进行爆炸毁伤测试，获取其爆炸相关的参数。通过现有的准静压传感器4能够对爆炸罐本体1内部的气压数据进行采集，通过热电偶温度传感器10能够对爆炸罐本体1内部的温度数据进行采集，通过氧浓度传感器7能够对爆炸罐本体1内部的氧浓度数据进行检测，然后通过抽走爆炸罐本体1内部的空气，往爆炸罐本体1内部填充氮气的方法控制爆炸罐本体1的氧浓度，通过准静压传感器4能够对爆炸罐本体1内部的爆炸产生的压力数据进行采集。准静压传感器4、热电偶温度传感器10和压力传感器14分别通过数据采集线2，能够将采集的数据输入现有的数据采集器15中，然后数据采集器15将数据输入控制模块16，控制模块16优选采用现有的电脑，对采集的数据进行分析。
启动真空泵11，真空泵11通过抽气管18将爆炸罐本体1内部空气吸走，形成低压，可根据高原的高度需要设定爆炸罐本体1内部的压力，氮气瓶12通过充气管19对爆炸罐本体1内部进行氮气填充，来达到氧浓度的调控，进而达到调节氧浓度的作用，来模拟高原环境低压低氧的环境，以便于检测温压炸药的性能，获取高原低压低氧的环境下温压炸药温压炸药的能量输出与冲击波传播机制，获取其爆炸相关的参数，便于进行爆炸毁伤效应评估和工程防护设计。
实施例
参照图1至图7，该实施例基于上一个实施例，与上一个实施例不同之处在于。
参照图2，所述开口3铰接连接活动门31。
本实施例中优选的，通过活动门31能够对开口3进行封闭。
参照图3，所述爆炸罐本体1外壁上固定连接固定块32，所述固定块32设置于开口3两侧，固定块32上设置有卡槽321，卡槽321内壁设置有栓条322。
本实施例中优选的，将栓条322放置在卡槽321中，能够将活动门31从外部进行封闭，避免爆炸罐本体1内部在进行爆炸实验时，活动门31被炸开。
参照图4至图6，所述活动门31上设置有冷却件33，所述冷却件33包括固定盘331、内管332、外管333和进水管334，所述固定盘331固定连接活动门31，并且固定盘331内部设置有容纳腔3311，容纳腔3311通过出水口3312与外界相连，内管332滑动穿过容纳腔3311轴心，内管332外壁滑动连接外管333内壁，外管333固定连接活动门31，进水管334固定连接外管333，并且进水管334连通外管333，内管332上设置有第一进水口3321和第二进水口3322。
本实施例中优选的，将进水管334远离外管333的一端与水泵连接，水泵将水泵入进水管334，然后进水管334里的水通过第一进水口3321进入内管332，通过第二进水口3322进入容纳腔3311，然后从出水口3312喷出，喷到活动门31上，防止活动门31和开口3接触的部分由于温压炸药持久燃烧的特性将其熔化，导致活动门31和开口3接触的部分粘连在一起。
参照图5至图7，所述冷却件33还包括固定管335、活动筒336和弹簧337，所述固定管335固定连接固定盘331，固定管335外壁滑动连接活动筒336，活动筒336内端壁固定连接弹簧337一端，弹簧337另一端固定连接固定盘331，所述活动筒336内端壁固定连接内管332。
本实施例中优选的，在初始位置时，也就是图5中固定管335和活动筒336的位置，此时在弹簧337弹力的作用下，将活动筒336推到图5中的位置，此活动筒336带动内管332移动到图7中的位置，此时第一进水口3321与进水管334相错开，进水管334的水无法进入第一进水口3321中。当爆炸罐本体1内部的温压药柱5爆炸产生的压力，压迫活动筒336，压力克服弹簧337弹力，推动活动筒336滑动，活动筒336带动内管332移动到图6中的位置，此时进水管334里的水通过第一进水口3321进入内管332，通过第二进水口3322进入容纳腔3311，然后从出水口3312喷出，喷到活动门31上，防止活动门31和开口3接触的部分由于温压炸药持久燃烧的特性将其熔化，导致活动门31和开口3接触的部分粘连在一起，在爆炸结束后，压力消失，弹簧337弹力的作用下，将活动筒336推到图5中的位置，固定管335和活动筒336回到初始位置，完成复位，无需额外控制，能够在温压药柱5爆炸时对活动门31和开口3接触的部分进行冷却，爆炸结束后自动关水，完成复位。
参照图5，所述出水口3312圆周设置于容纳腔3311外部，并且出水口3312远离容纳腔3311一端朝向活动门31边缘部分。
本实施例中优选的，有利于提高对活动门31和开口3接触的部分的冷却效果。
参照图6，所述内管332外壁横截面为方形，并且外管333对应内管332设置。
本实施例中优选的，防止内管332和外管333之间出现相对转动，保证第一进水口3321朝向进水管334。
参照图1，所述爆炸罐本体1底部设置有通口21。
本实施例中优选的，通口21上可以设置阀门，通过通口21便于清理爆炸罐本体1内部残留的爆炸物。
参照图1，所述抽气管18上设置有压力表8和第一球阀13，所述充气管19上设置有第二球阀20。
本实施例中优选的，由于抽气管18和爆炸罐本体1相连通，通过有压力表8能够检测抽气管18和爆炸罐本体1内部的压力，通过第一球阀13能够打开或者封闭抽气管18。启动真空泵11，真空泵11通过抽气管18将爆炸罐本体1内部空气吸走，同时打开通口21上的阀门，空气从外部进入爆炸罐本体1，能够迅速置换爆炸罐本体1内部爆炸产生的气体，便于进行下次实验。第二球阀20能够打开或者封闭充气管19。
参照图1，所述爆炸罐本体1外壁固定连接支撑杆17。
本实施例中优选的，通过支撑杆17能够对爆炸罐本体1起到固定支撑作用。
实施例
参照图8至图11，该实施例基于上一个实施例，与上一个实施例不同之处在于，提供了模拟高原环境爆炸多元毁伤效应的测试方法。
步骤1：更换爆炸罐本体1内的空气。
打开真空泵11，将爆炸罐本体1内气体抽出，随后关闭真空泵11，开启通口21上的阀门，使得容器内压力恢复至一个大气压，如此往复三次，以此保证爆炸罐本体1内的气体干净。
步骤2：固定电雷管6和温压药柱5。
在爆炸罐本体1内部，将电雷管6和温压药柱5固定好位置。
步骤3：封闭活动门31。
步骤3：确认爆炸罐本体1内部各个设备无误后关闭活动门31，将栓条322放置在卡槽321中，能够将活动门31从外部进行封闭。
步骤4：抽出爆炸罐本体1内部的部分空气，观察压力表8，达到指定数值后关闭第一球阀13，若氧浓度过高，可以继续抽取爆炸罐本体1内部的空气，然后填充氮气，在爆炸罐本体1内部营造高原低压低氧环境。
在起爆炸药前，打开真空泵11，将爆炸罐本体1内部的部分空气抽出，观察压力表8，达到指定数值后关闭第一球阀13，若氧浓度过高，可以继续抽取爆炸罐本体1内部的空气，然后填充氮气，在爆炸罐本体1内部营造高原低压低氧环境。
步骤5：通过电雷管6起爆温压药柱5，进行爆炸实验。
确认人员处于安全区域后，通过电雷管6起爆温压药柱5，进行爆炸实验。
步骤6：采集实验数据重复步骤1，更换爆炸罐本体1内部的气体。
采集实验数据重复步骤1，更换爆炸罐本体1内部的气体，避免爆炸罐本体1残余爆炸气体影响下一次试验精度。
步骤7：清理爆炸罐本体1内爆轰产物及爆炸残留杂质。
清理爆炸罐内爆轰产物及爆炸残留杂质，避免爆炸罐本体1内爆轰产物及爆炸残留杂质影响下一次试验精度。
本装置可模拟温压炸药在不同压力工况下的爆炸全过程，可实现低压工况下的燃爆特性研究，可建立不同梯度的初始压力模拟环境，可根据海拔模拟0米~5000米海拔高度的低压环境，打开真空泵11，调节爆炸罐本体1内部的压力，采用置换法，先进行抽真空处理，然后将氮气进行填充，按照计算的结果，将对应氮气量充入爆炸罐本体1内部达到所需氧浓度含量。
点火后，压力曲线随着罐体内部初始压力的减小而减小，在爆炸反应完成时达到最大值，然后，由于热损失，压力随着时间的推移逐渐减小并维持在一定压力范围内，本装置优势在于可采集压力、准静态、氧浓度等多项分析参数，本装置亦在试验过程中，在装置外部放置红外仪器和高速相机通过对开观察窗抓拍内部爆炸瞬间的火球情况。温压炸药在本装置内部模拟4500米高度工况下不同距离的爆轰压力数据、准静态压如图8、图9所示。
本装置建立的低压低氧密闭爆炸罐环境，能够模拟温压炸药在高原高寒地区时的使用场景，适用面广泛，且适用高原、中高低压力环境、低氧、复杂环境条件等多种工况环境下的实验条件，尤其适用于温压炸药及高爆炸药的爆轰测量与评价研究使用；本发明中布置的准静压传感器4、冲击波压力传感器14、准静压传感器4、热电偶温度传感器10、氧浓度传感器7可以测量温压炸药爆炸后的冲击波压力-时间曲线、准静态压力-时间曲线、温度-时间曲线、氧浓度-时间曲线，为揭示高原环境参数对温压炸药爆炸释能影响机制，阐明温压炸药爆炸毁伤元耦合毁伤机理提供了实验手段，有利于提高测试的高效性及安全性，降低成本，且安全系数好。
Claims (7)
1.模拟高原环境爆炸多元毁伤效应的实验装置，其特征在于：包括爆炸罐本体（1），所述爆炸罐本体（1）上设置有观察窗（9）、开口（3）、抽气管（18）和充气管（19），所述抽气管（18）连接真空泵（11），所述充气管（19）连接氮气瓶（12），所述开口（3）铰接连接活动门（31）；
所述爆炸罐本体（1）内部设置有准静压传感器（4）、温压药柱（5）、热电偶温度传感器（10）、氧浓度传感器（7）和冲击波压力传感器（14），所述温压药柱（5）与电雷管（6）连接，所述准静压传感器（4）、热电偶温度传感器（10）和冲击波压力传感器（14）分别与数据采集线（2）连接，数据采集线（2）连接数据采集器（15）、数据采集器（15）连接控制模块（16）；
所述活动门（31）上设置有冷却件（33），所述冷却件（33）包括固定盘（331）、内管（332）、外管（333）、进水管（334）、固定管（335）、活动筒（336）和弹簧（337），所述固定盘（331）固定连接活动门（31），并且固定盘（331）内部设置有容纳腔（3311），容纳腔（3311）通过出水口（3312）与外界相连，内管（332）滑动穿过容纳腔（3311）轴心，内管（332）外壁滑动连接外管（333）内壁，外管（333）固定连接活动门（31），进水管（334）固定连接外管（333），并且进水管（334）连通外管（333），内管（332）上设置有第一进水口（3321）和第二进水口（3322）；
所述固定管（335）固定连接固定盘（331），固定管（335）外壁滑动连接活动筒（336），活动筒（336）内端壁固定连接弹簧（337）一端，弹簧（337）另一端固定连接固定盘（331），所述活动筒（336）内端壁固定连接内管（332）。
2.如权利要求1所述的模拟高原环境爆炸多元毁伤效应的实验装置，其特征在于：所述爆炸罐本体（1）外壁上固定连接固定块（32），所述固定块（32）设置于开口（3）两侧，固定块（32）上设置有卡槽（321），卡槽（321）内壁设置有栓条（322）。
3.如权利要求1所述的模拟高原环境爆炸多元毁伤效应的实验装置，其特征在于：所述出水口（3312）圆周设置于容纳腔（3311）外部，并且出水口（3312）远离容纳腔（3311）一端朝向活动门（31）边缘部分。
4.如权利要求1所述的模拟高原环境爆炸多元毁伤效应的实验装置，其特征在于：所述内管（332）外壁横截面为方形，并且外管（333）对应内管（332）设置。
5.如权利要求1所述的模拟高原环境爆炸多元毁伤效应的实验装置，其特征在于：所述爆炸罐本体（1）底部设置有通口（21），所述爆炸罐本体（1）外壁固定连接支撑杆（17）。
6.如权利要求1所述的模拟高原环境爆炸多元毁伤效应的实验装置：所述抽气管（18）上设置有压力表（8）和第一球阀（13），所述充气管（19）上设置有第二球阀（20）。
7.模拟高原环境爆炸多元毁伤效应的测试方法，包括如权利要求1-6任一所述的模拟高原环境爆炸多元毁伤效应的实验装置，其特征在于：
步骤1：更换爆炸罐本体（1）内的空气；
步骤2：固定电雷管（6）和温压药柱（5）；
步骤3：封闭活动门（31）；
步骤4：抽出爆炸罐本体（1）内部的部分空气，观察压力表（8），达到指定数值后关闭第一球阀（13），若氧浓度过高，继续抽取爆炸罐本体（1）内部的空气，然后填充氮气，在爆炸罐本体（1）内部营造高原低压低氧环境；
步骤5：通过电雷管（6）起爆温压药柱（5），进行爆炸实验；
步骤6：采集实验数据重复步骤1，更换爆炸罐本体（1）内部的气体；
步骤7：清理爆炸罐本体（1）内爆轰产物及爆炸残留杂质。
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