CN116659405A - 一种炸药爆轰临界直径测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种炸药爆轰临界直径测量系统及测量方法，属于炸药爆轰临界直径测量技术领域，解决了现有爆轰临界直径测量精度低的问题。本发明包括：装药固定装置、触发探针、示波器、激光发生器、激光干涉仪、激光探头和装药装置；装药固定装置支撑装药装置和激光探头；待测药柱装填于圆台筒内部，触发探针一端连接炸药透镜，另一端连接示波器；多个激光探头对圆台筒变形情况进行探测，同时激光探头连接所述激光发生器和激光干涉仪；示波器同时与触发探针和激光干涉仪连接。本发明通过激光探头监测引爆炸药后装药装置的变形情况，进而实现了对炸药爆轰临界直径的测量且提高了测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及炸药爆轰临界直径测量技术领域，尤其涉及一种炸药爆轰临界直径测量系统及测量方法。
背景技术
在传爆序列设计中，为了满足火工品小型化发展的需要,经常使用小尺寸装药来传递爆轰波，例如爆炸网格全部是由小尺寸装药构成的，而小尺寸装药与大尺寸相比，爆轰波的传播有独特的性质。因此，研究小尺寸装药的爆轰波传播便成为火工品设计的重要课题。在实际应用中，一般小尺寸装药通常为圆柱形装药和矩形截面条形装药，圆柱形装药用临界直径来表征，用临界直径的长度来表征装药截面尺寸，爆轰的临界直径是决定炸药爆轰能力的主要使用特性之一。
柱状装药作为混合炸药的常用装药形式，被广泛应用于传爆序列设计中，其爆轰传播极限对武器系统的可靠性评价和安全性评估具有重要意义。同时在稳定起爆前提下，为了满足传爆序列日益追求小型化和高安全的需求，传爆序列结构尺寸不断被优化，这就需要对传爆药特性有着更加准确的了解。因此，精准测量传爆炸药的爆轰临界直径，对深刻理解起爆传爆过程、科学的指导传爆序列设计及引信的可靠性评价等均具有重要的意义。
目前测量圆柱形装药爆临界直径的方法主要有两种：锥形装药法和阶梯装药法。
第一种方法应用最为广泛，其验证方法常采用验证板或连续压导探针法测量熄爆位置进而得到临界直径。其中，验证板法虽然操作简便，但在判定爆轰波中断位置时完全依靠肉眼观测，缺乏定量的判定依据，并且爆轰传播在过冲作用下常常在比临界值低的位置发生熄灭，易产生误判。连续压导法则需要在待测圆锥形装药的主轴中嵌入连续的两个平行导线，这就破坏了装药结构，影响爆轰传播过程。对于尺寸较大的装药这种影响不大，但对于尺寸较小装药的影响不可忽略，降低了测量的准确性。同时，对于压装的小尺寸锥形装药，嵌入导线可能导致装药的成型性较差，测量过程中的移动可能导致装药断裂、破碎，影响测量的开展。
第二种方法通常采用若干电探针平行插入药柱截面中记录爆速的变化，通过爆速随直径减小的变化曲线来获取炸药的临界直径。电探针法测量是通过记录探针信号计算爆速进而得到试样熄爆时对应的直径值，这种方法的测量精度取决于加工药柱的直径差。
因此，需要提供一种新的测量传爆炸药的爆轰临界直径的装置，以实现对传爆炸药的爆轰临界直径的测量，并保证测量精度。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种炸药爆轰临界直径测量系统及测量方法，用以解决现有传爆炸药爆轰直径测量方法测量精度低的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种炸药爆轰临界直径测量系统，包括：装药固定装置、触发探针、示波器、激光发生器、激光干涉仪、激光探头和装药装置；
所述装药固定装置包括：固定底座、探头固定架和定位支架；所述固定底座上安装有多个定位支架，且多个定位支架的高度不同；所述定位支架用于支撑所述装药装置；
装药装置包括：圆台筒、连接套筒、炸药透镜、雷管和待测药柱；所述圆台筒用于装填所述待测药柱；所述炸药透镜为能够产生平面爆轰波的炸药平面波发生器；所述连接套筒用于连接所述炸药透镜和所述圆台筒；所述雷管安装在所述炸药透镜上，用于起爆所述炸药透镜；
所述触发探针一端连接所述炸药透镜，另一端连接所述示波器；多个所述激光探头固定在探头固定架上，且所述激光探头连接所述激光发生器和激光干涉仪；所述示波器同时与所述触发探针和所述激光干涉仪连接。
进一步地，所述定位支架滑动安装在所述固定底座上，且能够沿所述装药装置的轴线方向滑移。
进一步地，所述固定底座上设有线形滑槽，所述定位支架的底部设有定位滑杆；所述定位滑杆滑动安装在所述线形滑槽中，并能通过紧固件进行固定。
进一步地，所述探头固定架上设有多个呈线形排列的探头定位孔，所述激光探头安装在所述探头定位孔中且排成一条直线；所述装药装置的轴线平行于所述激光探头排成的直线。
进一步地，所述定位支架的上端设有V形槽；所述V形槽用于限位和支撑所述装药装置。
一种炸药爆轰临界直径测量方法，采用炸药爆轰临界直径测量系统进行炸药爆轰临界直径的测量；测量方法包括以下步骤：
步骤S1：获取炸药的爆轰临界直径的区间D2~D1，D1>D2；
步骤S2：根据步骤S1中获得的爆轰直径的区间D2~D1，确定圆台筒的两端端口的内径尺寸；通过对爆轰产物驱动圆台筒变形的过程进行仿真分析或理论分析，确定圆台筒的壁厚；根据测量爆轰临界直径所需要的测量精度，确定圆台筒长度、激光探头的数量和相邻激光探头的间距；
步骤S3：将待测药柱组装到装药装置；
步骤S4：将装药装置安装到装药固定装置上进行支撑定位，并搭建所述炸药爆轰临界直径测量系统；
步骤S5：引爆雷管，炸药爆炸后，爆轰波沿待测药柱轴向传播，爆轰反应产物使圆台筒发生径向膨胀；激光发生器发出的一束激光信号由激光探头直射到圆台筒之后发生反射，与另一束激光信号发生干涉，干涉信号通过激光干涉仪进行采集并处理，通过示波器记录干涉信号；通过记录的干涉信号得到圆台筒的筒壁膨胀的速度曲线，进而能够获取筒壁膨胀速度为0时对应的激光探头的位置，计算出该位置待测药柱的直径，所述直径即为装药的爆轰临界直径。
进一步地，所述步骤S2中，圆台筒内径尺寸与待测药柱的外径尺寸相同；所述圆台筒的大端端口的内径为D1，圆台筒的小端端口的内径为D2；所述圆台筒的壁厚d满足爆轰产物能够驱动其变形。
进一步地，所述步骤S3中，所述装药装置的组合方式为：
步骤31：将待测药柱与圆台筒组合，形成圆台装药组件；
步骤32：采用连接套筒将圆台筒与炸药透镜连接；
步骤33：在炸药透镜的端部设置雷管，并在炸药透镜的内部设置触发探针。
进一步地，所述步骤S4中，所述装药固定装置对装药装置的固定方式为：
步骤41：根据激光探头的数量和间距，确定装药固定装置的结构尺寸；
步骤42：将装药装置放置于定位支架的V形槽中，通过定位支架对装药装置进行支撑；
步骤43：调节多个定位支架在固定底座上的位置，使装药装置的轴线平行于激光探头所在直线，且所述装药装置和所述激光探头的高度相等。
进一步地，所述步骤S4中，所述炸药爆轰临界直径测量系统的搭建方式为：将所述触发探针的一端连接所述炸药透镜，另一端连接所述示波器；将多个所述激光探头固定在装药固定装置的探头固定架上，同时将所述激光探头与所述激光发生器和激光干涉仪连接，将示波器与激光干涉仪连接，完成整个炸药爆轰临界直径测量系统的搭建。
本发明技术方案至少能够实现以下效果之一：
1.本发明的炸药爆轰临界直径测量系统和测量方法，采用激光探头探测圆台筒的膨胀速度，进而根据圆台筒形状参数和测得的圆台筒筒壁变形速度为零的位置确定爆轰临界直径的大小，不但响应速度快，而且保证了测量的真实性和准确性。
2.本发明的炸药爆轰临界直径测量系统和测量方法，采用圆台筒作为装药结构，圆台筒的最大直径和最小直径根据阶梯法测得的直径区间确定，且圆台筒中的待测药柱的直径连续递减，并设置多个并排的激光探头对临界位置进行探测，克服了阶梯装药测量精度低的问题，可大幅提升临界直径的测量精度。
3.本发明的炸药爆轰临界直径测量系统和测量方法，采用的金属材质的圆台筒和装药固定装置对药柱进行固定，能够有效保护和固定小尺寸的待测药柱，解决了压装炸药成型性差带来的药柱易碎的问题。
4.本发明的炸药爆轰临界直径测量系统和测量方法，设置固定底座和定位支架对装药装置进行支撑和定位，同时设置探头固定支架对激光探头进行支撑和定位，保证连续排列的激光探头所在直线与装药装置的轴线高度一致。保证激光探头探测结果的准确性，进而保证测得的爆轰临界直径的精准度。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件；
图1为本发明的炸药爆轰临界直径测量系统示意图；
图2为装药装置与装药固定装置的组合状态示意图；
图3为装药装置的结构组成示意图；
图4为装药固定装置的结构组成示意图；
图5为定位支架在固定底座上的安装状态示意图；
图6为定位支架与固定底座的安装方式之一；
图7为定位支架与固定底座的安装方式之二；
图8为探头固定架的结构示意图；
图9为阶梯法测量炸药爆轰临界原理图；
图10为本发明的圆台形装药装置的几何关系示意图；
图11为爆轰波运动到B点的爆轰状态示意图；
图12为爆轰波运动到A点的爆轰状态示意图；
图13为筒壁微元运动过程示意图；
图14为爆轰产物速度示意图。
附图标记：
1-装药固定装置；2-触发探针；3-示波器；4-激光发生器；5-激光干涉仪；6-激光探头；7-装药装置；
101-固定底座；102-探头固定架；103-定位支架；104-定位滑杆；105-第一紧固螺母；106-第二紧固螺母；107-紧固螺栓；
1011-线形滑槽；1012-第一固定孔；1021-探头定位孔；1022-第二固定孔；
701-圆台筒；702-连接套筒；703-炸药透镜；704-雷管；705-待测药柱。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本发明的一个具体实施例，公开了一种炸药爆轰临界直径测量系统，如图1所示，包括：装药固定装置1、触发探针2、示波器3、激光发生器4、激光干涉仪5、激光探头6和装药装置7。
其中，装药固定装置1用于支撑定位装药装置7和激光探头6。
如图3所示，装药装置7包括：圆台筒701、连接套筒702、炸药透镜703、雷管704和待测药柱705；所述圆台筒701用于装填所述待测药柱705；所述炸药透镜703为能够产生平面爆轰波的炸药平面波发生器；所述连接套筒702用于连接所述炸药透镜703和所述圆台筒701；所述雷管704安装在所述炸药透镜703上，用于起爆所述炸药透镜703。
如图1所示，所述触发探针2一端连接所述炸药透镜703，另一端连接所述示波器3；触发探针2用于触发示波器3记录起爆时刻。多个所述激光探头6固定在装药固定装置1的探头固定架102上，同时所述激光探头6连接所述激光发生器4和激光干涉仪5；所述示波器3同时与所述触发探针2和所述激光干涉仪5连接。
具体地，圆台筒701用于固定待测药柱705。圆台筒701采用紫铜材料，筒壁内外光滑，两端内径和长度与待测药柱705一致；示例性地，圆台筒701筒壁厚度为1mm（毫米）。
具体地，如图3所示，连接套筒702罩设在炸药透镜703和待测药柱705的外部，且与圆台筒701连接，进而实现炸药透镜703和待测药柱705的连接。
具体地，炸药透镜703由两种高低爆速的炸药组合而成，用于产生平面爆轰波。炸药透镜703可采用本领域常规技术手段进行制作。
本发明的一种具体实施方式中，如图2、图4所示，所述装药固定装置1包括：固定底座101、探头固定架102和定位支架103；固定底座101上安装有多个定位支架103，且多个定位支架103高度不同；定位支架103用于支撑所述装药装置7。
具体地，固定底座101用于支撑整个装药固定装置1。如图2、图4所示，固定底座101为倒置的U形结构；本发明的一种具体实施方式中，固定底座101采用有机玻璃材质。
具体地，探头固定架102固定安装在固定底座101的两侧；探头固定架102用于固定激光探头6。具体地，探头固定架102采用有机玻璃材质，
进一步地，探头固定架102与固定底座101之间通过紧固螺栓107连接固定；具体地，固定底座101的侧面设置第一固定孔1012，探头固定架102的下端开设第二固定孔1022，紧固螺栓107安装在第二固定孔1022和第一固定孔1012中，将探头固定架102和固定底座101固定为一体。
进一步地，如图4、图8所示，探头固定架102的上端设有等间距排列的多个探头定位孔1021；激光探头6通过粘接或卡合的方式安装在探头定位孔1021中。
进一步地，探头固定架102上设置刻度，用于显示激光探头6所在位置。
具体地，探头固定架102为平板结构，如图8所示。或者，探头固定架102为弧形柱面结构，两个探头固定架102对称安装在固定底座101的两侧（图中未示出）。
进一步地，如图5所示，所述定位支架103滑动安装在所述固定底座101上，且能够沿所述装药装置7的轴线方向滑移。
具体地，所述固定底座101上设有线形滑槽1011，所述定位支架103的底部设有定位滑杆104；所述定位滑杆104滑动安装在所述线形滑槽1011中，并通过紧固螺母进行固定。
具体地，如图6所示，定位支架103的下方设置有定位滑杆104；定位滑杆104滑动安装在线形滑槽1011中，且定位滑杆104伸出线形滑槽1011的部分通过螺纹旋接第一紧固螺母105；定位支架103的底部端面与固定底座101的上表面接触，拧紧第一紧固螺母105能够将定位支架103紧固安装在固定底座101的线形滑槽1011中。
或者，如图7所示，定位支架103的下方设置有定位滑杆104；定位滑杆104滑动安装在线形滑槽1011中，且定位滑杆104上通过螺纹旋接第一紧固螺母105和第二紧固螺母106；其中，第一紧固螺母105设置在线形滑槽1011的下方，第二紧固螺母106设置在线形滑槽1011的上方，固定底座101夹紧固定在第一紧固螺母105和第二紧固螺母106之间，定位支架103通过第一紧固螺母105和第二紧固螺母106与固定底座101紧固安装。采用两个紧固螺母对定位支架103进行安装时，通过旋转第一紧固螺母105和第二紧固螺母106能够调节定位滑杆104在线形滑槽1011中的位置，进而能够调节定位支架103的高度。
进一步地，线形滑槽1011设置有相互平行的两条；对应地，定位滑杆104也设置两根。
进一步地，所述多个探头定位孔1021在探头固定架102上呈线形排列，所述激光探头6安装在所述探头定位孔1021中且排成一条直线；所述装药装置7的轴线平行于所述激光探头6排成的直线。
进一步地，所述定位支架103的上端设有V形槽；所述V形槽用于限位和支撑所述装药装置7。装药固定装置1对装药装置7进行支撑时，圆台形的装药装置7放置于定位支架103的V形槽中，如图2所示。
具体地，定位支架103设有三个，分别为高度递增的第一定位支架、第二定位支架和第三定位支架；其中第一定位支架位于固定底座101的左侧，用于支撑连接套筒702；第二定位支架和第三定位支架位于固定底座101的中间和右侧，用于支撑圆台筒701；且定位支架103滑动安装在固定底座101山上，可以调节位置，使得装药装置7的轴线保持水平。
实施时，当雷管704起爆后，炸药透镜703爆炸产生平面爆轰波，同时，炸药透镜703触发示波器3，使得示波器3开始记录信号；当待测药柱705被炸药透镜703起爆后，在待测药柱705中爆轰波成平面向前稳定传播；随着爆轰的稳定传播，爆轰波进入圆台装药的一端，爆轰产物开始驱动圆台筒701的筒壁膨胀运动；由于筒壁运动可使激光探头6信号产生干涉，通过激光干涉仪5采集并处理信号，在示波器3上就可记录圆台筒701筒壁的膨胀过程。
当装药直径减小至某一临界值时，产物能量耗散后反应区剩余的有效能量不足以维持稳定爆轰，爆轰波传播随之衰减至终止，这时产物驱动下的筒壁速度也随之降低进而停止。通过示波器3记录信号得到筒壁速度曲线，获取速度为0时激光探头6的位置，进而能够计算出该处的药柱的直径大小，即为装药的爆轰临界直径。
实施例2
本发明的一个具体实施例，提供一种炸药爆轰临界直径测量方法，采用实施例1的炸药爆轰临界直径测量系统进行炸药爆轰临界直径的测量。
所述测量方法包括以下步骤：
步骤S1：根据传统测量方法，获取炸药的爆轰临界直径的区间D2~D1，D1>D2；
步骤S2：根据步骤S1中获得的爆轰直径的区间D2~D1，确定圆台筒701的两端端口的内径尺寸；根据爆轰产物驱动理论分析，确定圆台筒701的壁厚；根据测量爆轰临界直径所需要的测量精度，确定圆台筒701长度以及激光探头6的数量和相邻激光探头6的间距；
步骤S3：将待测药柱705组装到装药装置7；
步骤S4：将装药装置7安装到装药固定装置1上进行支撑定位，并搭建所述炸药爆轰临界直径测量系统；
步骤S5：引爆雷管704，炸药爆炸后，激光发生器4发出的一束激光信号由激光探头6直射到圆台筒701之后发生反射，与另一束激光信号发生干涉，干涉信号通过激光干涉仪5进行采集并处理，通过示波器3记录干涉信号；通过记录干涉信号得到圆台筒701筒壁膨胀的速度曲线，获取筒壁膨胀速度为0时对应的激光探头6的位置，计算出该处待测药柱705的直径大小即为装药的爆轰临界直径。
本实施例的具体实现方式为：
本实施例的步骤S1中：
按照GJB772A-97的记载，采用阶梯装药，利用炸药爆轰时爆轰波阵面的电离导电特性或压力变化，使得激光探头采集信号，采用测时仪法测定爆轰波一次通过药柱内/外各探针所需要的时间，进而求出爆速，从而根据不同直径下爆速结果预估炸药临界直径；根据阶梯装药法，获取能够产生稳态爆轰装药直径的最小值D2和不能产生稳态爆轰的装药直径的最大值D1，装药爆轰临界直径的实际值D介于D2~D1之间的值。
具体地，阶梯装药法测试炸药爆轰临界直径的原理，如图9所示。
值得注意的是：阶梯装药法为测试炸药爆轰临界直径的传统方法，本发明中不作赘述，不影响本实施例的技术方案的实施。并且，也可以采用其他传统炸药爆轰临界直径的测量方法替换阶梯装药法获取装药的临界直径的区间范围。
本实施例的步骤S2包括：
步骤21：根据步骤S1中获得的爆轰直径的区间D2~D1，D1>D2，确定圆台筒701的两端端口的内径尺寸；具体地，所述圆台筒701的大端端口的内径为D1，圆台筒701的小端端口的内径为D2。
进一步地，圆台筒701内径尺寸与待测药柱705的外径尺寸相同。
步骤22：根据直径区间及精度需求，确定金属圆台筒长度尺寸。
具体地，步骤S1得到炸药的临界直径区间为D2~D1；炸药的爆轰临界直径为D，D1>D>D2；待测药柱705长度为L，ΔL为探头间距，测量精度为A，所有参量单位为mm；根据图10所示的的待测药柱705的几何关系可知：(D1-D2)/L=A/ΔL，圆台筒701的长度为L=(D1-D2)×ΔL/A；因此，根据需要的精度A及设置的激光探头6的距离ΔL就可求得圆台筒701的长度L。
通过上述分析可以看出，圆台筒701的长度越长，圆台筒701的锥度越小，待测药柱705的直径变化越平缓，测量精度越高。原有阶梯测试法的精度为D2-D1，本发明可通过增加装药长度，装药药柱的两端直径确定的前提下，装药长度L越长，使得L/ΔL的值达到10~20，因此测试精度就可提高10~20倍。
步骤23：通过理论分析计算待测药柱705的爆轰产物能量和圆台筒701的材料尺寸的关系，确定圆台筒701的壁厚d；使圆台筒701能够在待测药柱705的爆轰产物驱动下发生变形但不至于破碎。
具体地，炸药爆炸能量能够破碎圆台筒701筒壁时的最大壁厚为d1，即小于该厚度时圆台筒701不能保持自身完整性受冲击破碎；炸药爆炸能量能够使圆台筒701发生变形的最小壁厚为d2，即超出d2的厚度圆台筒701不能发变形；圆台筒701的壁厚d为介于d1和d2之间的值。
步骤23中，圆台筒701的壁厚d需满足：
测试时，选取圆台筒701的壁厚d为介于能够驱动圆台筒701变形不破裂的最小壁厚d1和能够驱动圆台筒701变形的最大壁厚d2之间的值。
进一步地，圆台筒701的壁厚d的大小能够通过计算机仿真分析确定，或者，根据炸药的爆轰产物驱动筒壁变形的理论分析计算得出圆台筒701的壁厚d。
本实施例的一种具体实施方式中，通过爆轰驱动理论分析计算确定壁厚d的方式为：
步骤231：建立爆轰驱动金属模型，完成爆轰驱动圆台筒701膨胀过程分析。
具体地，考虑到炸药爆轰驱动金属筒壁是极其复杂的过程，在推导过程中做出以下设定：1、理论分析中将圆台筒701近似等效成圆筒；2、爆轰波沿着筒壁以爆速稳定传播；3、爆轰波过后，炸药反应瞬时完成，即不考虑炸药在爆轰反应区的反应过程；4、忽略冲击波在筒壁中的传播；5、爆轰产物的压力垂直作用于筒壁；6、筒壁沿轴向任意位置处的速度具有自相似性；7、研究的筒壁微元位置远离端部开口处，可忽略端部爆轰产物的泄露，且该位置处炸药能达到稳定爆轰。
具体地，爆轰波沿着筒壁轴向传播，当传播到B点时，B点速度发生变化，随着爆轰产物的膨胀，筒壁持续向外扩张，如图11所示。经过时间间隔dt之后，爆轰波到达A点，由于速度的自相似性，此时A点也发生与B点相似的运动，如图12所示。取筒壁微元段AB，分析B点的速度变化，如图13所示。
具体地，待测药柱705起爆后，爆轰产物压力垂直作用于圆台筒701的筒壁，则筒壁微元的加速度a及速度改变量dv的方向也都垂直于筒壁。微元段AB可视为直线，B点在0~dt时刻的运动可近似为绕A点的圆周远动。本实施例中，设t时刻AB与水平方向的夹角为θ，B点速度ut与竖直方向的夹角为δt；t+dt时刻的B点速度为ut+dt，t+dt时刻的B点速度与竖直方向的夹角为δt+dt。
根据矢量三角形法则及A点与B点之间的位置关系，结合初始条件θ=0°、θ0=0°，利用下式（1.1）~（1.3）计算出筒壁运动过程中的偏转角及速度方向；
（1.1）
（1.2）
（1.3）
式中，Ax、Ay、Bx、By分别表示微元段AB两端点在圆台筒701轴向与垂直于轴向方向上的坐标值。
步骤232：根据装药类型及尺寸，确定炸药爆轰产物的动能和内能量。
圆台筒701在初始冲击波的作用下被压缩，筒壁厚度d不再与初始壁厚d0保持一致，根据膨胀过程中圆台筒701密度恒定的设定，有关系式：
（1.4）
式中，Ri代表筒壁内径，d代表筒壁厚度，Ri0表示初始时刻的筒壁内径，d0表示初始时刻的筒壁厚度，i为自然数表示第i个微元段AB。本实施例中，下标为0的物理量均表示该物理量的初始时刻。
将式（1.4）对时间进行微分，可以得到：
（1.5）
式中，uwi为筒壁内表面速度，uwo为筒壁外表面速度。
进一步地，设定筒壁内部速度沿厚度方向呈线性分布，则圆台筒701的筒壁内任意位置Rd处的速度为：
（1.6）
爆轰产物的压力垂直作用于筒壁，爆轰产物的流动方向也垂直于筒壁，采用爆轰产物速度沿垂直于筒壁方向呈线性分布的设定，且爆轰产物在圆台筒701的中轴线处速度为零。以中轴线上的点，作垂直于筒壁方向的线，该线长度为Rθ，如图14所示（示意图将壁厚部分省略）。
圆台筒701的筒壁在膨胀运动过程中，爆轰产物与筒壁内侧表面时刻保持接触，认为筒壁内侧表面处的爆轰产物速度与筒壁内表面速度相同，由式（1.6）可知，爆轰产物在筒壁内侧的速度upRi为：
（1.7）
则爆轰产物在任意位置处速度为：
（1.8）
结合质量守恒定律，对式(1.8)在Rθ方向上进行积分，得爆轰产物动能Epk的表达式：
（1.9）
爆轰产物内能由爆轰产物膨胀过程中的状态所决定，对于理想炸药而言，标准形式的Jones-Wilkins-Lee（JWL）状态方程在较大的压力范围内，可以准确的描述CJ等熵线附近的爆轰产物膨胀过程，方程形式为：
（1.10）
式中，ps为爆轰产物压力，υ为比容，A、B、C、R1、R2、ω为状态方程参数，由炸药种类决定。
根据热力学定律及CJ等熵线方程可知，单位初始体积爆轰产物的比内能Ei沿等熵线的变化关系是：
（1.11）
步骤233：推导筒壁动能及筒壁变性能公式；根据能量守恒原理，确定圆台筒壁的厚度。
对式（1.6）在筒壁厚度方向上进行积分，得筒壁微元的动能Ewk的表达式为：
（1.12）
圆台筒701的筒壁在爆炸载荷的作用下会发生塑性变形，变形过程中筒壁吸收的能量Edf由式（1.13）计算得出：
（1.13）
式中，σf为筒壁材料的流动应力。
由爆轰驱动筒壁的运动过程可知，炸药爆炸释放出的化学能主要转化为：筒壁运动的动能Ewk，爆轰产物运动的动能Epk，爆轰产物自身所包含内能Ei，筒壁发生变形所吸收的能量Edf；
（1.14）
为了能够测量到筒壁的速度，需要保证炸药爆炸能量大于圆台筒701的筒壁变形能；即圆台筒701的实际壁厚应大于炸药能量能够驱动圆台筒701破碎的厚度。进一步地，根据前述计算得到的炸药能量可计算出圆台筒701的筒壁最小厚度d1，在合理范围内选取圆台筒701的壁厚d，且d＞d1。
本实施例提供的圆台筒701壁厚d的确定方法以及相关计算公式仅作为本实施例的一种具体实现方式，不作为对本发明保护范围的限制。
步骤S3中，所述装药装置7的组合方式为：
步骤31：将待测药柱705与圆台筒701组合，圆台筒701套设于待测药柱705的外部且圆台筒701的内壁面与待测药柱705的外表面贴合，形成圆台装药组件；
步骤32：采用连接套筒702将圆台筒701与炸药透镜703连接；
步骤33：在炸药透镜703的端部设置雷管704，并在炸药透镜703的内部设置触发探针2。
本实施例的步骤S4中：
所述装药固定装置1对装药装置7的固定方式为：
步骤41：根据激光探头6的数量和间距，确定装药固定装置1的结构尺寸；
步骤42：将装药装置7放置于定位支架103的V形槽中，通过定位支架103对装药装置7进行支撑；
步骤43：调节多个定位支架103在固定底座101上的位置，使装药装置7的轴线平行于激光探头6所在直线，且所述装药装置7和所述激光探头6的高度相等。装药装置7的轴线平行于激光探头6所在直线时，装药装置7的轴线处于水平位置。
所述炸药爆轰临界直径测量系统的搭建方式为：
步骤401：确定激光探头6的个数；根据圆台筒701的长度L及所需的测量精度设置的探头间距ΔL，激光探头6的个数N=L/ΔL；
步骤402：将激光探头6固定于探头固定架102的探头定位孔1021后，将激光探头6与激光发生器4与激光干涉仪5连接；
步骤403：在炸药透镜703上设置触发探针2，并将触发探针2连接至示波器3；即触发探针2的一端连接所述炸药透镜703，另一端连接所述示波器3；最后将示波器3连接到激光干涉仪5，完成整个炸药爆轰临界直径测量系统的搭建。
本实施例的步骤S5中：
待测药柱705爆炸后，激光发生器4发出的激光信号由激光探头6直射到圆台筒701筒壁外表面之后发生反射，与另一束激光发生干涉，干涉信号通过激光干涉仪5采集并处理后由示波器3显示并记录信号，通过示波器3显示圆台筒701的变形情况，进而获取筒壁速度为0对应的激光探针6的位置，根据待测药柱705的形状特征计算出该处的直径大小，即为装药的爆轰临界直径。
本发明的炸药爆轰临界直径测量方法采用的原理是：当爆轰波沿待测药柱705轴向传播时，超高压力的反应产物使圆台筒701发生径向膨胀，产生向反应区内传播的径向稀疏波，导致了反应区能量的耗散，当待测药柱705的直径减小至某一临界值时，能量耗散后反应区剩余的有效能量不足以维持稳定爆轰，爆轰波传播随之衰减至终止，此时相应产物驱动圆台筒701的筒壁膨胀的速度随之下降，通过激光探针6探测得到筒壁膨胀速度为零的位置及装药装置7的几何关系，可计算出爆轰临界直径。
具体地，通过记录信号得到筒壁的变形速度曲线，获取筒壁速度为0对应的激光探针6的位置，即为圆台筒701的筒壁不变形的位置，根据待测药柱705的形状特征计算出待测药柱705在该位置的直径大小，即为装药的爆轰临界直径。
值得注意的是：通过激光探头6和激光干涉仪5探测物体变形量和变形速度属于现有技术能够实现的范畴，相关计算和原理本发明中不作赘述，不影响本发明技术方案的实施。
与现有技术相比，本实施例提供的技术方案至少具有如下有益效果之一：
1.本发明的炸药爆轰临界直径测量系统及方法，基于小尺寸圆柱形的装药装置和装药固定装置进行临界直径的测量，解决了连续压导法造成的小尺寸锥形装药结构破坏以及成型差的问题，并克服阶梯装药法测量精度低的不足。
2.本发明的炸药爆轰临界直径测量系统及方法，通过激光发生器4将激光信号由激光探头6直射到圆台筒701的筒壁之后发生反射，与另一束激光发生干涉，干涉信号通过激光干涉仪5采集处理，并通过示波器3记录信号；通过记录信号得到筒壁速度曲线，获取速度为0时的激光探头6的位置，据此计算出该处待测药柱705的直径大小即为装药的爆轰临界直径，测量精度高，测量结果对炸药及火工药剂配方的设计、起爆与应用具有重要的指导意义。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种炸药爆轰临界直径测量系统，其特征在于，包括：装药固定装置（1）、触发探针（2）、示波器（3）、激光发生器（4）、激光干涉仪（5）、激光探头（6）和装药装置（7）；
所述装药固定装置（1）包括：固定底座（101）、探头固定架（102）和定位支架（103）；所述固定底座（101）上安装有多个定位支架（103），且多个定位支架（103）的高度不同；所述定位支架（103）用于支撑所述装药装置（7）；
装药装置（7）包括：圆台筒（701）、连接套筒（702）、炸药透镜（703）、雷管（704）和待测药柱（705）；所述圆台筒（701）用于装填所述待测药柱（705）；所述炸药透镜（703）为能够产生平面爆轰波的炸药平面波发生器；所述连接套筒（702）用于连接所述炸药透镜（703）和所述圆台筒（701）；所述雷管（704）安装在所述炸药透镜（703）上，用于起爆所述炸药透镜（703）；
所述触发探针（2）一端连接所述炸药透镜（703），另一端连接所述示波器（3）；多个所述激光探头（6）固定在探头固定架（102）上，且所述激光探头（6）连接所述激光发生器（4）和激光干涉仪（5）；所述示波器（3）同时与所述触发探针（2）和所述激光干涉仪（5）连接。
2.根据权利要求1所述的炸药爆轰临界直径测量系统，其特征在于，所述定位支架（103）滑动安装在所述固定底座（101）上，且能够沿所述装药装置（7）的轴线方向滑移。
3.根据权利要求2所述的炸药爆轰临界直径测量系统，其特征在于，所述固定底座（101）上设有线形滑槽（1011），所述定位支架（103）的底部设有定位滑杆（104）；所述定位滑杆（104）滑动安装在所述线形滑槽（1011）中，并能通过紧固件进行固定。
4.根据权利要求1-3任一项所述的炸药爆轰临界直径测量系统，其特征在于，所述探头固定架（102）上设有多个呈线形排列的探头定位孔（1021），所述激光探头（6）安装在所述探头定位孔（1021）中且排成一条直线；所述装药装置（7）的轴线平行于所述激光探头（6）排成的直线。
5.根据权利要求4所述的炸药爆轰临界直径测量系统，其特征在于，所述定位支架（103）的上端设有V形槽；所述V形槽用于限位和支撑所述装药装置（7）。
6.一种炸药爆轰临界直径测量方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的一种炸药爆轰临界直径测量系统进行炸药爆轰临界直径的测量；所述测量方法包括以下步骤：
步骤S1：获取炸药的爆轰临界直径的区间D2~D1，D1>D2；
步骤S2：根据步骤S1中获得的爆轰直径的区间D2~D1，确定圆台筒（701）的两端端口的内径尺寸；通过对爆轰产物驱动圆台筒（701）变形的过程进行仿真分析或理论分析，确定圆台筒（701）的壁厚；根据测量爆轰临界直径所需要的测量精度，确定圆台筒（701）长度、激光探头（6）的数量和相邻激光探头（6）的间距；
步骤S3：将待测药柱（705）组装到装药装置（7）；
步骤S4：将装药装置（7）安装到装药固定装置（1）上进行支撑定位，并搭建所述炸药爆轰临界直径测量系统；
步骤S5：引爆雷管（704），炸药爆炸后，爆轰波沿待测药柱（705）轴向传播，爆轰反应产物使圆台筒（701）发生径向膨胀；激光发生器（4）发出的一束激光信号由激光探头（6）直射到圆台筒（701）之后发生反射，与另一束激光信号发生干涉，干涉信号通过激光干涉仪（5）进行采集并处理，通过示波器（3）记录干涉信号；通过记录的干涉信号得到圆台筒（701）的筒壁膨胀的速度曲线，进而能够获取筒壁膨胀速度为0时对应的激光探头（6）的位置，计算出该位置待测药柱（705）的直径，所述直径即为装药的爆轰临界直径。
7.根据权利要求6所述的炸药爆轰临界直径测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，圆台筒（701）内径尺寸与待测药柱（705）的外径尺寸相同；所述圆台筒（701）的大端端口的内径为D1，圆台筒（701）的小端端口的内径为D2；所述圆台筒（701）的壁厚d满足爆轰产物能够驱动其变形。
8.根据权利要求7所述的炸药爆轰临界直径测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述装药装置（7）的组合方式为：
步骤31：将待测药柱（705）与圆台筒（701）组合，形成圆台装药组件；
步骤32：采用连接套筒（702）将圆台筒（701）与炸药透镜（703）连接；
步骤33：在炸药透镜（703）的端部设置雷管（704），并在炸药透镜（703）的内部设置触发探针（2）。
9.根据权利要求8所述的炸药爆轰临界直径测量方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述装药固定装置（1）对装药装置（7）的固定方式为：
步骤41：根据激光探头（6）的数量和间距，确定装药固定装置（1）的结构尺寸；
步骤42：将装药装置（7）放置于定位支架（103）的V形槽中，通过定位支架（103）对装药装置（7）进行支撑；
步骤43：调节多个定位支架（103）在固定底座（101）上的位置，使装药装置（7）的轴线平行于激光探头（6）所在直线，且所述装药装置（7）和所述激光探头（6）的高度相等。
10.根据权利要求9所述的炸药爆轰临界直径测量方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述炸药爆轰临界直径测量系统的搭建方式为：
将所述触发探针（2）的一端连接所述炸药透镜（703），另一端连接所述示波器（3）；将多个所述激光探头（6）固定在装药固定装置（1）的探头固定架（102）上，同时将所述激光探头（6）与所述激光发生器（4）和激光干涉仪（5）连接，将示波器（3）与激光干涉仪（5）连接，完成整个炸药爆轰临界直径测量系统的搭建。
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|---|---|---|---|---|
| CN117849114A (zh) * | 2024-03-08 | 2024-04-09 | 北京理工大学 | 一种炸药超压爆轰参数测量系统 |
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| CN116659405B (zh) | 2023-10-13 |
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