CN112378563B - 一种高原***冲击波等效测试***及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及***冲击波测试领域，公开了一种高原***冲击波参数等效测试***及测试方法，通过起爆装置将置于低压环境模拟装置中的测试装药引爆，用压力测试装置来记录压力数据，最后通过数据分析来获得对应海拔的高原冲击波特性。该方法可以模拟多种海拔高度的环境条件，避免高原实地实验所带来各种困难，解决了在平原地区研究高原冲击波传播特性的技术问题，具有操作方便、耗费低、重复性强等特点，可以为高原的武器毁伤效应研究提供可靠数据。

Description

一种高原***冲击波等效测试***及测试方法

技术领域

本发明涉及***冲击波测试领域，具体涉及一种高原***冲击波等效测试***及测试方法。

背景技术

中国拥有广袤的高原面积，高原地区对我国来说具有重要的经济、政治和军事意义。由于历史和现实原因，高原边界存在着许多仍未解决的领土争端，这使得高原地区仍是可能爆发武装冲突的地区。高原地区环境与平原差异较大，以海拔最高的青藏高原为例，青藏高原平均海拔在4000m以上，在这个地区空气稀薄，大气压和氧分压均处于一个比较低的水平。在这样的环境中，***冲击波的传播特性较平原地区而言有着不一样的表现，装药***对建筑的毁伤效能会发生变化，研究表明高原环境会降低机体对冲击波的耐受性，加重冲击伤伤情。考虑到这些因素，研究高原环境中的武器毁伤效应对军队而言是非常必要的。

目前而言，理想的高原***冲击波的测试手段是在高原地区进行装药实爆测试，但是这一研究方法面临着实验过程耗费巨大、***场地受限、试验可重复性差等问题，并且每次测试仅能对单一高原环境的装药***进行研究。如何解决这些问题已经成为高原***冲击波测试领域面临的重要课题。

发明内容

为克服现有技术的不足和缺陷，本发明提供了一种高原***冲击波等效测试***及测试方法，可以有效解决现有技术存在的问题。

本发明采用的技术方案是：

一种高原***冲击波参数等效测试***，包括低压环境模拟装置、起爆装置、压力测试装置和测试装药，所述低压环境模拟装置用于模拟高原低压环境，所述起爆装置用于引爆设置于所述高原低压环境中的测试装药，所述压力测试装置用于记录***过程中的压力变化数据和分析***冲击波的参数数据。

优选的，所述低压环境模拟装置包括密封罐、真空泵和若干个压力监测器，所述压力监测器分别安装在密封罐的进气口和排气口处，用于实时监测密封罐内环境压力的变化，所述真空泵设置在排气口处，用于泵出密封罐内气体来制造低压环境。

优选的，所述密封罐的主体结构为圆柱形、两端为球面的胶囊结构。

优选的，所述起爆装置包括同步机、高压脉冲发生器和***，所述同步机输出两路同步信号，一路信号用于启动高压脉冲发生器发送电脉冲起爆***以引爆测试装药，另一路信号用于触发压力测试装置记录数据。

优选的，所述压力测试装置包括压力传感器、信号适调仪和数据记录仪，所述压力传感器用于实时采集所在位置的冲击波压力信号，通过信号适调仪处理，由数据记录仪记录储存。

优选的，所述压力传感器采用双楔形圆盘的流线型结构，所述压力传感器放置于双楔形圆盘的中心处，所述压力传感器的敏感面与楔形圆盘中心平面齐平，装有压力传感器的双楔形圆盘的另一端通过螺帽固定于传感器支架上，所述传感器支架焊接于密封罐罐壁上。

优选的，所述测试装药采用球形装药，所述球形装药为纯度大于99.5％的熔铸球形TNT***，所述球形装药包括上半球、下半球和传爆药柱，所述上半球中间预制贯穿的圆孔用来放置***，******后使用真空封泥填充，所述上半球与下半球中心预制圆柱形凹槽内放置传爆药柱，药柱为PETN制成。

一种高原***冲击波参数等效测试方法，包括以下步骤：

S1：对低压环境模拟装置进行高、低压密封性测试；

S2：对压力传感器进行动态标定，同时检查低压环境模拟装置在***冲击下的气密性、内部装置的牢固性；

S3：根据测试要求，选择待测试装药并连接起爆装置，封闭低压环境模拟装置；

S4：利用低压环境模拟装置调整内部压力达到预定海拔压力；

S5：通过起爆装置起爆测试装药，通过压力测试装置收集测试数据，并检查数据有效性；

S6：处理实验数据，分析原始波形并提取冲击波参数。

优选的，上述步骤S1的具体过程为：启动气泵向密封罐内泵入气体，维持200kPa的气压10分钟，气压波动幅度小于5％，视为高压密闭性良好；启动气泵向密封罐外泵出气体，维持30kPa的气压10分钟，气压波动幅度小于5％，视为低压密闭性良好。

优选的，在上述步骤S6中，采用修正的Friedlander方程对冲击波原始波形进行拟合，其方程形式如下：

式中，ΔP(t)为超压时程曲线，P_s为超压峰值，t_a为到达时间，t_d为正压作用时间，b为波形衰减系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)利用密封罐模拟高原低压环境，其模拟压力可以精确调节，避免室外天气条件产生的不确定性影响，并且可以模拟多种海拔条件下的环境压力。(2)装置在实验室内进行实验，减少外场实验过程中的安全风险和实验耗费，实验的可重复性较高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明一种高原***冲击波参数等效测试***结构示意图；

图2是本发明一种高原***冲击波参数等效测试***组成示意图

图3是本发明中测试***的装药和测点位置示意图；

图4是本发明使用的压力传感器双楔形圆盘结构示意图；

图5是本发明产生冲击波的球形装药的结构图；

图6是对实施例原始数据使用Friedlander方程修正的典型修正曲线；

图7是实施例三种海拔条件测到的典型超压时程曲线；

图8是实施例冲击波超压值与实地测试值的对比图。

其中，1-起爆装置；2-低压环境模拟装置；3-压力测试装置；4-测试装药。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明具体提供了一种高原***冲击波等效测试***，如图1和2所示，包含起爆装置1、低压环境模拟装置2、压力测试装置3和测试装药4；其中，低压环境模拟装置2用来模拟高原低压环境，通过起爆装置1引爆置于此低压环境中的测试装药4，压力测试装置3用来记录并储存***过程中的冲击波压力曲线。

上述所述的起爆装置1由起爆***、高压脉冲发生器和同步机组成。

具体的，高压脉冲发生器选用GMF-I型脉冲发生器，输出高压脉冲范围为8～15kV，前沿≦25ns。同步机选用DS310型同步机，触发方式为外触发，脉冲幅度>10V、脉宽≥100ns，前沿≤50ns。

上述所述的低压环境模拟装置2由密封罐、真空泵和压力监测器组成。

具体的，密封罐为主体为圆柱体两端为球面的胶囊形状，如图3所示，材质为20号钢，罐体长L＝2.8m，圆柱部分直径R＝2m，罐体设有进、排气口以及人员进出的大阀门，柱体侧面设计有电缆接口等。密封罐阀门使用橡胶圈和高温润滑脂密封，能承受冲击波多次作用不发生漏气。选用的真空泵功率为1.1kW，抽气速率可达8L/s。压力监测器选用CDG045D电容膜片真空计，测量范围6～4×10⁵Pa。通过真空泵抽出罐内气体制造低压，密封罐的进、排气口处均安装有压力监测器，实时监测罐内环境压力的变化。利用真空泵和压力监测器配合，可以对密封罐内压力进行精确调节。

上述所述的测试装药4采取熔铸的球形装药以保证在近场球面冲击波的各向同性，由TNT在熔铸前经过提纯减少杂质，TNT含量大于99.5％，成品***球经过检测剔除存在气泡、裂缝、杂质的残次品以提高测试的准确性。如图5所示，装药分为上、下半球和传爆药柱三个部分。所述上半球中间预制贯穿的圆孔用来放置***，******后使用真空封泥填充，所述上半球与下半球中心预制圆柱形凹槽以放置传爆药柱，药柱为PETN制成。上下半球之间使用胶水粘合。

上述所述的压力测试装置3包括布置在罐体内的自由场冲击波传感器以及其连接的信号适调仪、数据记录仪，仪器之间使用同轴电缆连接。自由场冲击波传感器选用PCB113B21型压力传感器，谐振频率≥500kHz，非线性度≦1％，上升时间t_r≦1μs。传感器采取双楔形圆盘的结构设计，如图4所示，楔形圆盘起到保护传感器作用，传感器放置于中心，其敏感面与楔形圆盘中心平面齐平。传感器支架采用钢制螺杆制成，焊接于密封罐罐壁处，装有压力传感器的双楔形圆盘以螺帽固定于螺杆上，具备高度调节和传感器平面方向调节的功能。信号适调仪用于放大传感器获得的微弱电信号，最后传输到数据记录仪记录储存，选用482C05型信号适调仪，共有四个信号通道，输出电压范围为-10V～10V，低频响应<0.05Hz，高频响应>50kHz。数据记录仪包含一台电脑和两台示波器，选用TDS5054B型示波器具有四个信号通道，带宽为500MHz，最大采样率为5GS/s，垂直分辨率≥8bit。

本发明还提供一种高原***冲击波参数等效测试方法，具体步骤如下：

S1：对低压环境模拟装置进行高、低压密封性测试；

S2：对压力传感器进行动态标定，同时检查低压环境模拟装置在***冲击下的气密性、内部装置的牢固性；

S3：根据测试要求，选择待测试装药并连接起爆装置，封闭低压环境模拟装置；

S4：利用低压环境模拟装置调整内部压力达到预定海拔压力；

S5：通过起爆装置起爆测试装药，通过压力测试装置收集测试数据，并检查数据有效性；

S6：处理实验数据，分析原始波形并提取冲击波参数。

在上述步骤S1中，维持稳定的罐内气压对测试的顺利进行很重要，进、排气口以及人员进出的大阀门增加橡胶圈并涂抹耐高温润滑脂来保证密封性。装置预先进行高压和低压密封性测试，主要操作步骤为，启动气泵向内泵入气体，维持200kPa的气压10分钟，气压波动幅度小于5％，视为高压密闭性良好；启动气泵向外泵出气体，维持30kPa的气压10分钟，气压波动幅度小于5％，视为低压密闭性良好。

根据GJB 6309.3-2008的规范，正式测试前采用TNT***球进行对传感器灵敏度进行动态标定。同时检查罐体在***冲击下的气密性，以及传感器和支架在冲击波作用下的牢固性。

实施例

研究海拔高度为500m、2500m、4500m的比例距离范围为0.9～2.8m/kg^1/3之间的冲击波传播特性，三种海拔的气压分别为95kPa、74kPa、57kPa。选择了规格分别为25mm(约106g)、35mm(约292g)的TNT药球，药球的质量以实测数据为准。将装药和传感器按照图3的位置布置，1～6号传感器距爆心距离r＝0.60、0.74、0.94、1.00、1.15、1.30m，比例距离z范围为0.9～2.8m/kg^1/3。

正式测试时，安装TNT装药，布置***，连接起爆装置，封闭密封罐；启动真空泵，根据压力监测器读数调整罐体内压力以达到预定海拔压力；起爆时，起爆信号通过同步机同步传输到数据记录仪，数据记录仪开始采样，各测试点的自由场传感器得到压力信号，经信号调适仪处理后记录在数据记录仪中。起爆后，收集测试数据，检查传感器是否发生位置变化，检验数据有效性，再对测试装置进行复位。采取修正的Friedlander方程对冲击波原始波形进行了拟合处理，以减小传感器受冲击产生的震荡对结果的影响，方程形式如式(1)所示：

式中，ΔP(t)为超压时程曲线，P_s为超压峰值，t_a为到达时间，t_d为正压作用时间，b为波形衰减系数，典型的修正曲线见图6。处理后得到的超压数据如表1所示：

表1实施实例的超压数据

图7为三种海拔条件测到的典型超压时程曲线。通过分析使用Friedlander方程修正方法得到的数据获得了比例距离0.9～2.8m/kg^1/3范围内的高原***冲击波超压计算式，该公式在Sadovskyi超压经验公式的基础上，将不同比例距离和气压条件下冲击波超压Δp与初始大气压p₀的比值的变化规律与自变量zp₀ ^1/3联系起来。利用本实例测试数据进行拟合得到的公式如式(2)所示：

式中Δp、p₀分别为冲击波超压与初始大气压，单位为kPa；比例距离z为爆心距R与装药质量W^1/3之比，即z＝R/W^1/3，R的单位为m，W单位为kg。当计算不同种类的******冲击波时，需换算成等效的TNT质量。

表2给出了实验值与公式值的数据对比，数据来源于在海拔4500m的高原环境测到的***冲击波压力值，使用了质量为3.5kg的柱状TNT装药。修正公式给出的结果与实地测试结果十分接近，平均误差小于3％，证明了本发明的高原冲击波等效测试方法是有效的，可以根据实验结果反推不同海拔的冲击波超压。图8给出了实地测试值与公式值的直观对比图。

表2两组实验值与公式值的对比

应该明确的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高原***冲击波参数等效测试***，其特征在于，包括低压环境模拟装置、起爆装置、压力测试装置和测试装药，所述低压环境模拟装置用于模拟高原低压环境，所述起爆装置用于引爆设置于所述高原低压环境中的测试装药，所述压力测试装置用于记录***过程中的压力变化数据和分析***冲击波的参数数据；

所述低压环境模拟装置包括密封罐、真空泵和若干个压力监测器，所述压力监测器分别安装在密封罐的进气口和排气口处，用于实时监测密封罐内环境压力的变化，所述真空泵设置在排气口处，用于泵出密封罐内气体来制造低压环境；

所述密封罐的主体结构为圆柱形、两端为球面的胶囊结构；

所述压力测试装置包括压力传感器、信号适调仪和数据记录仪，所述压力传感器用于实时采集所在位置的冲击波压力信号，通过信号适调仪处理，由数据记录仪记录储存；

所述压力传感器采用双楔形圆盘的流线型结构，所述压力传感器放置于双楔形圆盘的中心处，所述压力传感器的敏感面与楔形圆盘中心平面齐平，装有压力传感器的双楔形圆盘的另一端通过螺帽固定于传感器支架上，所述传感器支架焊接于密封罐罐壁上；

所述测试装药采用球形装药，所述球形装药为纯度大于99.5％的熔铸球形TNT***，所述球形装药包括上半球、下半球和传爆药柱，所述上半球中间预制贯穿的圆孔用来放置***，******后使用真空封泥填充，所述上半球与下半球中心预制圆柱形凹槽内放置传爆药柱，药柱为PETN制成。

2.根据权利要求1所述的一种高原***冲击波参数等效测试***，其特征在于，所述起爆装置包括同步机、高压脉冲发生器和***，所述同步机输出两路同步信号，一路信号用于启动高压脉冲发生器发送电脉冲起爆***以引爆测试装药，另一路信号用于触发压力测试装置记录数据。

3.一种用于权利要求1～2至少一项中所述的高原***冲击波参数等效测试***的高原***冲击波参数等效测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对低压环境模拟装置进行高、低压密封性测试；

S2：对压力传感器进行动态标定，同时检查低压环境模拟装置在***冲击下的气密性、内部装置的牢固性；

S3：根据测试要求，选择待测试装药并连接起爆装置，封闭低压环境模拟装置；

S4：利用低压环境模拟装置调整内部压力达到预定海拔压力；

S5：通过起爆装置起爆测试装药，通过压力测试装置收集测试数据，并检查数据有效性；

S6：处理实验数据，分析原始波形并提取冲击波参数。

4.根据权利要求3所述的一种高原***冲击波参数等效测试方法，其特征在于，上述步骤S1的具体过程为：启动气泵向密封罐内泵入气体，维持200kPa的气压10分钟，气压波动幅度小于5％，视为高压密闭性良好；启动气泵向密封罐外泵出气体，维持30kPa的气压10分钟，气压波动幅度小于5％，视为低压密闭性良好。

5.根据权利要求3所述的一种高原***冲击波参数等效测试方法，其特征在于，在上述步骤S6中，采用修正的Friedlander方程对冲击波原始波形进行拟合，其方程形式如下：

式中，ΔP(t)为超压时程曲线，P_s为超压峰值，t_a为到达时间，t_d为正压作用时间，b为波形衰减系数。

Images