爆炸冲击波三波点轨迹测量方法研究

爆炸冲击波三波点轨迹测量方法研究

自由场压力传感器的影响所谓自由场是指没有受到外部干扰的场区。空中爆炸入射波的测量实际上是自由场压力的测量。在自由场压力测量中,要求传感器对冲击波阵面后的流场不产生严重的扰动,因此,自由场压力传感器的外形结构应为流线形,尽量减少冲击波在传感器上的反射和绕流对原流场产生的影响。国外学者对不同几何形状的自由场压力传感器对冲击波流场的影响进行了大量研究,得出对于较弱的冲击波(小马赫数冲击波),外形结构为流线形的自由场压力传感器对冲击波流场的影响可忽略不计。许多小药量的爆炸试验是在爆心和冲击波压力传感器远离反射表面(通常是地面)的条件下进行的,因此,这些传感器可在反射波到达之前记录完整的冲击波压力随时间变化的曲线。这通常称之为“自由大气”测量,并已取得了许多经验数据,这些数据是预报空中爆炸冲击波参数和理论比较的基础。由于许多试验药量不可能很小,通常爆心距地面较近,这样传感器测出的有可能是入射冲击波和地面反射波合成的新击波即马赫波的压力随时间变化的曲线,而入射波、地面反射波与马赫波的交点被称为三波点,三波点的高度随着距爆心距离的增加而逐渐增加。因此,准确测量不同炸高下三波点的高度对爆炸冲击波压力的测量具有重要意义。1试样布置和测点布置将质量为1.17kg、长径比为1∶1的压装TNT试样药柱吊空中,试样中心距地面高度1.5m,在地上打入定位铁钎,以保证位置的相对固定。将PCB137A型自由场传感器布放在距爆心地面水平距离(L)3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、8.0、9.0、10.0m处,将自由场传感器安装在支架上并指向冲击波流场传播过来的方向。为了比较不同测量方法对试验结果的影响,在用自由场传感器进行试验的同时,还在地面安装PCB壁面传感器(安装在安装板上与地面齐平)。每个测试点安装4支自由场压力传感器,两只传感器用于确定三波点的高度,另外在1.50m和0.27m处各安装两只自由场压力传感器用于测量入射冲击波峰值压力及马赫波峰值压力与距离的关系。自由场压力传感器的安装高度根据实验测得的上一发冲击波压力随时间变化曲线的波形进行调整。由于传感器的数量有限,而每个测点又需要多只传感器,所以每组试样只用3个测试点,共进行4组试验,每组重复3~5发。靶场布局应以各项测试互不干涉为原则。靶场示意图见图1。(图中数值为第1组试验时的情况)。2结果与讨论2.1新击波点识别图2为炸药在地面附近爆炸时空气中压力场的分布情况。炸药爆炸时产生的冲击波以球形向外传播,A为入射冲击波以球面波的形式向外传播,B为入射冲击波与地面接触,从交界面产生反射波。当入射冲击波向外扩展时,从地面产生的反射波也向上扩展,与入射冲击波在爆心地面投影附近的地面会合。当入射冲击波进一步扩展到C时,反射波与入射波的交点C已经离开了地面,此时在B、C、D、E的下方形成了一个向水平方向推进的新击波——马赫波。B、C、D、E是入射波、反射波和马赫波的交点,称为三波点。从图1可知,如果在三波点及其下方放置传感器,测得的是新合成的马赫波压力随时间变化的曲线;如果在三波点上方放置传感器,测得的先是入射冲击波,然后是地面产生的反射波压力随时间的变化曲线,这样压力波形会有两个波峰,距三波点越高,两个波峰之间的时间间隔就越长。因此,根据每个测点处(1.50m和0.27m高度除外)的两只自由场压力传感器得到的波形,来测定三波点的高度。若是双波峰,则下一发降低传感器高度;若是单波头,则升高传感器高度。通过多发实验,使两只自由场压力传感器之间的高度逼近三波点的高度,得到三波点不同距离处的高度,如表1所示。2.2测点布置和测量对比图3为距爆心水平距离3.0m,在不同高度处传感器测得的波形图,其中1为1.50m高度处自由场压力传感器的波形,2、3为高度依次降低后自由场压力传感器的波形,4为0.27m高度自由场压力传感器波形,5为壁面压力传感器所测得的波形。由图3可以看出,在1.50m高度,入射冲击波与地面反射波距离较远;随着传感器高度的降低,入射冲击波与地面反射波的距离越来越近,在0.27m高度时,入射冲击波与地面反射波合成为一个波——马赫波,因此,测得冲击波的压力波形是一个波峰。在地面布放的壁面传感器测出的也是马赫波压力波形,因此5与4相似,也是一个波峰,在地面布放的壁面传感器测得的压力最大,但由于图3显示的是传感器输出的电压信号与时间变化的波形,壁面传感器的灵敏度较低,所以峰值电压值较低。表2为不同测点、布放在距地面1.50m、0.27m处的自由场压力传感器和布放在地面的壁面压力传感器的测量结果和相对标准差。从表2可知,在距爆心3.0~6.5m内,距地面1.50m处,自由场压力传感器超压峰值测量的相对标准差最大为3.4%,平均为1.5%;0.27m处自由场压力传感器超压峰值测量的相对标准差最大为6.9%,平均为2.8%;在地面的壁面压力传感器测量的相对标准差最大为6.2%,平均为3.3%。从表1和表2分析可知,1.50m处布放的自由场压力传感器在距爆心3.0~6.5m内始终在三波点的上方,测量的是“自由大气”爆炸的入射波超压峰值,与地面反射无关,平均相对标准差仅为1.5%;0.27m处布放的自由场压力传感器在距爆心3.0~6.5m内始终处在三波点的下方,测量的是入射波与地面反射波合成的新击波——马赫波的超压峰值,而地面的反射波受到爆心附近地面的影响,平均相对标准差增大到2.8%;在地面的壁面压力传感器测量为马赫波斜反射的超压峰值,因此,超压峰值在同一测点处最大,而且这种测量方式还受到从爆心到传感器附近地面地形、地貌等因素的影响,因而测量的平均相对标准差增大至3.3%。1.50m处布放的自由场压力传感器,在距爆心7.0m以后处在三波点的下方,与在0.27m处布放的自由场压力传感器的测量结果相同,测出的是马赫波的超压峰值,因此,7.0m处的测量值比6.5m的大,测量的相对标准差也有所增大。3地面布放壁面压力传