一种水中自由场冲击波冲量无源测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于一种冲量测量装置及测量方法，尤其涉及一种水中自由场冲击波冲量无源测试装置及测量方法。

背景技术

海上作战中，鱼雷、水雷、深水炸弹等水下兵器爆炸时产生的冲击波是造成舰船毁伤的重要因素，因此有效评估爆炸冲击波威力对水下兵器的设计以及舰船的防御等都有重要的实际意义。

冲量是反映冲击波毁伤威力的重要参数。由于爆炸产生的冲击波超压峰值高，作用时间短，且伴随着高温高压的爆轰产物，给冲击波冲量的测量带来了严峻的挑战。目前对于水下冲击波冲量的测量主要有压电传感器、霍普金森压杆、等效靶等方法。压电传感器利用压电晶体的压电效应将冲击波压力转化为电信号，通过对冲击波压力进行时间积分来获得比冲量，是水下冲击波冲量测量最常用的手段。但是由于水下爆炸产生的强电磁场，会在真实信号上叠加有电磁干扰信号，这使得数据处理难度增大。此外在大型海上爆炸实验中还存在实验设备布设难度大、实验成本高、量程有限等问题。基于霍普金森技术的冲击波压力测量方法在保证测量精度的同时拥有远大于传统压电传感器的量程，但寄生输出、布设难度大等问题仍亟待解决。

等效靶板属于无源测量方法，根据爆炸载荷后金属膜片的变形程度来得到爆炸冲击波的冲量，不需要外界供电，结构简单，不受电磁干扰，可以在复杂的爆炸实验环境下工作。但是在实际实验中可能由于约束不够导致靶板变形结果复杂，与理想情况有较大差距，难以定量评估靶板变形程度，导致较大的实验误差。

综上，在水下爆炸冲击波冲量测量方面，无源测量方法与基于电测传感器测量方法相比具有测量装置成本低，测量难度小，不受电磁干扰等优点。但目前的无源测量装置仍存在布设困难、不可重复使用的问题，测量方法存在操作复杂、误差较大等缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于单向阀的水中自由场冲击波冲量无源测量传感装置及测量方法，解决目前测量装置布设困难、不可重复，测量方法存在电磁干扰的问题，具有成本低，操作简单，可重复性好，测量精度高等特点，可用于大型复杂爆炸环境中对水下冲击波威力的高效精确评估。

本发明的技术方案是：

本发明基于单向阀的水中自由场冲击波冲量无源测量装置整体呈圆柱状，由锥头、入射管、单向阀、球阀组成。定义锥头靠近爆炸点的一端为本发明的左端，远离爆炸点的一端为本发明的右端。锥头、入射管、球阀由左至右同轴装配，两个单向阀对称地装配在入射管侧壁，锥头和入射管、入射管和与球阀之间装配时，要注意紧固密封。

单向阀采用内嵌式单向阀(如吉斯特生产的DN 10.0A型号的单向阀)，整体成圆柱状，外面套有一密封圈，开启压力为P

入射管材质为硬质金属，屈服强度σ

锥头材料为硬质金属，屈服强度σ

球阀材料为硬质金属，屈服强度σ

采用基于单向阀的水中自由场冲击波冲量无源测量装置对水中爆炸自由场冲击波冲量进行测量的方法是：

第一步，采用动态灵敏度系数已知的自由场水下压力传感器对基于单向阀的水中自由场冲击波冲量无源测量装置进行标定，即建立基于单向阀的水中自由场冲击波冲量无源测量装置的冲量转化方程。方法是：

1.1令实验次数n＝1，令总实验次数为N，N为正整数，N≥10。初始化锥头距离爆心的比例距离k

1.2将基于单向阀的水中自由场冲击波冲量无源测量装置和自由场水下压力传感器同时置于水中，保证爆炸点位于基于单向阀的水中自由场冲击波冲量无源测量装置中心轴的左端延长线上，自由场水下压力传感器距离爆心的比例距离与水中自由场冲击波冲量无源测量装置中锥头距离爆心的比例距离均为k

1.3在比例距离k

1.4若n≤N，令n＝n+1，令k

1.5将N组由水的质量和冲击波比冲量组成的数据点即(m

第二步，采用标定好的水中自由场冲击波冲量无源测量装置对水下自由场冲击波冲量进行测量，方法是：

2.1设计将测量装置整体固定在水箱中的支架，支架为细长杆，材料采用合金钢，支架直径和长度依据具体实验条件确定；将支架下端固定在水箱底部或者较重的支座上。

2.2将球阀右端接在真空泵上，打开球阀，当真空泵显示真空度等于-P

2.2将基于单向阀的水中自由场冲击波冲量无源测量装置整体牢固固定在水箱中的支架上，保证爆炸点位于基于单向阀的水中自由场冲击波冲量无源测量装置中心轴的左端延长线上；

2.3当炸药在水下爆炸产生的冲击波经过安装在入射管管壁的单向阀时，水中压力大于单向阀1的开启压力，入射管周围的水通过单向阀从入射管侧壁流入入射管内部；

2.4爆炸结束后，将水中自由场冲击波冲量无源测量装置从水箱取出，打开球阀，将入射管中的水倒入量筒，测量得到入射管中水的质量m。

2.5将2.4步得到的m带入到i＝f(m)中，得到水下爆炸自由场冲击波的比冲量i，测量完毕。

与现有技术相比，采用本发明可以达到以下有益效果：

1.本发明测量装置不需要外界供电，结构简单，成本低，且在实验测试中布设简单，不会受到电磁干扰，没有寄生输出。

2.本发明测量方法通过测量入射管中水的质量来对爆炸冲击波比冲量进行测量，与其他无源测试方法相比，水的质量容易测量，因此实验结果更易判读，重复性较好。

附图说明

图1是本发明水中自由场冲击波冲量无源测量装置总体结构示意图；

图2是本发明锥头的三维示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明基于单向阀的水中自由场冲击波冲量无源测量装置整体呈圆柱状，由锥头3、入射管2、2个单向阀1、球阀4组成。定义锥头3靠近爆炸点的一端为本发明的左端，远离爆炸点的一端为本发明的右端。锥头3、入射管2、球阀4由左至右同轴装配，2个单向阀1嵌入到入射管2的侧壁的通孔中，单向阀1进水一端朝向入射管外侧，出水一端朝向入射管内侧。单向阀1与入射管2、锥头3和入射管2、球阀4与入射管2之间装配时，要注意紧固密封。

单向阀1采用内嵌式单向阀(如吉斯特生产的DN 10.0A型号的单向阀)，整体成圆柱状，外侧壁套有一密封圈，开启压力为P

入射管2材质为硬质金属，屈服强度σ

锥头3材料为硬质金属，屈服强度σ

球阀4材料为硬质金属，屈服强度σ

采用图1所示的基于单向阀的水中自由场冲击波冲量无源测量装置对水中爆炸自由场冲击波冲量进行测量的方法是：

第一步，采用动态灵敏度系数已知的自由场水下压力传感器对基于单向阀的水中自由场冲击波冲量无源测量装置进行标定，即建立基于单向阀的水中自由场冲击波冲量无源测量装置的冲量转化方程。方法是：

1.1令实验次数n＝1，令总实验次数为N，N为正整数，N≥10。初始化锥头3距离爆心的比例距离k

1.2将基于单向阀的水中自由场冲击波冲量无源测量装置和自由场水下压力传感器同时置于水中，保证爆炸点位于基于单向阀的水中自由场冲击波冲量无源测量装置中心轴的左端延长线上，自由场水下压力传感器距离爆心的比例距离与水中自由场冲击波冲量无源测量装置中锥头3距离爆心的比例距离均为k

1.3在比例距离k

1.4若n≤N，令n＝n+1，令k

1.5将N组由水的质量和冲击波比冲量组成的数据点即(m

第二步，采用标定好的水中自由场冲击波冲量无源测量装置对水下自由场冲击波冲量进行测量，方法是：

2.1设计将测量装置整体固定在水箱中的支架，支架为细长杆，材料采用合金钢，支架直径和长度依据具体实验条件确定；将支架下端固定在水箱底部或者较重的支座上。

2.2将球阀4右端接在真空泵上，打开球阀4，当真空泵显示真空度等于-P

2.2将基于单向阀的水中自由场冲击波冲量无源测量装置整体牢固固定在水箱中的支架上，保证爆炸点位于基于单向阀的水中自由场冲击波冲量无源测量装置中心轴的左端延长线上；

2.3当炸药在水下爆炸产生的冲击波经过安装在入射管2管壁的单向阀1时，水中压力大于单向阀1的开启压力，入射管2周围的水通过单向阀1从入射管2侧壁流入入射管2内部；

2.4爆炸结束后，将水中自由场冲击波冲量无源测量装置从水箱取出，打开球阀4，将入射管2中的水倒入量筒，测量得到入射管2中水的质量m。

2.5将2.4步得到的m带入到i＝f(m)中，得到水下爆炸自由场冲击波的比冲量i，测量完毕。