付勝華，婁文忠，李楚寶，潘曉建，汪金奎，吉童安，劉偉桐

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100081;2.北京理工大學(xué) 重慶創(chuàng)新中心，重慶 401120；3.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，西安 陜西 710065)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)“遠(yuǎn)程打擊，高效毀傷”一直是世界各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的重大技術(shù)，云爆彈(FAE)以其獨(dú)特的作用方式及大面積毀傷特點(diǎn)受到世界各軍事強(qiáng)國(guó)的大力追捧。二次起爆型云爆戰(zhàn)斗部毀傷模式為：當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)上空時(shí)，通過(guò)一次引信起爆拋撒裝藥，將云爆劑高速分散與空氣混合形成燃料空氣炸藥云團(tuán)，同時(shí)多個(gè)二次子引信與云團(tuán)高速動(dòng)態(tài)交會(huì)，多點(diǎn)協(xié)同起爆形成云霧爆轟，最終通過(guò)沖擊波效應(yīng)、熱效應(yīng)及窒息效應(yīng)對(duì)大面積目標(biāo)造成高效毀傷。在這一過(guò)程中，二次子引信與云爆劑拋撒云團(tuán)的高速動(dòng)態(tài)交會(huì)，最優(yōu)起爆云團(tuán)濃度識(shí)別，形成高效爆轟反應(yīng)，一直是云霧爆轟技術(shù)和云爆彈發(fā)展的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

云爆彈毀傷研究主要包括云爆劑組成、云霧特性、起爆方式、投放方式和戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用等。當(dāng)前研究集中在云霧拋撒特性(速度、湍流、云團(tuán)形狀、濃度分布)對(duì)爆轟性能的理論研究和相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證[1-5]。云爆劑拋撒云團(tuán)濃度是決定毀傷效能的關(guān)鍵。Zhang等[6]和陳嘉琛等[7]通過(guò)數(shù)值模擬建立了云爆劑拋撒過(guò)程中云團(tuán)濃度與湍流的關(guān)系。Yamazaki等[8]和Omotayo等[9]通過(guò)光學(xué)傳感器構(gòu)建檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了云團(tuán)濃度的識(shí)別。郭明儒等[10]結(jié)合超聲在云團(tuán)中的衰減特性建立云團(tuán)濃度檢測(cè)微系統(tǒng)，通過(guò)陣列式布置，獲得了云團(tuán)濃度峰值的變化規(guī)律。

然而，由于光線衰減特性與粉塵濃度之間的函數(shù)關(guān)系很難確定，因此并不能直接給出粉塵瞬態(tài)濃度分布的確切值。脈沖驅(qū)動(dòng)下云爆燃料云團(tuán)的瞬態(tài)濃度實(shí)時(shí)檢測(cè)是當(dāng)前尚未解決的技術(shù)難題。對(duì)于二次起爆型云爆戰(zhàn)斗部，子引信在高速運(yùn)動(dòng)復(fù)雜環(huán)境條件下，與拋撒云團(tuán)的動(dòng)態(tài)交會(huì)，進(jìn)而快速實(shí)時(shí)獲取云團(tuán)濃度信息，實(shí)現(xiàn)多子引信在云團(tuán)最優(yōu)爆轟濃度條件下協(xié)同起爆的問(wèn)題更是懸而未決。

超聲波在含顆粒的氣體與固體兩相流中傳播時(shí)，超聲的透射和反射會(huì)引起能量的衰減和相位變化，基于相關(guān)頻率的超聲脈沖波被廣泛應(yīng)用于多相混合物的粒度估計(jì)、濃度分布檢測(cè)[11-14]。本文對(duì)研制的脈沖超聲云團(tuán)濃度檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了模型分析，研制了云爆子引信的原型樣機(jī)，進(jìn)行云爆子引信與云團(tuán)高速交會(huì)的云團(tuán)濃度動(dòng)態(tài)探測(cè)的試驗(yàn)研究。形成了高速?gòu)?fù)雜環(huán)境下子引信動(dòng)態(tài)識(shí)別云團(tuán)濃度的變化曲線，得到了不同濃度下子引信脈沖超聲的特征梯度規(guī)律。為二次起爆型云爆戰(zhàn)斗部的最優(yōu)起爆濃度識(shí)別，在高落速下的引信與戰(zhàn)斗部配合、子引信間的協(xié)同起爆控制提供數(shù)據(jù)支撐。

1 云團(tuán)濃度計(jì)算模型

子引信濃度探測(cè)裝置與云團(tuán)交會(huì)狀態(tài)原理如圖1所示，圖1中：D為超聲換能器直徑；L為超聲傳播的距離。當(dāng)超聲波由測(cè)量云團(tuán)垂直入射時(shí)，由于云團(tuán)中云爆燃料顆粒和空氣的聲學(xué)特性不同，動(dòng)態(tài)交會(huì)時(shí)云團(tuán)分布狀態(tài)變化，導(dǎo)致超聲的透射衰減和反射衰減存在不確定性。為解決動(dòng)態(tài)濃度下超聲衰減的不確定性因素，本文建立了一次脈沖超聲回波反射的濃度探測(cè)方法。

圖1 脈沖超聲回波反射云團(tuán)濃度探測(cè)原理圖Fig.1 Schematic diagram of FAE cloud concentration detection by pulsed ultrasound echo reflection

超聲波在云團(tuán)中傳播時(shí)，超聲的聲阻抗Z定義為

Z=ρc，

(1)

式中：ρ為云團(tuán)的密度(泛指一定空間里的云爆燃料的質(zhì)量和空氣質(zhì)量之和，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)體積的商)；c為超聲在云團(tuán)中的傳播速度。

云爆燃料的質(zhì)量濃度φm可以計(jì)算為

φm=Z/c-ρa(bǔ)，

(2)

式中：ρa(bǔ)為標(biāo)準(zhǔn)空氣的密度，ρa(bǔ)=1.293 kg/m3.

超聲的反射系數(shù)R由(3)式給出：

(3)

式中：k為修正系數(shù)；Zl為云團(tuán)的聲阻抗；Zw為空氣的聲阻抗，Zw=ρa(bǔ)ca，ca為空氣中的聲速。

基于超聲反射系數(shù)R根據(jù)超聲回波幅值的比例關(guān)系得到：

Anj=exp(-2αDnj)A0Rnj，

(4)

式中：A0表示初始波幅值；n表示回波次數(shù)；nj為第j次回波，j=1，2，3…；Anj表示第j次回波幅值；α為超聲在云團(tuán)中的聲吸收系數(shù)。

對(duì)于第j、i次回波，可得超聲反射系數(shù)R為

lnR=(lnAnj-lnAni)/(nj-ni)+2αD，

(5)

式中：Ani為第i次回波幅值，ni為第i次回波，i=1，2，3，…. 利用超聲透射波與反射波的時(shí)間差Δt，聲程L確定超聲在云團(tuán)中的傳播速度，即

c=2L/Δt.

(6)

通過(guò)測(cè)得的多次回波信號(hào)確定超聲的反射系數(shù)，進(jìn)而求解超聲在云團(tuán)中的聲學(xué)阻抗。同時(shí)根據(jù)回波測(cè)得的超聲傳播速度，即可得到云團(tuán)濃度。該模型對(duì)于云團(tuán)中云爆劑的粒度大小、分布狀態(tài)和溫度等不確定性參數(shù)具備濾波特性。從超聲反射回波的能量和相位的變化表征云團(tuán)濃度，表現(xiàn)出良好的抗干擾能力和濃度特征分辨能力。

2 試驗(yàn)條件及系統(tǒng)組成

基于脈沖超聲回波反射的云團(tuán)濃度檢測(cè)原理，研制云團(tuán)濃度檢測(cè)子引信原理樣機(jī)，模擬云爆戰(zhàn)斗部高速子引信拋撒，與燃料云團(tuán)動(dòng)態(tài)交會(huì)的火箭撬搭載試驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)云團(tuán)的動(dòng)態(tài)濃度實(shí)時(shí)檢測(cè)。試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括：

1)設(shè)計(jì)云爆劑拋撒濃度檢測(cè)子引信原理樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)云團(tuán)的瞬態(tài)濃度實(shí)時(shí)檢測(cè)；

2)建立基于火箭撬的模擬云爆拋撒云團(tuán)- 子引信交會(huì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料云團(tuán)的動(dòng)態(tài)探測(cè)；

3)采用云爆燃料等效云團(tuán)發(fā)生裝置，建立不同濃度梯度下的超聲特征- 濃度的映射關(guān)系。

2.1 云爆燃料濃度檢測(cè)子引信原理樣機(jī)

針對(duì)云爆劑拋撒的云團(tuán)濃度，在子引信與云團(tuán)動(dòng)態(tài)交會(huì)過(guò)程中，能夠順利進(jìn)入超聲檢測(cè)區(qū)域，進(jìn)行子引信云團(tuán)流道設(shè)計(jì)，如圖2所示。子引信以一定的速度穿過(guò)云團(tuán)時(shí)，燃料云團(tuán)在流道中以湍流擴(kuò)散，保證穿過(guò)超聲檢測(cè)區(qū)域的濃度與云團(tuán)濃度一致。

圖2 子引信濃度檢測(cè)組成Fig.2 Concentration detection composition of fuze

濃度檢測(cè)子引信原理樣機(jī)主要包括脈沖超聲濃度檢測(cè)換能器，脈沖超聲信號(hào)激勵(lì)及接收處理器，電源，信號(hào)采集與存儲(chǔ)器，保險(xiǎn)繩，彈體及火箭撬裝配工裝。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 云爆濃度檢測(cè)子引信組成原理圖Fig.3 Fuze composition of FAE cloud concentration detection

濃度檢測(cè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)主要由控制處理器、計(jì)算處理器、信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)處理電路、電源管理電路和接口電路等構(gòu)成。超聲信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生脈沖波信號(hào)至傳感器發(fā)射端，接收端傳感器通過(guò)信號(hào)處理電路對(duì)特征信號(hào)進(jìn)行濾波、調(diào)制、放大處理。濃度特征信號(hào)設(shè)置為數(shù)字聲信號(hào)存儲(chǔ)測(cè)試模式，即只對(duì)原始聲信號(hào)進(jìn)行采樣和模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換，不進(jìn)行濃度解算，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于微系統(tǒng)內(nèi)部，脈沖超聲頻率為200 kHz，采樣頻率為2 MHz，采樣長(zhǎng)度為2 min.具體結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。

圖4 FAE濃度檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Composition of FAE concentration detection system

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)布置

二次起爆型云爆戰(zhàn)斗部子引信與拋撒云團(tuán)的動(dòng)態(tài)交會(huì)工作時(shí)間短，云團(tuán)擴(kuò)散速度與子引信飛行速度快，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)爆轟效能的云團(tuán)濃度識(shí)別，需要在具體的動(dòng)態(tài)環(huán)境下測(cè)定?；鸺送ㄟ^(guò)設(shè)定不同子引信與云團(tuán)交會(huì)速度試驗(yàn)，獲得動(dòng)態(tài)云團(tuán)濃度信息，可以模擬真實(shí)的子引信與云團(tuán)高速交會(huì)狀態(tài)，獲得可靠的引信探測(cè)云團(tuán)濃度的動(dòng)態(tài)特性。借助火箭撬平臺(tái)，針對(duì)云爆子引信與拋撒云團(tuán)交會(huì)的濃度探測(cè),試驗(yàn)組成如圖5所示。

圖5 子引信與云團(tuán)交會(huì)的云霧濃度檢測(cè)試驗(yàn)組成Fig.5 Concentration detection of cloud at fuze-cloud intersection

如圖5所示，云爆燃料濃度檢測(cè)子引信安裝在火箭撬平臺(tái)上，分別設(shè)計(jì)75 m/s、100 m/s的子引信交會(huì)速度穿過(guò)云團(tuán)。標(biāo)準(zhǔn)1.5 m×1.5 m×1.5 m內(nèi)通過(guò)發(fā)煙劑產(chǎn)生標(biāo)稱濃度(一定質(zhì)量的燃料在標(biāo)準(zhǔn)體積內(nèi)的均勻分散)分別為75 g/m3、150 g/m3、225 g/m3的等效燃料云團(tuán)。通過(guò)設(shè)置斷靶信號(hào)觸發(fā)和位標(biāo)信號(hào)觸發(fā)裝置，進(jìn)行彈載濃度檢測(cè)系統(tǒng)的上電控制、濃度特征獲取。具體試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

圖6 子引信與云團(tuán)交會(huì)的云霧濃度檢測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.6 Test site of cloud concentration detection at fuze-cloud intersection

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了觀察和分析云團(tuán)與子引信交會(huì)過(guò)程，采用高速運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)觀測(cè)云爆燃料濃度檢測(cè)子引信與云團(tuán)交會(huì)的全過(guò)程，如圖7所示。子引信中超聲濃度檢測(cè)部件在不同云團(tuán)濃度下的特征信號(hào)如圖8所示。

圖7 子引信與云團(tuán)交會(huì)圖Fig.7 Map of fuze-cloud intersection

圖8 子引信與云團(tuán)交會(huì)的超聲信號(hào)(交會(huì)速度100 m/s)Fig.8 Ultrasonic signal of fuze-FAE cloud intersection (intersection speed:100 m/s)

對(duì)單位脈沖超聲信號(hào)在云團(tuán)經(jīng)過(guò)前后的對(duì)比，超聲在云團(tuán)中傳播的能量幅值較在空氣中傳播的原始信號(hào)有明顯的衰減，即對(duì)應(yīng)的超聲反射系數(shù)在不同云團(tuán)濃度下的特征變化，如圖9所示。

圖9 子引信與云團(tuán)交會(huì)前后的超聲信號(hào)對(duì)比Fig.9 Comparison of ultrasonic signals for fuze-cloud intersection

對(duì)原始采集的超聲信號(hào)進(jìn)行回波幅值特征提取，如圖10所示。通過(guò)(3)式和(4)式對(duì)一次回波和二次回波幅值進(jìn)行超聲反射系數(shù)計(jì)算，得到如圖11所示反射系數(shù)變化曲線。由圖11可以看出，對(duì)超聲反射系數(shù)進(jìn)行歸一化處理后，超聲在空氣中、75 g/m3云團(tuán)、150 g/m3云團(tuán)以及225 g/m3云團(tuán)4種狀態(tài)下的反射系數(shù)呈梯度下降，表現(xiàn)出明顯的超聲回波反射系數(shù)衰減- 云團(tuán)濃度的映射關(guān)系。

圖10 引信與云團(tuán)交會(huì)的超聲回波信號(hào)提取Fig.10 Ultrasonic echo extraction of fuze-cloud intersection

圖11 引信與云團(tuán)交會(huì)的超聲反射系數(shù)曲線Fig.11 Ultrasonic reflection coefficient of fuze-cloud intersection

針對(duì)云團(tuán)擴(kuò)散過(guò)程中濃度分布的動(dòng)態(tài)特性，子引信與云團(tuán)交會(huì)過(guò)程中，對(duì)云團(tuán)濃度的檢測(cè)(超聲反射系數(shù))同樣存在差異。為了便于對(duì)超聲反射系數(shù)與云團(tuán)濃度的標(biāo)定測(cè)試，通過(guò)設(shè)定75 m/s、100 m/s不同交會(huì)速度，得到了不同交會(huì)速度下、不同濃度下的最大超聲反射系數(shù)的梯度特征，如圖12所示。由圖12可以看出，不同交會(huì)速度下的超聲反射系數(shù)具有一致性，對(duì)于真實(shí)云爆子引信與云團(tuán)高速交會(huì)，通過(guò)超聲反射系數(shù)反映云團(tuán)濃度特征的可行性。

圖12 不同交會(huì)速度下超聲反射系數(shù)與濃度梯度關(guān)系Fig.12 Ultrasonic reflection coefficient of fuze-cloud intersection

由(1)式～(3)式可知，通過(guò)計(jì)算反射系數(shù)R，反射時(shí)間差Δt，在已知子引信中超聲安裝距離L(L=20 mm)，修正系數(shù)k(設(shè)定k=1，即反射系數(shù)R與超聲在云團(tuán)中阻抗的原始比例關(guān)系)，計(jì)算超聲在云團(tuán)中的聲阻抗，同時(shí)定義空氣中的聲阻抗為單位量1，最終得到云爆燃料的質(zhì)量濃度。涉及參數(shù)如表1所示。

表1 燃料濃度計(jì)算物理參數(shù)Tab.1 Physical parameters of fuel concentration calculation

通過(guò)的超聲反射系數(shù)- 云團(tuán)濃度計(jì)算模型，與標(biāo)稱濃度(燃料在標(biāo)準(zhǔn)體積內(nèi)的均勻擴(kuò)散)進(jìn)行對(duì)比分析，如表2所示。由表2可以得出，計(jì)算濃度誤差分別為8.0%、13.3%和6.7%。相比傳統(tǒng)的圖像法估算云團(tuán)濃度(燃料質(zhì)量與云霧體積之比)，該云團(tuán)濃度計(jì)算具備實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性。為二次起爆的濃度信息感知、起爆控制反饋提供了解決方案。

表2 燃料濃度計(jì)算誤差Tab.2 Calculation error of fuel concentration

4 結(jié)論

本文基于超聲反射衰減理論，分析了云爆劑粒度大小，分布狀態(tài)和溫度等不確定性參數(shù)對(duì)云團(tuán)濃度測(cè)量精度的影響。建立了超聲反射系數(shù)與云爆燃料云團(tuán)濃度的映射關(guān)系，為脈沖超聲換能器探測(cè)云團(tuán)濃度提供了理論依據(jù)。得到主要結(jié)論如下：

1) 結(jié)合云爆燃料拋撒云團(tuán)濃度的分布特性和起爆濃度，基于火箭撬平臺(tái)建立了子引信與云團(tuán)交會(huì)速度分別為75 m/s、100 m/s的濃度檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)，獲得了在標(biāo)稱云團(tuán)濃度75 g/m3、150 g/m3、225 g/m3下的超聲特征信號(hào)，表明了對(duì)于真實(shí)云爆子引信- 云團(tuán)高速交會(huì)，通過(guò)超聲反射系數(shù)反映云團(tuán)濃度特征的可行性。

2) 建立了在動(dòng)態(tài)子引信- 云團(tuán)交會(huì)環(huán)境下的超聲反射系數(shù)與云團(tuán)濃度的映射關(guān)系。測(cè)試結(jié)果表明探測(cè)濃度能夠擬合標(biāo)稱濃度，測(cè)試誤差控制在15%以內(nèi)，具備云爆子引信動(dòng)態(tài)識(shí)別云團(tuán)濃度的需求。為實(shí)現(xiàn)FAE武器拋撒的自適應(yīng)濃度識(shí)別，最優(yōu)毀傷效能下智能起爆控制奠定了試驗(yàn)基礎(chǔ)。

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