基于脈沖超聲的FAE燃料云團(tuán)濃度檢測(cè)裝置

潘曉建，付勝華，婁文忠，李楚寶，陳朝暉，孫 君

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

0 引言

隨著燃料空氣炸藥(FAE)武器的迅速發(fā)展，為進(jìn)一步提高其戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)效能，基于一次拋撒云團(tuán)內(nèi)實(shí)時(shí)濃度檢測(cè)，并尋找最優(yōu)炸點(diǎn)控制云團(tuán)二次起爆是FAE武器引信當(dāng)前研究的新方向。FAE燃料拋撒形成爆轟云團(tuán)，其主要成分為鋁粉和空氣的氣固兩相混合物[1]。文獻(xiàn)[2]在長直水平管道中進(jìn)行了鋁粉/空氣兩相混合物的爆炸試驗(yàn)研究，得出鋁粉質(zhì)量濃度230 g/m3為爆轟的最低臨界質(zhì)量濃度，最優(yōu)爆轟質(zhì)量濃度為550 g/m3。如何有效識(shí)別FAE拋撒云團(tuán)濃度，是當(dāng)前FAE武器引信發(fā)展的難點(diǎn)。目前針對(duì)FAE燃料云團(tuán)分布研究主要集中在燃料拋撒的理論分析和試驗(yàn)研究[3-4]，特征參數(shù)包括云團(tuán)形狀、尺寸、湍流及擴(kuò)散速度等數(shù)值仿真。由于受到拋撒作用機(jī)理復(fù)雜、測(cè)試設(shè)備不完善等因素制約，針對(duì)FAE武器云團(tuán)濃度動(dòng)態(tài)分布的試驗(yàn)檢測(cè)研究還很欠缺。

FAE燃料在拋撒分散過程中，云霧濃度不可能處處分布均勻。同時(shí)，由于FAE拋撒爆燃的影響，導(dǎo)致測(cè)量FAE云團(tuán)濃度十分困難且成本較大，因此，一般選擇在標(biāo)準(zhǔn)罐體內(nèi)進(jìn)行FAE燃料的拋撒試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[5—6]通過光學(xué)傳感器，利用光線在不同濃度云霧中的衰減特性，判斷FAE的分布濃度；然而，光線衰減特性與云霧濃度的映射關(guān)系很難確定，不能直接給出FAE的瞬態(tài)濃度分布。本文針對(duì)FAE燃料拋撒形成的鋁粉/空氣兩相混合物云團(tuán)濃度檢測(cè)困難，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室濃度測(cè)試方法缺乏實(shí)時(shí)瞬態(tài)檢測(cè)能力的問題，提出了基于脈沖超聲的FAE燃料云團(tuán)濃度檢測(cè)裝置。

1 超聲衰減理論

超聲衰減可用于表征FAE擴(kuò)散過程中的濃度。根據(jù)Lloyd和Q.Wang超聲散射模型[7-8]，F(xiàn)AE拋撒的氣固兩相混合云團(tuán)的聲衰減系數(shù)可以表示為：

(1)

式(1)中，式α0為超聲衰減系數(shù)，f為超聲頻率，ρg、ρs分別為FAE燃料和空氣的密度，A′0和A′1是FAE燃料顆粒對(duì)超聲的散射系數(shù)，φm為FAE燃料的顆粒質(zhì)量濃度。A′0和A′1可以表示為：

(2)

(3)

式(2)、式(3)中，A0n和A1n分別對(duì)應(yīng)單個(gè)FAE燃料粒子的超聲散射系數(shù)，an是粒子半徑。A0n和A1n可以表示為：

(4)

(5)

相關(guān)參數(shù)可以進(jìn)一步闡述為：

(6)

(7)

(8)

式中，下標(biāo)g和s分別表示連續(xù)氣相和FAE燃料的顆粒相，c是聲速，T為絕對(duì)溫度，cp為熱容，Θ為熱容膨脹系數(shù)，k為熱導(dǎo)率，δv是粘性邊界層厚度，Z是聲阻抗。

因此，通過對(duì)FAE燃料顆粒的參數(shù)確定和測(cè)定超聲的衰減系數(shù)，即可判定FAE燃料云團(tuán)的濃度。FAE的顆粒粒徑范圍通常分布在在0.01～100 μm之間。根據(jù)波長大于粒徑的原理，超聲波頻率f的選擇在0.1～100 MHz之間。然而，高頻超聲波在空氣中傳播會(huì)迅速衰減，因此，測(cè)量FAE燃料顆粒濃度的超聲波頻率范圍優(yōu)先選擇40～400 kHz。

超聲衰減系數(shù)可以由接收脈沖和參考脈沖的中心頻率f下的最大峰值的比率確定[9]:

(9)

2 FAE燃料云團(tuán)濃度檢測(cè)裝置

實(shí)驗(yàn)室FAE燃料爆炸試驗(yàn)通常是在標(biāo)準(zhǔn)20 L容器罐內(nèi)進(jìn)行，結(jié)合歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN14034(CEN/TC305，2004a，CEN/TC305,2004b和CEN/TC305,2004c)，ASTM標(biāo)準(zhǔn)E1226(2007)和中國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16 425(MCI，1996年)，在本裝置中，標(biāo)準(zhǔn)20 L容器罐內(nèi)不加點(diǎn)火系統(tǒng)，布置脈沖超聲傳感器在球罐內(nèi)進(jìn)行鋁粉濃度檢測(cè)，傳感器之間的間距L為20 mm，如圖1所示。

圖1 FAE燃料濃度檢測(cè)試驗(yàn)裝置Fig.1 Concentration detection device for FAE fuel cloud

FAE燃料濃度檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括拋撒氣動(dòng)裝置、200 kHz脈沖超聲傳感器、脈沖信號(hào)發(fā)生器及信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集儀及處理計(jì)算機(jī)等。其中，氣動(dòng)裝置主要包括：壓力泵、儲(chǔ)氣室、電磁閥及其控制器、逆止閥、鋁粉吹粉室、噴嘴和20 L壓力球罐等。一定質(zhì)量的鋁粉放置在吹粉室中，控制電磁閥通斷時(shí)間和泵源氣壓，通過噴嘴將鋁粉拋灑至球罐中,如圖2所示。

圖2 FAE燃料濃度檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 FAE fuel concentration detection system

FAE燃料濃度信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)主要包括脈沖信號(hào)發(fā)生器、超聲傳感器發(fā)射端及接收端、信號(hào)放大器、信號(hào)采集儀及處理計(jì)算機(jī)，如圖3所示。FAE燃料拋撒，在超聲傳感器之間形成鋁粉/空氣兩相混合物云團(tuán)。信號(hào)采集儀實(shí)時(shí)獲取脈沖超聲傳感器接收端信號(hào)，計(jì)算機(jī)根據(jù)不同脈沖周期內(nèi)的超聲衰減進(jìn)行動(dòng)態(tài)濃度計(jì)算。

圖3 FAE燃料濃度信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)Fig.3 FAE fuel concentration signal detection system

FAE燃料拋撒濃度檢測(cè)試驗(yàn)布局如圖4所示，設(shè)定容器內(nèi)的燃料拋撒氣壓為0.4 MPa，容器中的初始?jí)毫? MPa(即真空狀態(tài))，燃料顆粒注入時(shí)間為10 ms。設(shè)定脈沖超聲發(fā)射頻率，對(duì)注入反應(yīng)容器中FAE燃料顆粒的濃度分布狀態(tài)進(jìn)行瞬態(tài)檢測(cè)。試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

圖4 鋁粉濃度采集系統(tǒng)組成Fig.4 Composition of aluminum powder concentration collection system

表1 試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

FAE燃料的主要成分為微納米級(jí)的鋁粉顆粒，如圖5所示。對(duì)鋁粉顆粒進(jìn)行顯微圖像分析，選取直徑在20～40 μm的顆粒進(jìn)行拋撒試驗(yàn)，使其顆粒在拋撒過程保持狀態(tài)接近一致。

圖5 FAE燃料顯微圖像分析及選取Fig.5 FAE fuel microscopic image analysis and selection

對(duì)FAE燃料在標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)拋撒過程超聲傳感器接收端的信號(hào)分析可知：在拋撒的初始時(shí)期(前50 ms)，主要為拋撒湍流，超聲信號(hào)幅值增大；在70～110 ms期間，湍流逐漸減小，燃料云團(tuán)分布逐步趨于均勻狀態(tài)，超聲信號(hào)幅值呈現(xiàn)梯度衰減，表征了濃度分布變化和良好的抗湍流干擾性能；隨后燃料云團(tuán)開始沉降，超聲信號(hào)幅度逐步恢復(fù)初始狀態(tài)，如圖6所示。

圖6 FAE燃料拋撒濃度特征采集信號(hào)Fig.6 FAE fuel emission concentration characteristic acquisition signal

文獻(xiàn)[10—11]表明，在20 L標(biāo)準(zhǔn)容器罐內(nèi)的拋撒初始階段逐漸達(dá)到湍動(dòng)能的最大值，在進(jìn)料階段之后，湍動(dòng)能隨時(shí)間衰減；鋁粉顆粒分布隨之逐漸變得均勻，超聲特征的變化趨勢(shì)與參考文獻(xiàn)中結(jié)果一致。

在FAE拋撒云團(tuán)均勻狀態(tài)階段，對(duì)A、B兩個(gè)周期內(nèi)的超聲信號(hào)分析可知，不同時(shí)間內(nèi)的超聲信號(hào)幅值有明顯的衰減，如圖7所示。對(duì)其進(jìn)行超聲衰減系數(shù)的計(jì)算，得到在70～170 ms超聲脈沖衰減的變化曲線，如圖8所示。云團(tuán)在95～115 ms之間，超聲衰減接近一致且為衰減最大，表明在此過程中，云團(tuán)分布到達(dá)最大濃度下的均勻分布。

圖7 A/B處超聲信號(hào)對(duì)比Fig.7 Ultrasonic signal comparison at A/B

圖8 脈沖超聲衰減分布曲線Fig.8 Pulse ultrasonic attenuation distribution curve

通過對(duì)不同標(biāo)稱濃度(一定質(zhì)量下的FAE燃料顆粒與標(biāo)準(zhǔn)容器的比值)進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)50～750 g/m3的云團(tuán)濃度與超聲衰減的標(biāo)定，如圖9所示。

圖9 濃度與超聲衰減測(cè)試曲線Fig.9 Concentration and ultrasonic attenuation test curve

通過三次測(cè)試得到了不同F(xiàn)AE燃料云團(tuán)濃度下的超聲衰減的梯度信息，且具備良好的一致性。最終采用多項(xiàng)式數(shù)據(jù)擬合得到脈沖超聲檢測(cè)FAE燃料拋撒濃度的特征曲線，通過超聲衰減系數(shù)，即可得到對(duì)應(yīng)濃度信息，如圖10所示。表明了該FAE燃料云團(tuán)濃度檢測(cè)裝置的可行性，具備對(duì)FAE拋撒云團(tuán)濃度的識(shí)別能力。

圖10 濃度與超聲衰減擬合曲線Fig.10 Concentration and ultrasonic attenuation fitting curve

4 結(jié)論

本文提出了基于脈沖超聲衰減理論的FAE燃料拋撒云團(tuán)濃度檢測(cè)裝置。該裝置基于相關(guān)頻率的超聲衰減理論，結(jié)合脈沖超聲的抗干擾能力強(qiáng)和分辨力高的特點(diǎn)，利用氣壓將一定質(zhì)量的鋁粉吹入20 L容器罐，在罐內(nèi)形成鋁粉/空氣兩相混合物云團(tuán)；通過脈沖驅(qū)動(dòng)構(gòu)建超聲脈沖波檢測(cè)電路，根據(jù)不同脈沖周期內(nèi)的超聲脈沖波衰減實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)云團(tuán)濃度計(jì)算。該裝置具備對(duì)FAE燃料拋撒云團(tuán)濃度的檢測(cè)能力。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，在對(duì)標(biāo)稱濃度50～750 g/m3的FAE燃料拋撒試驗(yàn)中，得到了不同F(xiàn)AE燃料云團(tuán)濃度下的超聲衰減的梯度信息，擬合得到了超聲衰減系數(shù)與濃度之間的關(guān)系曲線。該裝置為實(shí)現(xiàn)FAE武器一次拋撒云團(tuán)的最優(yōu)起爆濃度識(shí)別奠定了試驗(yàn)基礎(chǔ)。