摄像防护结构抗水下爆炸冲击响应试验研究

张姝红，周庆飞，金　辉

（91439部队，辽宁 大连 116041）

摄像防护结构抗水下爆炸冲击响应试验研究

张姝红，周庆飞，金辉

（91439部队，辽宁 大连 116041）

为验证高速摄像机抗冲击防护结构在水下爆炸作用下的稳定性设计和结构强度设计的合理性，在爆炸罐内实施防护结构缩比模型验证试验，利用水下爆炸电测系统测量水中爆炸压力载荷峰值，通过布设在爆炸罐外观测窗口的高速摄像机拍摄防护结构在水中爆炸作用下的运动图像，并对运动图像处理得到防护结构产生的水平位移和垂向位移。试验结果表明：防护结构在水下爆炸冲击波及气泡脉动流场作用下稳定性较好，结构未产生塑性变形，验证结构强度和稳定性设计合理性，满足60kg TNT当量装药在0.5冲击因子、冲击波峰值压力11.48MPa作用下的水下爆炸工程研究需要。

水下爆炸冲击波；结构稳定性和强度；模型试验；高速摄像

0　引　言

高速摄像是水下爆炸试验测量的重要手段之一，可用于装药水下爆炸现象及目标结构毁伤效果的图像拍摄［1-3］。高速摄像机安装在留有观测窗口的抗冲击防护结构内，布放到开阔水域中，可以拍摄中小当量装药的水下爆炸现象［4-7］。澳大利亚已建有一套水下爆炸试验高速摄像系统，可布放到水中拍摄8kg TNT当量装药的水中爆炸图像［8-9］。由于防护结构在水下爆炸冲击波及气泡脉动流场作用下将产生运动、结构可能产生塑性变形，因此需要对防护结构进行稳定性和强度设计。通过线型设计使防护结构在水下爆炸作用下具有良好的稳定性，防护结构可以为高速摄像机在水下爆炸图像拍摄时提供稳定的承载平台；通过强度设计使防护结构在水下爆炸强冲击作用下不产生塑性变形，可以保证高速摄像机安全。对防护结构抗水下爆炸的稳定性和强度进行设计，并在爆炸罐内实施了防护结构缩比模型试验，验证结构线型设计的稳定性和强度设计的合理性。

1　防护结构设计

摄像机水下抗冲击防护结构的设计需综合考核外形尺寸、结构强度、摄像机尺寸、摄像机抗冲击能力、减振防护设计、镜头视角、结构内部辅助配套电路安装和各种线缆走线等空间要求，既要求结构具有足够的强度，又要求结构内部有足够的承载空间。

采用流体力学理论设计摄像机防护结构外部线型，防护结构的线型和尺寸设计如图1所示，中间主体部分为圆柱型壳体，采用0.14m厚907不锈钢；前端为摄像机视窗，采用0.25m厚的防弹玻璃；视窗与圆柱壳体连接处为弧线形，尾部为锥形，利于流体导流；圆柱壳体与尾锥之间为后端盖，用于电缆穿舱、减振器安装、摄像机支架固定及结构内部设备防护等。

图1　防护结构外部线型

用于水下爆炸图像拍摄时，高速摄像机安装在防护结构内，防护结构与爆源布放在水下同一深度，在爆炸冲击波和气泡脉动流场作用下，防护结构主要产生水平方向的运动。爆炸理论分析和仿真计算结果显示：爆源当量为60kg TNT、防护结构前端位置处冲击因子为0.5、冲击波峰值压力为11.48 MPa时，爆炸气泡脉动流场的流速为1 m/s，在一个气泡脉动周期内水平方向产生的位移＜0.05m，防护结构不产生塑性变形，基本不影响高速摄像机拍摄效果且保证摄像机的安全［10］。

2　验证试验

2.1试验工况

为验证防护结构外部线型在水下爆炸冲击波和气泡脉动作用下的稳定性，同时验证结构强度设计合理性，根据几何相似原理进行了缩比模型验证试验，为保证验证效果，缩比模型控制在1∶5范围内［11］。高速摄像机防护结构的缩比模型设计与原结构尺寸比例为1∶3，内部安装高速摄像机缩比质量块。防护结构缩比模型实物如图2所示。

图2　防护结构缩比模型实物

试验在实验室爆炸罐内进行，爆源为0.2kg TNT标准药球，入水深度2.475 m，爆炸冲击因子（SF）分别为0.2和0.4，对应的爆距（D）、理论峰值压力和流场流速如表1所示。根据流体力学理论，水中结构体发生振动主要受流体流速影响［12］。可以看到在1#试验中，水中爆炸气泡脉动产生的流场速度为1.24 m/s、冲击波峰值压力为11.55 MPa，略大于60 kg TNT、0.5冲击因子试验工况下的1m/s气泡脉动流场速度和11.48MPa的冲击波峰值压力；在2#试验中，气泡脉动产生的流场速度为4.94m/s，峰值压力为25.14 MPa，远大于60kg TNT、0.5冲击因子试验工况下的气泡脉动流场速度和峰值压力，该工况试验主要用于对比验证在爆炸作用下的运动情况和结构强度的对比验证；理论分析和仿真计算显示防护结构在爆炸冲击作用下产生的位移主要由气泡脉动引起的流场变化作用结果，同时根据水下爆炸试验冲击波峰值压力等效原则，1#试验可以验证60kg TNT、0.5冲击因子、峰值压力11.48MPa条件下的防护结构运动和毁伤情况。

表1　试验工况对应参数

2.2试验布设

防护结构缩比模型和药球通过横杆悬浮布放到爆炸罐内，罐内注满水；爆炸罐留有多个观测窗口，在爆炸罐外部的观测窗口布设高速摄像机，记录爆炸过程中防护结构运动图像；防护结构前端布设一个压力测点，对水下爆炸自由场压力进行测量，并监测药球是否完全爆轰，试验布设如图3所示。

图3　模型试验布设示意图

3　试验结果及分析

两次试验均获得了自由场压力和防护结构运动情况的图像数据。

3.1自由场压力测量结果分析

根据自由场压力测量结果判断，两次试验药球均完全爆轰。图4为1#试验自由场压力测量结果曲线，压力测点到药包距离为1.8m，测量曲线中第1个峰值为爆炸冲击波峰值压力，第2个峰值为爆炸罐壁反射汇聚产生的压力，反射压力大于爆炸冲击波峰值压力，产生的气泡脉动周期与理论值相符。

图4　1#自由场压力测量曲线

在冲击因子为0.2和0.4两个工况下，防护结构均未产生塑性变形，外观完好。

3.2防护结构运动测量结果与分析

通过布设在爆炸罐外的高速摄像机拍摄得到防护结构运动图像，经过处理得到结构在纵向（水平方向）和垂直方向产生的位移。比较两个工况试验中高速摄像机拍摄的图像数据可以看出：防护结构产生的位移随爆距的拉近而增大，产生的位移以纵向为主，垂向产生较小的位移。由压力测量结果可知，爆炸时爆炸罐内存在严重且复杂的反射现象，导致防护结构位移测量结果存在一定的误差，但总体趋势符合仿真计算时的预估运动特点：防护结构纵向的运动特点是在爆炸冲击波和气泡脉动作用下做先正向后反向的往复运动，这主要是由于模型在入射冲击波载荷作用下作正向运动，而后运动的模型在流体阻尼和反射汇聚冲击波的作用下运动变缓直至运动方向反向；垂向的运动特点是围绕零线的上下做周期运动（周期约为400 ms），这主要是试验过程中水下爆炸激起的爆炸罐整体运动所导致。表2为两个工况条件下由爆炸图像处理得到的结果。

表2　爆炸图像处理结果

图5为冲击因子为0.2的1#试验中防护结构水平方向运动位移曲线，爆炸流场速度为1.24m/s，爆炸图像处理结果显示防护结构在该工况下产生的最大水平位移约为0.12 m，产生最大位移时刻为爆炸后的1 s时刻，在二次气泡脉动周期时产生的位移＜0.02m（0.2 kg TNT装药、布深2.475m时的气泡脉动周期理论值约为0.147s）；图6为冲击因子为0.4的2#试验中防护结构水平方向运动位移曲线，爆炸图像处理结果显示防护结构在该工况下产生的最大水平位移为0.14m，产生最大位移时刻为爆炸后的1s时刻，在二次气泡脉动周期时的位置产生的位移＜0.04m；图7和图8分别为1#试验和2#试验中防护结构垂直方向运动位移曲线，在2个工况下防护结构垂直方向产生的位移较小，主要是爆炸罐在爆炸后的整体运动所引起。

图5　1#试验防护结构纵向位移时间曲线

图6　2#试验防护结构纵向位移时间曲线

图7　1#试验防护结构垂向位移时间曲线

图8　2#试验防护结构垂向位移时间曲线

4　结束语

通过防护结构缩比模型试验，验证防护结构外部线型和结构强度设计的合理性。试验主要得到如下结论：

1）结构强度满足60kg TNT、0.5冲击因子、峰值压力11.48MPa水中爆炸作用下的摄像机安全防护使用要求。

2）爆炸流场速度为1.24 m/s时，防护结构在二次气泡脉动周期内产生的纵向位移不到0.05 m，防护结构在爆炸冲击波和气泡脉动作用下稳定性较好，满足60kg TNT、0.5冲击因子和1 m/s爆炸流场速度下摄像机拍摄图像的稳定性使用要求，能为高速摄像机水下爆炸图像拍摄提供稳定的承载平台。

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（编辑：徐柳）

Experimental study on dynamic behavior of camera protecting structures in underwater explosion

ZHANG Shuhong，ZHOU Qingfei，JIN Hui
（Unit 91439，Dalian 116041，China）

To prove the stability and strength of high-speed camera protecting structures，the following tests were carried out：place a reduced scale model for protecting structure into an explosion tank，measure the peak value of explosive pressure load of underwater explosion with an electricalmeasurementsystem，shootthemotionimageofthemodelundertheactionof underwater explosion by a high-speed camera on the observation window outside the explosion tank，and process the motion image taken to get the horizontal and vertical displacement values of the model.The experimental results indicate that the protecting structure is steady and no plastic deformation is caused by underwater explosion shock waves and bubble impulses.The protecting structure is strong and stable enough to meet the need for underwater engineering research of 60kg TNT with shock factor of 0.5 and peak pressure 11.48MPa.

underwater explosion shock wave；structural stability and strength；model test；highspeed photography

A

1674-5124（2016）05-0089-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.05.019

2015-11-05；

2015-12-14

张姝红（1971-），女，辽宁辽中县人，高级工程师，硕士，主要从事水下爆炸试验技术。