10.5.3 云雾爆轰浓度分布试验
本试验建立多节点阵列式浓度检测试验系统，对云雾在抛撒过程中不同半径和高度处的浓度进行检测。试验过程中采用静态抛撒装置，通过爆炸抛撒方式产生动态燃料云雾；结合高速摄像的动态云雾浓度分析，对浓度检测系统的检测精度进行评估验证，讨论云爆燃料时空分布规律。
10.5.3.1 试验系统设计与搭建
试验系统布置在开阔环境中，试验系统整体布置示意如图10-47所示。云雾抛撒装置固定在支架上，抛撒装置几何中心距地面1m。以抛撒中心在地面的数值投影为中心布置双频超声浓度检测阵列；检测阵列由4组（A、B、C、D）正交布置的浓度检测微系统构成，每组包含3个双频超声浓度检测系统，相邻间距为3m，与抛撒中心的距离依次为3m、6m、9m；检测系统的传感器高度与云雾抛撒装置中心等高。在距离中心20m处布置高速摄像机，高速摄像机拍摄方向与A、D组浓度检测微系统的连线垂直。在高速摄影机拍摄范围内设置尺寸标志杆，标志杆横向距离6m，且尺寸标志杆的连线与拍摄方向垂直。浓度检测系统试验现场布置如图10-48所示。
FAE燃料分散装置是圆柱形的，包括雷管、引爆炸药、分散炸药、炮弹和FAE燃料。在圆筒的中心放置一个管以固定分散炸药。选择TNT作为分散炸药，炸药的质量为200g。中心管和圆柱壳之间的空间用于填充FAE燃料。FAE燃料质量为50kg，扩散半径为15m。
图10-47 试验总体设计方案
（a）试验系统整体布置；（b）双频超声浓度检测阵列
图10-48 试验现场布置图
云爆弹静态抛撒燃料云雾浓度检测试验流程为：
（1）布置试验系统，对浓度检测系统和高速摄像机进行初始化。
（2）布置缩比抛撒装置，在安全距离外起爆雷管，完成燃料抛撒。
（3）同步触发浓度检测系统和高速摄像装置，分别完成浓度检测和图像记录。
（4）更换缩比抛撒装置，重复步骤（2）、（3）。
（5）试验结束（云爆弹燃料静态抛撒云雾浓度检测试验共计进行3次）。
10.5.3.2 试验数据分析
图10-49为云雾抛撒在中心装药爆炸驱动载荷作用下的燃料抛撒过程。燃料的抛撒过程中有明显的横向快速抛撒运动阶段和纵向的慢速扩散阶段。虽然这两个典型特征在整个燃料的抛撒过程中都同时存在，但是前期以径向快速抛撒运动为主导运动，后期以纵向慢速扩散为主导运动。
图10-49 云爆燃料抛撒过程图
图10-50为试验过程中云雾在水平方向和高度方向的抛撒半径随时间的变化图，二值图像法处理流程进行体积计算，忽略中心空洞并假设云雾是均匀分布的，最后进行燃料云雾平均浓度计算。
抛撒过程中云雾浓度分布曲线如图10-51所示。可以看出，燃料分散的半径随时间单调增加，增长速度越来越慢，大约20ms后，燃料分散半径的增长速度明显变慢，燃料的径向快速扩展运动阶段结束；随后出现了明显的纵向慢速扩散阶段，此阶段是燃料沿着曲线轨迹作自由扩散，使得燃料分散更加均匀，在垂直方向上，云雾有了进一步的扩展。
图10-50 燃料扩散半径变化
图10-51 燃料扩散尺度变化曲线
根据试验中获得的典型超声信号曲线（图10-52）。进行数据处理，即可获得各个测试点的瞬态浓度特征的超声衰减分布曲线，如图10-53、图10-54所示。对于半径方向在距爆心不同距离处，各测试点燃料浓度均出现先增大后减小的趋势，沿半径方向各点浓度峰值交替出现，但浓度峰值逐渐减小，在时空分布曲线中呈现出波动形态。云雾浓度在距抛撒中心1m处达到1200g/m3，随扩散至距中心4m处，云雾浓度整体分布为300～500g/m3，达到相对分布均匀阶段，此刻云雾爆轰效应最佳。
图10-52 超声检测信号衰减曲线
图10-53 燃料抛撒浓度分布曲线
通过图像法，可以直观得到云雾扩散过程的两个阶段：快速射流阶段和稳定扩散阶段。对于稳定扩散阶段，对稳定扩散阶段的浓度进行实时检测，实现识别最优爆轰浓度是其关键。对超声衰减信号进行浓度计算，对布置点50ms后在稳定扩散阶段的浓度进行监测，如图10-54所示。
由图10-54可知，采用超声衰减燃料云雾浓度检测方法和系统获得的云雾浓度数据在同一直径处浓度的一致性较好，说明了云爆燃料静态抛撒的“圆柱状”特性。在抛撒50ms后，云雾浓度分布相对均匀，均为400～600g/m3，这与仿真结果及图像分析在稳定扩散阶段的浓度分布特性一致。
图10-54 超声衰减燃料云雾浓度检测曲线
（a）A1、B1浓度；（b）C1、D1浓度；（c）A2、B2浓度
图10-54 超声衰减燃料云雾浓度检测曲线（续）
（d）C2、D2浓度；（e）A3、B3浓度；（f）C3、D3浓度