一种基于气体炮加载技术和惯性抛射原理的水冲击实验装置＊

刘显军，王小龙，李思忠，钟卫洲，周本全

（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳621999）

相对于火箭撬、电炮等加载设备，利用压缩气体作动力源的气体炮［1－4］具有干净、易实现等优点，应用越来越广泛。随着各种缓冲材料（如橡胶、泡沫铝等）和缓冲器的开发利用［5－7］，高速负载的缓冲与回收技术也越来越成熟，使惯性抛射技术的应用越来越广泛，如各种冲击实验设备、弹丸加载装置等［8－9］。在水冲击实验［10－12］中，需要发射具有一定速度的规则形状水柱，作为实验件入水出水冲击过程模拟的实验条件。目前的水流发射装置如水压凿岩机等［13－14］，都通过活塞推射的方式实现水流射出，速度与冲击力可调节，但由于活塞作用到水面上的压力不均匀，水柱形状容易破坏，不符合水冲击实验的要求。

本文中基于气体炮加载技术和惯性抛射原理，研制一套水冲击实验装置，可实现规则形状水柱按照设定速度发射，为各种水冲击实验提供技术手段。

1 装置设计

1.1 装置发射原理

该装置在活塞推射技术的基础上，设计一抛射筒取代活塞，将水柱装在抛射筒内；利用气体炮产生的动力加载抛射筒，达到设定速度时撞击缓冲件得到减速，筒内水柱在惯性作用下飞出；根据一级气体炮内弹道理论，可计算出水柱飞出速度。抛射筒材料采用高强度合金钢，缓冲件材料采用橡胶，装置在发射水柱后抛射筒可再次使用。

如图1所示，装置工作过程为以下4个步骤：（1）首先关闭阀门，抛射筒放置到位，并在气室中充满压缩空气；（2）打开阀门，气室内压缩空气瞬间释放，产生的压力p将推动抛射筒（内装待抛物）在炮管内加速；（3）当抛射筒完成加速后，将获得一定的初速度v，并撞击缓冲件；（4）抛射筒受缓冲作用减速停下，最后待抛物在惯性的作用下以速度v0（略小于v）发射出去。

根据一级气体炮的内弹道理论［1］，不考虑各种摩擦与损耗时，抛射筒获得的速度

图1 基于气体炮加载技术的惯性抛射原理示意图Fig.1 Schematic diagram of inertia projecting based on load technology of gas gun

基于上述惯性抛射原理来实现规则水柱的发射，利用流体模拟软件FLUENT进行模拟。如图2所示，抛射筒（内装水）以35 m/s的速度向上运动，某时刻迅速回收抛射筒，使其在短距离内速度降为零，水柱因惯性作用飞出，出筒速度大于30 m/s、水柱形状保持较好。模拟结果表明，惯性抛射方式可实现规则形状水柱的发射。

图2 水柱惯性抛射的模拟分析结果Fig.2 Simulation analysis of ejecting water column by inertia effect

1.2 装置结构组成

装置总体结构如图3所示，主要由气室、活塞、炮管、抛射筒、缓冲件、限位环等组成。气室中充满压缩空气，活塞打开以后，气体瞬间释放产生的动力推动抛射筒在炮管内运动，获得一定速度后撞击缓冲件减速，抛射筒内水在惯性作用下飞出，从而实现规则形状水柱的发射。

气室分为前、后2个腔，前腔用于充压缩气体，后腔给活塞提供运动空间。

活塞由活塞杆和密封锥2部分组成，活塞杆在气室后腔运动，密封锥采用铜材料、可压紧气室前腔放气口。

为了拆装方便，炮管由炮管口和炮管座2部分组成；炮管口周壁上开有条形槽，可及时排放发射过程中释放的空气。

抛射筒由薄壁圆筒和撞击盘组成，连接部位局部加厚，可提高强度。

缓冲垫安装于炮管口处，环向安装间隙大于缓冲垫厚度，以提供膨胀空间。

限位环采用铜材料，可在不碰伤抛射筒的前提下起导向作用。

图3 水冲击实验装置结构Fig.3 Structure of device for ejecting water

1.3 抛射筒冲击与缓冲分析

设抛射筒尺寸为直径200 mm、长1 m，装满水后总质量约为100 kg，经气体炮加载后获得的速度为35 m/s，根据动能定理，抛射筒撞击缓冲垫的总能量为61.25 kJ。抛射筒材料采用高强度合金（如30Cr MnSiA），缓冲垫材料采用丁基橡胶，通过有限元模拟分析得到，如图4所示：抛射筒壁、盘连接根部的应力最大（676 MPa），在材料的允许范围内（30Cr MnSi A材料的屈服应力可达800 MPa以上），这说明抛射筒未发生塑性破坏、下次实验可再次使用；缓冲垫最大压缩量约为62 mm，属于弹性变形，压缩后将恢复变形；炮管的螺栓连接处应力最大（约390MPa），一般的中等强度材料即可满足；炮管口和炮管座的连接螺栓应力最大约660MPa，8.9级强度螺栓可满足连接要求。

1.4 抛射筒发射速度测试

采用一种非接触式的光电测速方法，如图5所示，2对光纤传感器（每1对包括1个发射器、1个接收器）相距L，抛射筒运动过程中依次通过2对传感器并挡住光线，从传感器信号中读取光线被遮挡的时刻t1、t2，则抛射筒速度为v＝L/（t1－t2）。该测速方法易于控制、测试精度高，不受水环境影响。

图5 抛射筒发射速度的非接触式测量方法Fig.5 Uncontacted method for measuring speed of projecting cylinder

2 实验结果

根据上述设计，研制了一套水冲击实验装置，主要技术指标为：

（1）装置重约3.5 t，高约3 m；

（2）可发射水柱尺寸为Ø200 mm×1 m；

（3）水柱发射速度可达40 m/s，速度测量精度可达0.01 m。

采用该装置开展了实验，实现了尺寸为Ø200 mm×1 m水柱的发射，如图6所示，水柱出筒时形状较好，喷出的水柱可以用作各种结构件的水冲击实验，水柱发射后抛射筒后保持完好。在气室压力为1.0 MPa时，开展发射实验，通过非接触式测量方法［15］测定抛射筒获得的速度为30.15 m/s，而利用式（1）计算得到的速度为32 m/s，实际值与理论值比较接近，误差是由于式（1）没有考虑各种摩擦与损耗；实验时设定不同的气室压力，即可获得抛射筒不同的加载速度，从而得到水柱发射的设定速度。

图6 惯性抛射装置的水柱发射实验Fig.6 Photo of device for ejecting water column

3 结 语

基于气体炮加载技术和惯性抛射原理，研制了可实现规则形状水柱按照设定速度发射的抛射装置。该装置利用气体炮动力加载装有水的抛射筒，达到设定速度时撞击缓冲件得到减速，筒内水柱在惯性作用下飞出；抛射筒材料采用高强度合金钢，缓冲件材料采用橡胶，在水柱发射后抛射筒可再次使用。采用该装置开展了尺寸为Ø200 mm×1 m水柱的发射实验，水柱速度与形状均满足水冲击实验的要求；采用非接触的光电测速方法测量了发射速度，与理论计算结果相符合。

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