高能量冲击加载试验装置研究进展

刘石豪,张振海,牛兰杰,田中旺,孙浩琳,张大治,宋钱骞,4,何 光

(1.北京理工大学,北京 100081;2.西安机电信息技术研究所,陕西 西安 710065;3.航空工业北京长城计量测试技术研究所,北京 100095;4.北京旋极信息技术股份有限公司,北京 100094)

0 引言

轻气炮和空气炮是常见的实验室条件下模拟高冲击、高过载试验环境的加载装置。它们是较为通用的冲击加载装置,可以与温度环境试验箱等测试手段和装置结合起来,开展复合温度环境条件下冲击试验与测试计量。

轻气炮是研究高速、超高速碰撞终点效应以及含能材料冲击特性的重要模拟加载实验手段[1-2]。轻气炮一般由高压气室、炮管、快速释放机构和缓冲装置四部分组成。轻气炮分为一级轻气炮和二级轻气炮。一级轻气炮是直接压缩轻质气体驱动模拟弹丸在发射管内加速运动,来实现高动压加载的专用装置。一级轻气炮的发射速度不高,因此,在一级轻气炮的基础上又逐渐研制了二级轻气炮。二级轻气炮根据第一级驱动方式的不同又可以分为火药驱动和非火药驱动两种形式[3]。二级轻气炮利用火药爆炸气体膨胀做功或高压气体通过活塞压缩轻质气体(氢气、氦气或氮气等)。当泵管内的压力到达一定值时,泵管与发射管之间的膜片被压破,从而高压气体进一步驱动模拟弹丸沿发射管加速飞出。

轻气炮的应用主要体现在以下几个方面:

1) 用于高速碰撞的终点效应,空间碎片高速碰撞研究,如航天器设备受到空间陨石撞击等;

2) 用于炸药等含能材料的分解反应以及冲击引爆规律,材料状态方程及响应的模拟试验验证;

3) 用于高温高压条件下材料电导率变化规律等电磁性能研究;

4) 用于高温高压条件下气体的辐射输运系数、在冲击压缩下材料光谱研究;

5) 利用轻气炮测量材料等熵压缩线和冲击绝热曲线,高压物态方程和低压本构关系研究;

6) 用于高温高压条件下透明或非透明材料的熔化特征、冲击波温度测量研究;

7) 用于冲击波的产生和衰减规律,测量放射性化学元素的特性,以及由冲击波引起的材料动态力学性能研究。

空气炮不同于以高压轻质气体为驱动介质的轻气炮,通常以压缩空气为驱动介质。空气炮在研究高g值加速度传感器,振动冲击传感器的动态、静态特性的标定校准,以及侵彻引信部件和器件的高冲击、大脉宽、高能量冲击加载方面具有重要应用,较霍普金森杆装置的冲击加载脉宽大很多。

空气炮的应用主要体现在以下几个方面:

1) 用于高g值加速度传感器的高冲击测试与标定校准等;

2) 用于侵彻引信、弹载系统及电子设备的抗冲击设计,生存能力及可靠性测试等;

3) 用于炸药的安全性和钝感性等研究;

4) 用于结构件碰撞冲击条件下结构强度等研究;

5) 用于火工品在高冲击、高过载环境条件下的安全性测试研究。

1 轻气炮国内外研究分析

1.1 国外轻气炮研究进展

1946年在美国新墨西哥州出现世界上第一门轻气炮。该一级轻气炮以轻质气体氮气作为动力源。它证明了轻气炮的初始压力与一定量火药产生的气体压力相同的情况下,弹丸能获得更高的炮口发射速度[4-5]。

为了使弹丸获得一定持续时间的高速运行状态并且进一步提高弹丸的发射速度,1948年在新墨西哥州矿业学校研制了世界上第一门二级轻气炮。该二级轻气炮具备将一个轻质小球以4.3 km/s的速度发射的能力[4,6-8]。

轻气炮可以在实验室条件下进行高速、超高速撞击试验,美国、法国、英国、加拿大等国家开始陆续研究轻气炮装置及相关技术。

位于美国得克萨斯州圣安东尼奥的西南研究所(SwRI)建有大型二级轻气炮,如图1所示。该轻气炮可以在室温、高温环境条件下进行平板冲击,最高发射速度7 km/s。这门二级轻气炮泵管直径115 mm,发射管直径38 mm,全长22 m,飞行距离13 m。可将50 g的模拟弹丸以7 km/s的速度发射,0.5 kg的模拟弹丸以3 km/s的速度发射,1.4 kg的模拟弹丸以2 km/s的速度发射。该大型二级轻气炮试验装置主要用于研究新型装甲、穿甲弹超高冲击试验,导弹毁伤目标的模拟实验,冲击飞片实验状态方程(EOS)研究,模拟空间碎片的撞击和冲击气化航天器等。

图1 美国西南研究所圣安东尼奥总部二级轻气炮

美国航空航天局白沙实验场远程超高速测试实验室建有0.17 in口径(4.318 mm)、0.50 in口径(12.7 mm)和1.0 in口径(25.4 mm)的系列化二级轻气炮,如图2所示。轻气炮主要性能指标如表1所示。该系列轻气炮第一级采用火药爆炸膨胀加速,第二级采用高压缩比的氢气加速,可以实现高达27 500 ft/s的速度加速模拟弹丸,以模拟粒子对航天器和卫星材料、组件的影响。该实验室的测试室可以加热到 2 800 ℉(1 811 K) 或冷却到-325 ℉(77 K),以研究极端温度环境中高冲击对结构和组件的影响。

表1 白沙实验场二级轻气炮主要性能指标

图2 白沙实验场二级轻气炮

美国NASA 超高速碰撞技术实验室(HVIT)建有3套二级轻气炮系列冲击试验装置,具备实验室条件下极端环境测试能力。轻气炮口径0.5 in(12.7 mm),可以将100 μm～10 mm的铝球以2～7 km/s的速度发射,如图3所示。该系列轻气炮可以模拟轨道空间碎片造成的撞击,为航天器防护罩设计,评估轨道碎片和流星体撞击带来的风险奠定实验测试基础。

图3 HVIT实验室二级轻气炮

1968年美国Ames研究中心已将0.17 g镁锂弹丸以12.2 km/s的速度发射。该研究中心建有多套二级轻气炮冲击装置, 其主要性能指标如表2所示[9]。

表2 Ames研究中心二级轻气炮主要性能指标

美国桑迪亚(Sandia)实验室的冲击热力学应用研究(STAR)设施是世界上唯一一个可以覆盖整个压力范围(几bar到数Mbar)的实验测试装置,这些装置利用气体或推进剂发射器、斜坡加载脉冲器进行弹道应用材料特性研究。STAR装置是世界上唯一可以进行全系列弹道研究的冲击实验装置:从常规武器(侵彻)、碎片事件、空间撞击事件(陨石、微流星体撞击)到空间尘埃的极速撞击,同时拥有最先进的评估技术。具体研究包括:1) 利用二级轻气炮对材料碎片进行调查,对空间航天器进行研究,并进行缩比试验验证;2) 使用不规则几何形状的撞击器进行验证实验;3) 速度高达19 km/s的微流星体、太空垃圾等碰撞空间应用研究;4) 桑迪亚是唯一采用低压靶室来实现超过10 km/s超高速撞击机构;5) 进行太空射线照相、摄影、测速和干涉测量等。STAR实验室五套轻气炮装置如图4所示。轻气炮主要性能指标归纳如表3所示。

表3 桑迪亚实验室二级轻气炮主要性能指标

图4 STAR 实验室五套轻气炮装置

劳伦斯利弗莫尔国家实验室建有100 mm口径,能够以5 500 m/s速度发射模拟弹丸的二级轻气炮,该轻气炮用于高速冲击研究。

内华达实验场、洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)、利弗莫尔国家实验室(LLNL)和圣地亚国家实验室(SNL)联合实验组织设计的JASPER二级轻气炮[10],如图5所示。JASPER二级轻气炮的第一级泵管内径89 mm,长11.5 m,第二级发射管内径28 mm,长8.1 m,末端有一个直径8 ft的密闭弹靶碰撞目标靶室。该轻气炮的工作过程为:弹丸被装载到第一级,第一级由多达8 lb的火药驱动。由此产生的爆炸将一个4.5 kg的活塞推入充满轻质气体(如氢气)的发射管中。活塞的作用是将气体加热并压缩到每平方英寸数千磅。一旦热量和压力足够高,一个小型钢制爆破片就会爆裂,从而加速弹丸进入到第二级,弹丸再经过第二级加速。该轻气炮可发射的弹丸质量14.6～68 g,发射速度达2.1～7.6 km/s[11]。可在近似核武器条件的高冲击压力、温度和应变率下生成和测量放射性化学元素的特性。这些数据用于确定材料状态方程并验证材料响应的计算机模型。

图5 JASPER二级轻气炮

日本东北大学流体科学研究所跨学科冲击波研究实验室(ISWRL)的二级轻气炮如图6所示。该轻气炮由直径51 mm,长3 400 mm的泵管、直径15 mm,长12 m的发射管以及长3 m、内径1.7 m的回收舱组成。此二级轻气炮可转换多种工作模式,能发射不同质量的弹丸,实现多种不同速度的发射。第一种模式是使用压缩气体驱动,可以使51 mm弹丸以1.0 km/s的速度发射,15 mm弹丸以2～7.5 km/s的速度发射。第二种模式是利用火药驱动,在文献[12]中,OHTANI K等人使用该二级轻气炮,实现了2 km/s的速度。在该实验中,他们在回收舱位置组装了液氮制冷的低温箱来研究铝合金板和复合材料板在低温和室温下断裂模式的差异。

图6 ISWRL二级轻气炮

意大利帕多瓦大学太空研究与活动中心(CISAS)建有4.76 mm和6 mm两种口径的二级轻气炮,该轻气炮的主要特性见表4[13-14]。

表4 CISAS研究中心轻气炮主要特性

除此之外,加拿大军械研究中心、美国道格拉斯公司、美国通用汽车公司、美国海军军械研究室、美国国立研究实验室、英国军械研究发展中心等相关研究机构也建有二级轻气炮装置,其二级轻气炮装置主要性能参数如表5所示,相关数据均来自参考文献或研究单位官网。

表5 国外轻气炮设备性能参数汇总表

1.2 国内轻气炮研究进展

相比于国外轻气炮装置及其相关技术研究,我国对轻气炮的研究在理论以及应用范围上都存在一定差距,但是经过几十年的理论与实践研究,也自主研制了多种型号口径的轻气炮冲击加载试验装置。

中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室设计研发的一级轻气炮装置如图7所示。该一级轻气炮口径101 mm,炮管长度17 m,加载速度范围20～1 400 m/s。该轻气炮是进行高速碰撞实验的专用装置,可用于高应变率(105/s～106/s)条件下的材料力学性能研究与测试、元器件的动态标定和动态模拟实验等。此一级轻气炮是国内自行设计研制的第一门轻气炮。

图7 中国科学院一级轻气炮

西安机电信息技术研究所在20世纪70年代末设计研制了由调节杆控制的37 mm轻气炮。在20世纪80、90年代又成功设计研制了通过活塞调节进气量的85 mm和155 mm两种较大口径的轻气炮,其中155 mm口径气体炮可以模拟火炮内弹道参数和高加速度冲击环境参数,进行高加速度模拟时,加速度峰值可达26 000g左右,驱动弹丸质量2.5～3.2 kg,炮口速度≥400 m/s。进行内弹道模拟时,加速度峰值可达10 000g左右,驱动弹丸质量4.5～5.2 kg,炮口速度≥400 m/s。这些轻气炮装置在常规武器研究、超高压下的材料理论、超高速碰撞和侵彻引信研制中有广泛地应用[5,15]。

华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室建有一级轻气炮装置,如图8所示。此一级轻气炮可以实现最大约1 000 m/s的撞击速度,主要用来进行材料在高应变率(105/s～106/s)条件下的力学性能研究。

图8 华南理工大学一级轻气炮

大连民族大学的一级轻气炮冲击加载装置委托洛阳道生精密机械有限公司设计制造,如图9所示。该一级轻气炮内径为300 mm,长度10 m。弹丸最大重量1.75 kg,速度50 m/s。

图9 大连民族大学一级轻气炮

宁波大学的一级轻气炮,如图10所示。该轻气炮口径57 mm,炮管长4 m,弹速40～350 m/s[16]。该轻气炮是进行平面冲击波试验装置及高速撞击终点效应试验装置,能够实现平面压缩波实验和压剪特性实验,以及高速冲击拉伸状态下临界冲击拉伸速度研究。在高速撞击下,用于研究材料动态破坏特性和本构关系等。

图10 宁波大学一级轻气炮

西北核技术研究所在1982年设计研制了57 mm口径一级轻气炮,该轻气炮发射管内径57 mm,长12 m,最大发射速度1 400 m/s[17]。之后,20世纪90年代又成功研制了130 mm的大口径一级压缩轻气炮。

除一级轻气炮装置,对于二级轻气炮的研究也有了一些突破性进展。比如,西北核技术研究所在20世纪90年代设计研制了发射口径10 mm的非火药驱动二级轻气炮,该二级轻气炮的最大弹丸发射速度可达7 000 m/s。之后又陆续设计研制了100/30 mm口径的二级轻气炮,结构如图11所示。该轻气炮最大的特点是二级轻气炮功能的实现是在内径100 mm的一级轻气炮上加装内径30 mm的发射管,因此通过拆装发射管可以实现一、二级轻气炮的功能。该轻气炮当作为一级轻气炮使用时,可以将重1 kg的模拟弹丸以1 157 m/s的速度发射,将重20 kg的模拟弹丸以349 m/s的速度发射;当作为二级轻气炮使用时,可以将重100 g的模拟弹丸以3 005 m/s的速度发射,将重400 g的模拟弹丸以1 520 m/s的速度发射[18]。

图11 西北核工业研究所的Φ100/30 mm非火药驱动二级轻气炮简图

中国工程物理研究院建有一级和二级轻气炮装置。图12(a)是两门一级轻气炮,图中左边一门口径57 mm,可将200 g弹丸发射速度达1.4 km/s;右边一门口径100 mm,可将500 g弹丸发射速度达1.5 km/s。图12(b)是一门二级轻气炮,该炮配有30 mm和37 mm口径两套发射管。在30 mm口径发射管上,将30 g弹丸发射速度达8.62 km/s[19];在37 mm口径发射管上,将51.75 g弹丸发射速度达6.85 km/s[20]。

图12 中国工程物理研究院轻气炮

北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室建成的16 mm、37 mm、57 mm、152 mm一级轻气炮,14.5 mm二级轻气炮,如图13所示,主要性能指标如表6所示。该系列轻气炮具有高速、超高速宽范围、多层次的加载条件,可开展常温和高温条件下金属材料、低阻抗泡沫材料、砂浆及混凝土材料高应变率条件下的动态力学性能研究,攻角、侵角及正侵彻的弹体侵彻性能研究,超高速工程防护研究,为毁伤评估提供基础冲击动力学数据。

表6 北京理工大学轻气炮主要性能指标

图13 北京理工大学轻气炮装置

宁波大学的高速二级轻气炮实验装置由中国工程物理研究院流体物理研究所设计研制。炮体总长21 m,发射管口径25 mm,发射模型可为圆片、圆柱、圆球等,标准弹重量不大于22 g,炮口最大初速度3.5 km/s。发射初始动力由压缩氮气(或空气)提供,气室最大注气压力25 MPa。泵管轻质气体为氦气。该装置适用于固体材料高速平面碰撞、高速侵彻实验,以及材料高压高应变率状态方程实验测量研究。

中国科学院力学研究所研制的DBR30爆轰驱动二级轻气炮如图14所示[21]。该轻气炮装置包括爆轰段、泵管、发射管和靶室四部分。该二级轻气炮设计指标可将重20 g的模拟弹丸以6～8 km/s的速度发射[22]。

图14 中国科学院力学研究所DBR30二级轻气炮

南京理工大学建有发射管口径15 mm,泵管口径40 mm的二级轻气炮,如图15所示。该二级轻气炮设计弹丸质量为4～8 g,速度大于2 000 m/s,药室、泵管耐压大于300 MPa,发射管耐压大于100 MPa,能满足超高速条件下爆轰波实验研究。同时,该装置还可以用于高速碰撞、气动物理、气动力学等研究[8]。

图15 南京理工大学二级轻气炮

哈尔滨工业大学空间碎片高速撞击研究中心建有155 mm一级轻气炮,配备了Φ2.4 m×6 m的大型试验靶舱,如图16所示。该轻气炮装置可满足各类侵彻武器100～300 m/s的着靶速度地面模拟试验需求。2022年使用该155 mm一级轻气炮进行了探索性全尺寸侵彻器模拟月壤侵彻试验[23]。

图16 哈尔滨工业大学155 mm一级轻气炮

哈尔滨工业大学空间碎片高速撞击研究中心建有二级轻气炮装置,如图17所示。

图17 哈尔滨工业大学二级轻气炮

该轻气炮装置包括发射系统、测速系统、配气系统和靶舱四部分。发射系统的主要作用是将模拟弹丸加速发射,实现弹丸对靶件的高速或超高速碰撞。轻气炮的一级泵管口径57 mm,二级发射管可选择性搭配5.4 mm、7.6 mm、10.0 mm和12.7 mm四种口径,该系列轻气炮装置属于非火药驱动二级轻气炮,其一级驱动以氮气作为动力源,二级驱动以氢气作为动力源。该轻气炮具备将质量0.7 g的铝合金球形弹丸发射至7 km/s的能力[24]。2013年使用该二级轻气炮,采用液氮局部制冷系统,对加速段头部进行局部制冷来研究冰弹丸高速撞击靶板时的损伤效应[25]。2015年使用该二级轻气炮,在靶舱处安装加温箱,通过温控开关控制靶舱内的温度,选用铝球模拟弹丸来模拟空间碎片。通过该二级轻气炮装置将直径3.97 mm铝球模拟弹丸以1.47～4.47 km/s速度发射。该实验通过控制加温箱的环境温度,研究了环境温度对编织物及其填充式结构高速撞击损伤与防护特性的影响[26]。

西南交通大学的二级轻气炮委托德阳第二重机厂设计制造,如图18所示。

图18 西南交通大学二级轻气炮

四川大学原子与分子物理研究所建有二级轻气炮,如图19所示,全长16 m,弹丸直径20 mm,质量10 g,弹丸速度在1.5～6.5 km/s范围内可调。主要应用为借助高强度冲击波探索高温高密度条件下含能材料及凝聚物质的原子与分子物理问题以及新材料的开发与应用[27]。

图19 四川大学二级轻气炮

中国空气动力研究与发展中心2014年建成的203 mm大口径二级轻气炮,该轻气炮也可以配备120 mm口径发射管使用,总长104 m,其中燃烧室内径460 mm,压缩管内径380 mm,长40.5 m,发射管最大长度58 m,炮体支撑平台总长度111 m,炮体支架采用滚动式支撑结构。该轻气炮可以发射模型质量50～300 g,发射速度0.3～5 km/s,并且具备将重500 g的模型以4.0 km/s的速度发射时加速度小于4万g的“软发射”能力。该轻气炮的第一级采用火药燃烧驱动方式,第二级采用压缩氢气作为动力源,其结构如图20所示。目前,该轻气炮已开展试验近40余次,成功将重115.8 g的模型以2.9 km/s的速度发射,能实现整体模型、球模型、锥模型、复杂外形等模型的超高速发射。该轻气炮最大特点是实现了超大尺寸、高仿真度模型的超高速发射,主要用于开展气动物理、气动力、超高速碰撞等领域的试验研究[28]。

图20 中国空气动力研究与发展中心二级轻气炮结构示意图

北京卫星环境工程研究所设计研制的18 mm口径二级轻气炮如图21所示。该二级轻气炮具备将直径1～12 mm的球形或柱形模拟弹丸以2～7 km/s速度发射的能力,该轻气炮主要用于毫米级空间碎片超高速撞击特性研究[29]。

图21 北京卫星环境工程研究所二级轻气炮[13]

表7为国内部分一级轻气炮的主要性能参数,表8为国内部分二级轻气炮的主要性能参数,数据均来自参考文献或官网。

表7 国内一级轻气炮主要性能参数

表8 国内二级轻气炮主要性能参数

2 国内外空气炮研究分析

2.1 国外空气炮研究进展

KANNER H等人为评估航天飞机固体火箭助推器(SRB)对冰碎片的损伤能力,在埃格林空军基地(AFB)中型空气炮装置上进行了SRB冲击试验,测试系统如图22所示。该空气炮能将弹丸以1 800 ft/s的速度发射,发射机构由一个高速快开阀控制。表9提供了该空气炮规格的主要参数[30]。空气炮的炮管有一个1/8 in的键槽固定在炮管底部来防止弹托在炮管中旋转。在气室后面大约6 ft处的密封炮管后膛放置在-10 ℉的低温试验箱中。在距离炮管口10 in处是一个直径为1.95 in孔的钢制弹托剥离板,再后面是安装有相机窗口的目标靶室。

表9 空气炮测试单元参数

图22 格林空军基地测试系统

2003年,美国陆军研究实验室(ARL)设计研发了一种具有回收装置的空气炮,如图23所示。该空气炮装置包括固定炮管、弹丸和双能量吸收缓冲机构。该空气炮回收装置的原理是:模拟弹丸撞击到泡沫铝减速器,随着泡沫铝不断被压缩,弹丸的动能也不断减少。同时,被撞击的泡沫铝将其动能转换到后面的缓冲机构,实现二次能量的吸收,该空气炮口径4 in(101.6 mm),可以将100 lb的弹丸以1 200 ft/s(365.76 m/s)的速度发射。该空气炮已广泛用于测试火炮或弹丸部件在其发展阶段的适用性和生存能力[31-34]。

图23 美国陆军研究实验室空气炮测试装置示意图

2.2 国内空气炮研究进展

文献[35]中在如图24所示的37 mm口径空气炮进行了一系列试验。试验中弹丸选取半球形头部钢弹,质量为0.63 kg。利用空气炮将模拟弹丸加速到150～400 m/s之后垂直侵彻混凝土靶板。该试验成功地测量了侵彻过程中弹丸速度随时间变化的曲线。

图24 37 mm空气炮

文献[36]在2001年设计研制的小型空气炮如图25所示。该装置利用压差自动破膜的方式获得高g值冲击加速度,最大加速度峰值超过100 000g[36]。该装置主要用于高g值加速度计的校准。

图25 100 000 g 冲击加速度动态激励信号发生器原理图

西安近代化学研究气研制的空气炮装置结构如图26所示。炮管内径64 mm,该空气炮分为加速段、测试段和缓冲段。工作过程为:空气炮发射弹丸,通过碰撞激励体系完成对被校加速度的激励,然后由缓冲装置完成软回收。该装置实现了最高2×106m/s2,100 μs脉宽的冲击加速度激励[37-38]。

图26 校准冲击激励机总体结构图

中北大学动态测试技术重点实验室设计研制的空气炮装置如图27所示。该空气炮口径100 mm,发射管有效长度6.2 m,气室容积约为0.035 92 m3。该装置的工作原理:压缩空气来驱动弹丸获得所需的发射速度,弹丸加速运动直到在回收室与加速度测试装置碰撞,在碰撞过程中测试装置受到弹丸的高冲击,加速度计有输出,激光多普勒干涉仪也可以测量记录整个碰撞过程,从而实现加速度计的测试与校准。该空气炮装置还用于侵彻引信、弹载系统及电子设备的抗冲击设计、生存能力及可靠性测试等研究[16,39]。

图27 中北大学研制空气炮

南京理工大学设计研制的70 mm发射回收一体化空气炮装置如图28(a)所示,其结构简图如图28(b)所示。该空气炮包括高压室、试验发动机、发射管、泄压装置和辅助段五部分。该空气炮的工作过程:向高压室及辅助段注入高压空气,在高压空气的推动作用下,模拟弹丸沿炮管加速运动,发射管中部设有泄压孔,试验发动机在经过泄压孔后开始压缩发射管尾部的空气达到减速的目的。同时,在发射管尾部也安装有泄压装置,当发射管尾部压力达到一定值后,打开发射管尾部的泄压装置,减小发射管尾部的压力,避免试验发动机发生反向运动[31]。该空气炮主要用于测试火箭弹、导弹的引信、弹载部件在高g值环境中的性能参数变化。

图28 南京理工大学研制空气炮

南京理工大学研发的Φ37 mm空气炮装置如图29所示。该空气炮装置包括发射装置和缓冲靶板装置两部分。发射装置包括发射系统、发射控制系统、炮口子弹测速系统等。发射装置主要功能是将模拟弹丸加速到一定速度发射。缓冲靶板装置包括机械结构和数据采集系统两部分。缓冲靶板主要用于数据的采集与过载加速度波形的整形。该空气炮发射管直径37 mm,长2.26 m,能承受的最大压力400 MPa[40]。该空气炮主要用于模拟火工品在实弹射击力学过载条件下的安全性可靠性试验与评估。

图29 南京理工大学Φ37 mm空气炮

中国工程物理研究院总体工程研究所设计的高速碰撞试验系统如图30所示。该系统包括空气炮、试样组件、测速系统、弹拖分离器、高速摄影以及靶体等部分。该系统的工作原理:空气炮将高压气体快速释放,从而驱动已加热至试验温度的试样组件以设定好的姿态撞击靶体。其中,试样组件主要作用是弹托和加热,高速摄影用来记录弹丸的碰靶姿态。测速系统用来测量弹丸碰靶速度。该空气炮的内径250 mm,最高温度不低于1 100 ℃,最高速度不低于90 m/s。利用该系统可以进行高温高速复合条件下的撞击试验[41-42]。

图30 试验系统分布

中国工程物理研究院总体工程研究所用图31所示的空气炮试验系统,研究了在不同撞击速度下冰雹的破碎特性及致损能力。试验所用空气炮口径80 mm。试验原理:将冰球和聚氨酯弹托从-18 ℃低温环境中取出,通过空气炮将冰球加速持续一段时间后,撞击到金属杆,金属杆上产生应力波,可以根据测力金属杆中应力波幅值的大小来反推界面的撞击力大小,进而获得撞击力随时间的变化规律[43]。该试验的缺点是无法实现在位测试,或者原位测试。

图31 空气炮实验系统

北京海泰微纳科技发展有限公司建有四个系列特种空气炮装置,可实现高g值加速度传感器、弹载器件与部件的极端复合环境下的高能量冲击加载,其技术指标较国内外同类测试装置具有一定的领先优势[38,44]。

3 思考与建议

超常规、高能量冲击试验技术是在真实、模拟和虚拟条件下对军工产品系统及关键核心部件的功能、性能的测量、验证与评价的过程和技术,需要研究特种试验加载装置。我国高能量冲击加载试验装置的发展,应该遵循理论与工程实践相结合,试验测试前沿技术与基础理论相结合,定性试验与定量试验相结合,虚拟试验与联合试验技术,孪生模拟试验与数字孪生技术相结合,军工专有基础试验技术与通用试验技术相结合,实验室条件下的模拟试验与实战条件下实弹试验相结合。此类轻气炮、空气炮等高能量冲击加载试验装置研究主要包括:1) 开展特种试验加载装置的基础理论与方法研究;2) 从实战和工程实践出发,开展试验加载装置的设计、环境构建和工程样机研究;3) 开展虚拟/仿真实验技术研究;4) 开展试验评估及试验数据挖掘,包括试验与评估,以及联合试验技术研究。

我们应该从我国武器装备实际出发,以实战化要求,提升试验与测试的核心能力。建议重点开展的研究工作包括:1) 高能量冲击、高低温复合环境在位试验测试重大装备研制,以产生高低温、大脉宽、高冲击的在位复合试验工况环境(负载质量数公斤,低温至-45 ℃或者更低,高温至85 ℃或者更高);2) 局部高温、高冲击环境复合试验测试重大装备研制,以产生局部高温、大脉宽、高过载在位高冲击试验实际工况环境(无低温要求,高温至数百摄氏度,负载质量数公斤);3) 连续多次高能量冲击环境复合试验测试重大仪器装备研制,模拟侵彻多层硬目标的实际工况,验证识别控制算法,最终达到精确炸点控制的目的;4) 数字孪生技术与孪生模拟试验高冲击重大装备研制,以满足武器装备关键器件、部件、组件特种环境条件下的可控、可重复加载的高冲击定量分析需求,配合靶场试验,切实降低武器装备研究实弹成本高的弊端[38]。2022年1月28日,国务院发布了《计量发展规划(2021—2035年)》,明确了到2035年推动计量事业发展的指导思想、基本原则、发展目标、重点任务和保障措施。规划明确指出:研究复杂环境和极值量计量技术;服务高端仪器发展和精密制造,推动关键计量测试设备自主可控,加快专用计量仪器仪表的研制和推广使用。

高能量冲击加载试验装备设计开发过程中应该重点关注的难点包括:1) 在压缩空气的驱动下模拟弹丸由炮管首端加速飞向尾端,与静置的靶件高速碰撞,大质量被测靶件在弹丸激励下沿炮管轴向加速运动,瞬间产生高过载、大脉宽和巨大的动能,将此能量瞬间卸载下来,安全可控是一个难点。建议重点开展多级缓冲吸能方法与能量卸载装置工程化研究。2) 高冲击高低温复合试验装置存在可运动多级缓冲吸能器卸载结构,试验舱不能完全密闭,导致热传导的热量散失和温度非线性,试验区均匀性不一致,如何保证其有效工作区的温度均匀度以及波动度可控是工程设计与实现难点之一。试件负载质量大则热容量大,为实现高低温试验系统具有大质量负载高温变率能力,试验舱段可以采用大功率风道式的电阻加热方式与液氮雾化制冷方式协调控制。或者高低温复合碰撞试验舱采用闭合循环单回路方式,单回路方式将加热系统与制冷系统集成在同一主回路有利于实现冷热平衡温度控制。高温将导致制冷系统失效,所以复合试验舱不能无限制高温升温,有上限。3) 由压缩空气驱动弹丸,沿着炮管轴向飞行与弹靶碰撞试验舱的被测靶件高速碰撞,瞬间被激励的高频振动与摆动的靶件,沿着炮管轴向高速运动。由于瞬态碰撞过程时间短、速度高、能量大,并带有高频振动、摆动,普通的外差式激光多普勒干涉仪难以实现,建议开展强扰动条件下差动激光干涉多普勒测速方法研究,研制强扰动条件下高速碰撞激光干涉多普勒测试系统。

开展轻气炮、空气炮等高能量冲击试验加载装置研究,应以国家持续投入为主,加强军民融合,产、学、研、用相结合,重点加强条件建设和能力保障建设,建立国家级特种试验测试中心和应用验证平台,攻克高冲击复合环境试验测试装备和仪器,实现我国特种试验测试装置的自主可控、自主保障,提高信息化复杂装备系统的总装集成、试验验证和基础试验能力。

4 总结

目前轻气炮、空气炮已大量应用于实验室条件下模拟高速、超高速冲击加载场合。美国是最早开始并深入研究轻气炮、空气炮冲击碰撞加载装置以及相关技术研究的国家。相比于国外研究,我国相关研究还存在一定差距。十八大以来的近十年,中国在模拟高速、超高速、高过载冲击加载试验测试相关装置的研究在不断加强,并取得了不小的成就。目前存在的主要问题:二级轻气炮发射口径大多在7.6～50 mm,发射速度一般在8 km/s以下[45-47]。对于一些模拟超过10 km/s以上的场合,我们仍需继续努力。对于实现高冲击加速度模拟空气炮装置研究,需要进一步研发满足更高量程、更大脉宽的高能量冲击加载试验特种装置。由于极端复合环境加载的需求也日益凸显,我国还应进一步研制出满足极端边界条件力热耦合高低温、高冲击复合加载在位测试空气炮试验装置,以满足高新武器对面向实战化的新型试验与测试技术的需求。本文较深入系统地分析了国内外相关单位常温条件、高低温环境条件下的轻气炮和空气炮冲击加载试验装置研究现状,并给出了重点发展方向的思考及建议,为轻气炮、空气炮的高能量冲击加载装置的研制提供了一定借鉴作用。