高能量沖擊加載試驗裝置研究進展

劉石豪,張振海,牛蘭杰,田中旺,孫浩琳,張大治,宋錢騫,4,何 光

(1.北京理工大學,北京 100081;2.西安機電信息技術研究所,陜西 西安 710065;3.航空工業北京長城計量測試技術研究所,北京 100095;4.北京旋極信息技術股份有限公司,北京 100094)

0 引言

輕氣炮和空氣炮是常見的實驗室條件下模擬高沖擊、高過載試驗環境的加載裝置。它們是較為通用的沖擊加載裝置,可以與溫度環境試驗箱等測試手段和裝置結合起來,開展復合溫度環境條件下沖擊試驗與測試計量。

輕氣炮是研究高速、超高速碰撞終點效應以及含能材料沖擊特性的重要模擬加載實驗手段[1-2]。輕氣炮一般由高壓氣室、炮管、快速釋放機構和緩沖裝置四部分組成。輕氣炮分為一級輕氣炮和二級輕氣炮。一級輕氣炮是直接壓縮輕質氣體驅動模擬彈丸在發射管內加速運動,來實現高動壓加載的專用裝置。一級輕氣炮的發射速度不高,因此,在一級輕氣炮的基礎上又逐漸研制了二級輕氣炮。二級輕氣炮根據第一級驅動方式的不同又可以分為火藥驅動和非火藥驅動兩種形式[3]。二級輕氣炮利用火藥爆炸氣體膨脹做功或高壓氣體通過活塞壓縮輕質氣體(氫氣、氦氣或氮氣等)。當泵管內的壓力到達一定值時,泵管與發射管之間的膜片被壓破,從而高壓氣體進一步驅動模擬彈丸沿發射管加速飛出。

輕氣炮的應用主要體現在以下幾個方面:

1) 用于高速碰撞的終點效應,空間碎片高速碰撞研究,如航天器設備受到空間隕石撞擊等;

2) 用于炸藥等含能材料的分解反應以及沖擊引爆規律,材料狀態方程及響應的模擬試驗驗證;

3) 用于高溫高壓條件下材料電導率變化規律等電磁性能研究;

4) 用于高溫高壓條件下氣體的輻射輸運系數、在沖擊壓縮下材料光譜研究;

5) 利用輕氣炮測量材料等熵壓縮線和沖擊絕熱曲線,高壓物態方程和低壓本構關系研究;

6) 用于高溫高壓條件下透明或非透明材料的熔化特征、沖擊波溫度測量研究;

7) 用于沖擊波的產生和衰減規律,測量放射性化學元素的特性,以及由沖擊波引起的材料動態力學性能研究。

空氣炮不同于以高壓輕質氣體為驅動介質的輕氣炮,通常以壓縮空氣為驅動介質?？諝馀谠谘芯扛遟值加速度傳感器,振動沖擊傳感器的動態、靜態特性的標定校準,以及侵徹引信部件和器件的高沖擊、大脈寬、高能量沖擊加載方面具有重要應用,較霍普金森桿裝置的沖擊加載脈寬大很多。

空氣炮的應用主要體現在以下幾個方面:

1) 用于高g值加速度傳感器的高沖擊測試與標定校準等;

2) 用于侵徹引信、彈載系統及電子設備的抗沖擊設計,生存能力及可靠性測試等;

3) 用于炸藥的安全性和鈍感性等研究;

4) 用于結構件碰撞沖擊條件下結構強度等研究;

5) 用于火工品在高沖擊、高過載環境條件下的安全性測試研究。

1 輕氣炮國內外研究分析

1.1 國外輕氣炮研究進展

1946年在美國新墨西哥州出現世界上第一門輕氣炮。該一級輕氣炮以輕質氣體氮氣作為動力源。它證明了輕氣炮的初始壓力與一定量火藥產生的氣體壓力相同的情況下,彈丸能獲得更高的炮口發射速度[4-5]。

為了使彈丸獲得一定持續時間的高速運行狀態并且進一步提高彈丸的發射速度,1948年在新墨西哥州礦業學校研制了世界上第一門二級輕氣炮。該二級輕氣炮具備將一個輕質小球以4.3 km/s的速度發射的能力[4,6-8]。

輕氣炮可以在實驗室條件下進行高速、超高速撞擊試驗,美國、法國、英國、加拿大等國家開始陸續研究輕氣炮裝置及相關技術。

位于美國得克薩斯州圣安東尼奧的西南研究所(SwRI)建有大型二級輕氣炮,如圖1所示。該輕氣炮可以在室溫、高溫環境條件下進行平板沖擊,最高發射速度7 km/s。這門二級輕氣炮泵管直徑115 mm,發射管直徑38 mm,全長22 m,飛行距離13 m?？蓪?0 g的模擬彈丸以7 km/s的速度發射,0.5 kg的模擬彈丸以3 km/s的速度發射,1.4 kg的模擬彈丸以2 km/s的速度發射。該大型二級輕氣炮試驗裝置主要用于研究新型裝甲、穿甲彈超高沖擊試驗,導彈毀傷目標的模擬實驗,沖擊飛片實驗狀態方程(EOS)研究,模擬空間碎片的撞擊和沖擊氣化航天器等。

圖1 美國西南研究所圣安東尼奧總部二級輕氣炮

美國航空航天局白沙實驗場遠程超高速測試實驗室建有0.17 in口徑(4.318 mm)、0.50 in口徑(12.7 mm)和1.0 in口徑(25.4 mm)的系列化二級輕氣炮,如圖2所示。輕氣炮主要性能指標如表1所示。該系列輕氣炮第一級采用火藥爆炸膨脹加速,第二級采用高壓縮比的氫氣加速,可以實現高達27 500 ft/s的速度加速模擬彈丸,以模擬粒子對航天器和衛星材料、組件的影響。該實驗室的測試室可以加熱到 2 800 ℉(1 811 K) 或冷卻到-325 ℉(77 K),以研究極端溫度環境中高沖擊對結構和組件的影響。

表1 白沙實驗場二級輕氣炮主要性能指標

圖2 白沙實驗場二級輕氣炮

美國NASA 超高速碰撞技術實驗室(HVIT)建有3套二級輕氣炮系列沖擊試驗裝置,具備實驗室條件下極端環境測試能力。輕氣炮口徑0.5 in(12.7 mm),可以將100 μm～10 mm的鋁球以2～7 km/s的速度發射,如圖3所示。該系列輕氣炮可以模擬軌道空間碎片造成的撞擊,為航天器防護罩設計,評估軌道碎片和流星體撞擊帶來的風險奠定實驗測試基礎。

圖3 HVIT實驗室二級輕氣炮

1968年美國Ames研究中心已將0.17 g鎂鋰彈丸以12.2 km/s的速度發射。該研究中心建有多套二級輕氣炮沖擊裝置, 其主要性能指標如表2所示[9]。

表2 Ames研究中心二級輕氣炮主要性能指標

美國桑迪亞(Sandia)實驗室的沖擊熱力學應用研究(STAR)設施是世界上唯一一個可以覆蓋整個壓力范圍(幾bar到數Mbar)的實驗測試裝置,這些裝置利用氣體或推進劑發射器、斜坡加載脈沖器進行彈道應用材料特性研究。STAR裝置是世界上唯一可以進行全系列彈道研究的沖擊實驗裝置:從常規武器(侵徹)、碎片事件、空間撞擊事件(隕石、微流星體撞擊)到空間塵埃的極速撞擊,同時擁有最先進的評估技術。具體研究包括:1) 利用二級輕氣炮對材料碎片進行調查,對空間航天器進行研究,并進行縮比試驗驗證;2) 使用不規則幾何形狀的撞擊器進行驗證實驗;3) 速度高達19 km/s的微流星體、太空垃圾等碰撞空間應用研究;4) 桑迪亞是唯一采用低壓靶室來實現超過10 km/s超高速撞擊機構;5) 進行太空射線照相、攝影、測速和干涉測量等。STAR實驗室五套輕氣炮裝置如圖4所示。輕氣炮主要性能指標歸納如表3所示。

表3 桑迪亞實驗室二級輕氣炮主要性能指標

圖4 STAR 實驗室五套輕氣炮裝置

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室建有100 mm口徑,能夠以5 500 m/s速度發射模擬彈丸的二級輕氣炮,該輕氣炮用于高速沖擊研究。

內華達實驗場、洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)、利弗莫爾國家實驗室(LLNL)和圣地亞國家實驗室(SNL)聯合實驗組織設計的JASPER二級輕氣炮[10],如圖5所示。JASPER二級輕氣炮的第一級泵管內徑89 mm,長11.5 m,第二級發射管內徑28 mm,長8.1 m,末端有一個直徑8 ft的密閉彈靶碰撞目標靶室。該輕氣炮的工作過程為:彈丸被裝載到第一級,第一級由多達8 lb的火藥驅動。由此產生的爆炸將一個4.5 kg的活塞推入充滿輕質氣體(如氫氣)的發射管中?；钊淖饔檬菍怏w加熱并壓縮到每平方英寸數千磅。一旦熱量和壓力足夠高,一個小型鋼制爆破片就會爆裂,從而加速彈丸進入到第二級,彈丸再經過第二級加速。該輕氣炮可發射的彈丸質量14.6～68 g,發射速度達2.1～7.6 km/s[11]?？稍诮坪宋淦鳁l件的高沖擊壓力、溫度和應變率下生成和測量放射性化學元素的特性。這些數據用于確定材料狀態方程并驗證材料響應的計算機模型。

圖5 JASPER二級輕氣炮

日本東北大學流體科學研究所跨學科沖擊波研究實驗室(ISWRL)的二級輕氣炮如圖6所示。該輕氣炮由直徑51 mm,長3 400 mm的泵管、直徑15 mm,長12 m的發射管以及長3 m、內徑1.7 m的回收艙組成。此二級輕氣炮可轉換多種工作模式,能發射不同質量的彈丸,實現多種不同速度的發射。第一種模式是使用壓縮氣體驅動,可以使51 mm彈丸以1.0 km/s的速度發射,15 mm彈丸以2～7.5 km/s的速度發射。第二種模式是利用火藥驅動,在文獻[12]中,OHTANI K等人使用該二級輕氣炮,實現了2 km/s的速度。在該實驗中,他們在回收艙位置組裝了液氮制冷的低溫箱來研究鋁合金板和復合材料板在低溫和室溫下斷裂模式的差異。

圖6 ISWRL二級輕氣炮

意大利帕多瓦大學太空研究與活動中心(CISAS)建有4.76 mm和6 mm兩種口徑的二級輕氣炮,該輕氣炮的主要特性見表4[13-14]。

表4 CISAS研究中心輕氣炮主要特性

除此之外,加拿大軍械研究中心、美國道格拉斯公司、美國通用汽車公司、美國海軍軍械研究室、美國國立研究實驗室、英國軍械研究發展中心等相關研究機構也建有二級輕氣炮裝置,其二級輕氣炮裝置主要性能參數如表5所示,相關數據均來自參考文獻或研究單位官網。

表5 國外輕氣炮設備性能參數匯總表

1.2 國內輕氣炮研究進展

相比于國外輕氣炮裝置及其相關技術研究,我國對輕氣炮的研究在理論以及應用范圍上都存在一定差距,但是經過幾十年的理論與實踐研究,也自主研制了多種型號口徑的輕氣炮沖擊加載試驗裝置。

中國科學院力學研究所非線性力學國家重點實驗室設計研發的一級輕氣炮裝置如圖7所示。該一級輕氣炮口徑101 mm,炮管長度17 m,加載速度范圍20～1 400 m/s。該輕氣炮是進行高速碰撞實驗的專用裝置,可用于高應變率(105/s～106/s)條件下的材料力學性能研究與測試、元器件的動態標定和動態模擬實驗等。此一級輕氣炮是國內自行設計研制的第一門輕氣炮。

圖7 中國科學院一級輕氣炮

西安機電信息技術研究所在20世紀70年代末設計研制了由調節桿控制的37 mm輕氣炮。在20世紀80、90年代又成功設計研制了通過活塞調節進氣量的85 mm和155 mm兩種較大口徑的輕氣炮,其中155 mm口徑氣體炮可以模擬火炮內彈道參數和高加速度沖擊環境參數,進行高加速度模擬時,加速度峰值可達26 000g左右,驅動彈丸質量2.5～3.2 kg,炮口速度≥400 m/s。進行內彈道模擬時,加速度峰值可達10 000g左右,驅動彈丸質量4.5～5.2 kg,炮口速度≥400 m/s。這些輕氣炮裝置在常規武器研究、超高壓下的材料理論、超高速碰撞和侵徹引信研制中有廣泛地應用[5,15]。

華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室建有一級輕氣炮裝置,如圖8所示。此一級輕氣炮可以實現最大約1 000 m/s的撞擊速度,主要用來進行材料在高應變率(105/s～106/s)條件下的力學性能研究。

圖8 華南理工大學一級輕氣炮

大連民族大學的一級輕氣炮沖擊加載裝置委托洛陽道生精密機械有限公司設計制造,如圖9所示。該一級輕氣炮內徑為300 mm,長度10 m。彈丸最大重量1.75 kg,速度50 m/s。

圖9 大連民族大學一級輕氣炮

寧波大學的一級輕氣炮,如圖10所示。該輕氣炮口徑57 mm,炮管長4 m,彈速40～350 m/s[16]。該輕氣炮是進行平面沖擊波試驗裝置及高速撞擊終點效應試驗裝置,能夠實現平面壓縮波實驗和壓剪特性實驗,以及高速沖擊拉伸狀態下臨界沖擊拉伸速度研究。在高速撞擊下,用于研究材料動態破壞特性和本構關系等。

圖10 寧波大學一級輕氣炮

西北核技術研究所在1982年設計研制了57 mm口徑一級輕氣炮,該輕氣炮發射管內徑57 mm,長12 m,最大發射速度1 400 m/s[17]。之后,20世紀90年代又成功研制了130 mm的大口徑一級壓縮輕氣炮。

除一級輕氣炮裝置,對于二級輕氣炮的研究也有了一些突破性進展。比如,西北核技術研究所在20世紀90年代設計研制了發射口徑10 mm的非火藥驅動二級輕氣炮,該二級輕氣炮的最大彈丸發射速度可達7 000 m/s。之后又陸續設計研制了100/30 mm口徑的二級輕氣炮,結構如圖11所示。該輕氣炮最大的特點是二級輕氣炮功能的實現是在內徑100 mm的一級輕氣炮上加裝內徑30 mm的發射管,因此通過拆裝發射管可以實現一、二級輕氣炮的功能。該輕氣炮當作為一級輕氣炮使用時,可以將重1 kg的模擬彈丸以1 157 m/s的速度發射,將重20 kg的模擬彈丸以349 m/s的速度發射;當作為二級輕氣炮使用時,可以將重100 g的模擬彈丸以3 005 m/s的速度發射,將重400 g的模擬彈丸以1 520 m/s的速度發射[18]。

圖11 西北核工業研究所的Φ100/30 mm非火藥驅動二級輕氣炮簡圖

中國工程物理研究院建有一級和二級輕氣炮裝置。圖12(a)是兩門一級輕氣炮,圖中左邊一門口徑57 mm,可將200 g彈丸發射速度達1.4 km/s;右邊一門口徑100 mm,可將500 g彈丸發射速度達1.5 km/s。圖12(b)是一門二級輕氣炮,該炮配有30 mm和37 mm口徑兩套發射管。在30 mm口徑發射管上,將30 g彈丸發射速度達8.62 km/s[19];在37 mm口徑發射管上,將51.75 g彈丸發射速度達6.85 km/s[20]。

圖12 中國工程物理研究院輕氣炮

北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室建成的16 mm、37 mm、57 mm、152 mm一級輕氣炮,14.5 mm二級輕氣炮,如圖13所示,主要性能指標如表6所示。該系列輕氣炮具有高速、超高速寬范圍、多層次的加載條件,可開展常溫和高溫條件下金屬材料、低阻抗泡沫材料、砂漿及混凝土材料高應變率條件下的動態力學性能研究,攻角、侵角及正侵徹的彈體侵徹性能研究,超高速工程防護研究,為毀傷評估提供基礎沖擊動力學數據。

表6 北京理工大學輕氣炮主要性能指標

圖13 北京理工大學輕氣炮裝置

寧波大學的高速二級輕氣炮實驗裝置由中國工程物理研究院流體物理研究所設計研制。炮體總長21 m,發射管口徑25 mm,發射模型可為圓片、圓柱、圓球等,標準彈重量不大于22 g,炮口最大初速度3.5 km/s。發射初始動力由壓縮氮氣(或空氣)提供,氣室最大注氣壓力25 MPa。泵管輕質氣體為氦氣。該裝置適用于固體材料高速平面碰撞、高速侵徹實驗,以及材料高壓高應變率狀態方程實驗測量研究。

中國科學院力學研究所研制的DBR30爆轟驅動二級輕氣炮如圖14所示[21]。該輕氣炮裝置包括爆轟段、泵管、發射管和靶室四部分。該二級輕氣炮設計指標可將重20 g的模擬彈丸以6～8 km/s的速度發射[22]。

圖14 中國科學院力學研究所DBR30二級輕氣炮

南京理工大學建有發射管口徑15 mm,泵管口徑40 mm的二級輕氣炮,如圖15所示。該二級輕氣炮設計彈丸質量為4～8 g,速度大于2 000 m/s,藥室、泵管耐壓大于300 MPa,發射管耐壓大于100 MPa,能滿足超高速條件下爆轟波實驗研究。同時,該裝置還可以用于高速碰撞、氣動物理、氣動力學等研究[8]。

圖15 南京理工大學二級輕氣炮

哈爾濱工業大學空間碎片高速撞擊研究中心建有155 mm一級輕氣炮,配備了Φ2.4 m×6 m的大型試驗靶艙,如圖16所示。該輕氣炮裝置可滿足各類侵徹武器100～300 m/s的著靶速度地面模擬試驗需求。2022年使用該155 mm一級輕氣炮進行了探索性全尺寸侵徹器模擬月壤侵徹試驗[23]。

圖16 哈爾濱工業大學155 mm一級輕氣炮

哈爾濱工業大學空間碎片高速撞擊研究中心建有二級輕氣炮裝置,如圖17所示。

圖17 哈爾濱工業大學二級輕氣炮

該輕氣炮裝置包括發射系統、測速系統、配氣系統和靶艙四部分。發射系統的主要作用是將模擬彈丸加速發射,實現彈丸對靶件的高速或超高速碰撞。輕氣炮的一級泵管口徑57 mm,二級發射管可選擇性搭配5.4 mm、7.6 mm、10.0 mm和12.7 mm四種口徑,該系列輕氣炮裝置屬于非火藥驅動二級輕氣炮,其一級驅動以氮氣作為動力源,二級驅動以氫氣作為動力源。該輕氣炮具備將質量0.7 g的鋁合金球形彈丸發射至7 km/s的能力[24]。2013年使用該二級輕氣炮,采用液氮局部制冷系統,對加速段頭部進行局部制冷來研究冰彈丸高速撞擊靶板時的損傷效應[25]。2015年使用該二級輕氣炮,在靶艙處安裝加溫箱,通過溫控開關控制靶艙內的溫度,選用鋁球模擬彈丸來模擬空間碎片。通過該二級輕氣炮裝置將直徑3.97 mm鋁球模擬彈丸以1.47～4.47 km/s速度發射。該實驗通過控制加溫箱的環境溫度,研究了環境溫度對編織物及其填充式結構高速撞擊損傷與防護特性的影響[26]。

西南交通大學的二級輕氣炮委托德陽第二重機廠設計制造,如圖18所示。

圖18 西南交通大學二級輕氣炮

四川大學原子與分子物理研究所建有二級輕氣炮,如圖19所示,全長16 m,彈丸直徑20 mm,質量10 g,彈丸速度在1.5～6.5 km/s范圍內可調。主要應用為借助高強度沖擊波探索高溫高密度條件下含能材料及凝聚物質的原子與分子物理問題以及新材料的開發與應用[27]。

圖19 四川大學二級輕氣炮

中國空氣動力研究與發展中心2014年建成的203 mm大口徑二級輕氣炮,該輕氣炮也可以配備120 mm口徑發射管使用,總長104 m,其中燃燒室內徑460 mm,壓縮管內徑380 mm,長40.5 m,發射管最大長度58 m,炮體支撐平臺總長度111 m,炮體支架采用滾動式支撐結構。該輕氣炮可以發射模型質量50～300 g,發射速度0.3～5 km/s,并且具備將重500 g的模型以4.0 km/s的速度發射時加速度小于4萬g的“軟發射”能力。該輕氣炮的第一級采用火藥燃燒驅動方式,第二級采用壓縮氫氣作為動力源,其結構如圖20所示。目前,該輕氣炮已開展試驗近40余次,成功將重115.8 g的模型以2.9 km/s的速度發射,能實現整體模型、球模型、錐模型、復雜外形等模型的超高速發射。該輕氣炮最大特點是實現了超大尺寸、高仿真度模型的超高速發射,主要用于開展氣動物理、氣動力、超高速碰撞等領域的試驗研究[28]。

圖20 中國空氣動力研究與發展中心二級輕氣炮結構示意圖

北京衛星環境工程研究所設計研制的18 mm口徑二級輕氣炮如圖21所示。該二級輕氣炮具備將直徑1～12 mm的球形或柱形模擬彈丸以2～7 km/s速度發射的能力,該輕氣炮主要用于毫米級空間碎片超高速撞擊特性研究[29]。

圖21 北京衛星環境工程研究所二級輕氣炮[13]

表7為國內部分一級輕氣炮的主要性能參數,表8為國內部分二級輕氣炮的主要性能參數,數據均來自參考文獻或官網。

表7 國內一級輕氣炮主要性能參數

表8 國內二級輕氣炮主要性能參數

2 國內外空氣炮研究分析

2.1 國外空氣炮研究進展

KANNER H等人為評估航天飛機固體火箭助推器(SRB)對冰碎片的損傷能力,在埃格林空軍基地(AFB)中型空氣炮裝置上進行了SRB沖擊試驗,測試系統如圖22所示。該空氣炮能將彈丸以1 800 ft/s的速度發射,發射機構由一個高速快開閥控制。表9提供了該空氣炮規格的主要參數[30]?？諝馀诘呐诠苡幸粋€1/8 in的鍵槽固定在炮管底部來防止彈托在炮管中旋轉。在氣室后面大約6 ft處的密封炮管后膛放置在-10 ℉的低溫試驗箱中。在距離炮管口10 in處是一個直徑為1.95 in孔的鋼制彈托剝離板,再后面是安裝有相機窗口的目標靶室。

表9 空氣炮測試單元參數

圖22 格林空軍基地測試系統

2003年,美國陸軍研究實驗室(ARL)設計研發了一種具有回收裝置的空氣炮,如圖23所示。該空氣炮裝置包括固定炮管、彈丸和雙能量吸收緩沖機構。該空氣炮回收裝置的原理是:模擬彈丸撞擊到泡沫鋁減速器,隨著泡沫鋁不斷被壓縮,彈丸的動能也不斷減少。同時,被撞擊的泡沫鋁將其動能轉換到后面的緩沖機構,實現二次能量的吸收,該空氣炮口徑4 in(101.6 mm),可以將100 lb的彈丸以1 200 ft/s(365.76 m/s)的速度發射。該空氣炮已廣泛用于測試火炮或彈丸部件在其發展階段的適用性和生存能力[31-34]。

圖23 美國陸軍研究實驗室空氣炮測試裝置示意圖

2.2 國內空氣炮研究進展

文獻[35]中在如圖24所示的37 mm口徑空氣炮進行了一系列試驗。試驗中彈丸選取半球形頭部鋼彈,質量為0.63 kg。利用空氣炮將模擬彈丸加速到150～400 m/s之后垂直侵徹混凝土靶板。該試驗成功地測量了侵徹過程中彈丸速度隨時間變化的曲線。

圖24 37 mm空氣炮

文獻[36]在2001年設計研制的小型空氣炮如圖25所示。該裝置利用壓差自動破膜的方式獲得高g值沖擊加速度,最大加速度峰值超過100 000g[36]。該裝置主要用于高g值加速度計的校準。

圖25 100 000 g 沖擊加速度動態激勵信號發生器原理圖

西安近代化學研究氣研制的空氣炮裝置結構如圖26所示。炮管內徑64 mm,該空氣炮分為加速段、測試段和緩沖段。工作過程為:空氣炮發射彈丸,通過碰撞激勵體系完成對被校加速度的激勵,然后由緩沖裝置完成軟回收。該裝置實現了最高2×106m/s2,100 μs脈寬的沖擊加速度激勵[37-38]。

圖26 校準沖擊激勵機總體結構圖

中北大學動態測試技術重點實驗室設計研制的空氣炮裝置如圖27所示。該空氣炮口徑100 mm,發射管有效長度6.2 m,氣室容積約為0.035 92 m3。該裝置的工作原理:壓縮空氣來驅動彈丸獲得所需的發射速度,彈丸加速運動直到在回收室與加速度測試裝置碰撞,在碰撞過程中測試裝置受到彈丸的高沖擊,加速度計有輸出,激光多普勒干涉儀也可以測量記錄整個碰撞過程,從而實現加速度計的測試與校準。該空氣炮裝置還用于侵徹引信、彈載系統及電子設備的抗沖擊設計、生存能力及可靠性測試等研究[16,39]。

圖27 中北大學研制空氣炮

南京理工大學設計研制的70 mm發射回收一體化空氣炮裝置如圖28(a)所示,其結構簡圖如圖28(b)所示。該空氣炮包括高壓室、試驗發動機、發射管、泄壓裝置和輔助段五部分。該空氣炮的工作過程:向高壓室及輔助段注入高壓空氣,在高壓空氣的推動作用下,模擬彈丸沿炮管加速運動,發射管中部設有泄壓孔,試驗發動機在經過泄壓孔后開始壓縮發射管尾部的空氣達到減速的目的。同時,在發射管尾部也安裝有泄壓裝置,當發射管尾部壓力達到一定值后,打開發射管尾部的泄壓裝置,減小發射管尾部的壓力,避免試驗發動機發生反向運動[31]。該空氣炮主要用于測試火箭彈、導彈的引信、彈載部件在高g值環境中的性能參數變化。

圖28 南京理工大學研制空氣炮

南京理工大學研發的Φ37 mm空氣炮裝置如圖29所示。該空氣炮裝置包括發射裝置和緩沖靶板裝置兩部分。發射裝置包括發射系統、發射控制系統、炮口子彈測速系統等。發射裝置主要功能是將模擬彈丸加速到一定速度發射。緩沖靶板裝置包括機械結構和數據采集系統兩部分。緩沖靶板主要用于數據的采集與過載加速度波形的整形。該空氣炮發射管直徑37 mm,長2.26 m,能承受的最大壓力400 MPa[40]。該空氣炮主要用于模擬火工品在實彈射擊力學過載條件下的安全性可靠性試驗與評估。

圖29 南京理工大學Φ37 mm空氣炮

中國工程物理研究院總體工程研究所設計的高速碰撞試驗系統如圖30所示。該系統包括空氣炮、試樣組件、測速系統、彈拖分離器、高速攝影以及靶體等部分。該系統的工作原理:空氣炮將高壓氣體快速釋放,從而驅動已加熱至試驗溫度的試樣組件以設定好的姿態撞擊靶體。其中,試樣組件主要作用是彈托和加熱,高速攝影用來記錄彈丸的碰靶姿態。測速系統用來測量彈丸碰靶速度。該空氣炮的內徑250 mm,最高溫度不低于1 100 ℃,最高速度不低于90 m/s。利用該系統可以進行高溫高速復合條件下的撞擊試驗[41-42]。

圖30 試驗系統分布

中國工程物理研究院總體工程研究所用圖31所示的空氣炮試驗系統,研究了在不同撞擊速度下冰雹的破碎特性及致損能力。試驗所用空氣炮口徑80 mm。試驗原理:將冰球和聚氨酯彈托從-18 ℃低溫環境中取出,通過空氣炮將冰球加速持續一段時間后,撞擊到金屬桿,金屬桿上產生應力波,可以根據測力金屬桿中應力波幅值的大小來反推界面的撞擊力大小,進而獲得撞擊力隨時間的變化規律[43]。該試驗的缺點是無法實現在位測試,或者原位測試。

圖31 空氣炮實驗系統

北京海泰微納科技發展有限公司建有四個系列特種空氣炮裝置,可實現高g值加速度傳感器、彈載器件與部件的極端復合環境下的高能量沖擊加載,其技術指標較國內外同類測試裝置具有一定的領先優勢[38,44]。

3 思考與建議

超常規、高能量沖擊試驗技術是在真實、模擬和虛擬條件下對軍工產品系統及關鍵核心部件的功能、性能的測量、驗證與評價的過程和技術,需要研究特種試驗加載裝置。我國高能量沖擊加載試驗裝置的發展,應該遵循理論與工程實踐相結合,試驗測試前沿技術與基礎理論相結合,定性試驗與定量試驗相結合,虛擬試驗與聯合試驗技術,孿生模擬試驗與數字孿生技術相結合,軍工專有基礎試驗技術與通用試驗技術相結合,實驗室條件下的模擬試驗與實戰條件下實彈試驗相結合。此類輕氣炮、空氣炮等高能量沖擊加載試驗裝置研究主要包括:1) 開展特種試驗加載裝置的基礎理論與方法研究;2) 從實戰和工程實踐出發,開展試驗加載裝置的設計、環境構建和工程樣機研究;3) 開展虛擬/仿真實驗技術研究;4) 開展試驗評估及試驗數據挖掘,包括試驗與評估,以及聯合試驗技術研究。

我們應該從我國武器裝備實際出發,以實戰化要求,提升試驗與測試的核心能力。建議重點開展的研究工作包括:1) 高能量沖擊、高低溫復合環境在位試驗測試重大裝備研制,以產生高低溫、大脈寬、高沖擊的在位復合試驗工況環境(負載質量數公斤,低溫至-45 ℃或者更低,高溫至85 ℃或者更高);2) 局部高溫、高沖擊環境復合試驗測試重大裝備研制,以產生局部高溫、大脈寬、高過載在位高沖擊試驗實際工況環境(無低溫要求,高溫至數百攝氏度,負載質量數公斤);3) 連續多次高能量沖擊環境復合試驗測試重大儀器裝備研制,模擬侵徹多層硬目標的實際工況,驗證識別控制算法,最終達到精確炸點控制的目的;4) 數字孿生技術與孿生模擬試驗高沖擊重大裝備研制,以滿足武器裝備關鍵器件、部件、組件特種環境條件下的可控、可重復加載的高沖擊定量分析需求,配合靶場試驗,切實降低武器裝備研究實彈成本高的弊端[38]。2022年1月28日,國務院發布了《計量發展規劃(2021—2035年)》,明確了到2035年推動計量事業發展的指導思想、基本原則、發展目標、重點任務和保障措施。規劃明確指出:研究復雜環境和極值量計量技術;服務高端儀器發展和精密制造,推動關鍵計量測試設備自主可控,加快專用計量儀器儀表的研制和推廣使用。

高能量沖擊加載試驗裝備設計開發過程中應該重點關注的難點包括:1) 在壓縮空氣的驅動下模擬彈丸由炮管首端加速飛向尾端,與靜置的靶件高速碰撞,大質量被測靶件在彈丸激勵下沿炮管軸向加速運動,瞬間產生高過載、大脈寬和巨大的動能,將此能量瞬間卸載下來,安全可控是一個難點。建議重點開展多級緩沖吸能方法與能量卸載裝置工程化研究。2) 高沖擊高低溫復合試驗裝置存在可運動多級緩沖吸能器卸載結構,試驗艙不能完全密閉,導致熱傳導的熱量散失和溫度非線性,試驗區均勻性不一致,如何保證其有效工作區的溫度均勻度以及波動度可控是工程設計與實現難點之一。試件負載質量大則熱容量大,為實現高低溫試驗系統具有大質量負載高溫變率能力,試驗艙段可以采用大功率風道式的電阻加熱方式與液氮霧化制冷方式協調控制?；蛘吒叩蜏貜秃吓鲎苍囼炁摬捎瞄]合循環單回路方式,單回路方式將加熱系統與制冷系統集成在同一主回路有利于實現冷熱平衡溫度控制。高溫將導致制冷系統失效,所以復合試驗艙不能無限制高溫升溫,有上限。3) 由壓縮空氣驅動彈丸,沿著炮管軸向飛行與彈靶碰撞試驗艙的被測靶件高速碰撞,瞬間被激勵的高頻振動與擺動的靶件,沿著炮管軸向高速運動。由于瞬態碰撞過程時間短、速度高、能量大,并帶有高頻振動、擺動,普通的外差式激光多普勒干涉儀難以實現,建議開展強擾動條件下差動激光干涉多普勒測速方法研究,研制強擾動條件下高速碰撞激光干涉多普勒測試系統。

開展輕氣炮、空氣炮等高能量沖擊試驗加載裝置研究,應以國家持續投入為主,加強軍民融合,產、學、研、用相結合,重點加強條件建設和能力保障建設,建立國家級特種試驗測試中心和應用驗證平臺,攻克高沖擊復合環境試驗測試裝備和儀器,實現我國特種試驗測試裝置的自主可控、自主保障,提高信息化復雜裝備系統的總裝集成、試驗驗證和基礎試驗能力。

4 總結

目前輕氣炮、空氣炮已大量應用于實驗室條件下模擬高速、超高速沖擊加載場合。美國是最早開始并深入研究輕氣炮、空氣炮沖擊碰撞加載裝置以及相關技術研究的國家。相比于國外研究,我國相關研究還存在一定差距。十八大以來的近十年,中國在模擬高速、超高速、高過載沖擊加載試驗測試相關裝置的研究在不斷加強,并取得了不小的成就。目前存在的主要問題:二級輕氣炮發射口徑大多在7.6～50 mm,發射速度一般在8 km/s以下[45-47]。對于一些模擬超過10 km/s以上的場合,我們仍需繼續努力。對于實現高沖擊加速度模擬空氣炮裝置研究,需要進一步研發滿足更高量程、更大脈寬的高能量沖擊加載試驗特種裝置。由于極端復合環境加載的需求也日益凸顯,我國還應進一步研制出滿足極端邊界條件力熱耦合高低溫、高沖擊復合加載在位測試空氣炮試驗裝置,以滿足高新武器對面向實戰化的新型試驗與測試技術的需求。本文較深入系統地分析了國內外相關單位常溫條件、高低溫環境條件下的輕氣炮和空氣炮沖擊加載試驗裝置研究現狀,并給出了重點發展方向的思考及建議,為輕氣炮、空氣炮的高能量沖擊加載裝置的研制提供了一定借鑒作用。