高溫條件下高速碰撞試驗(yàn)技術(shù)研究

徐偉芳，張方舉，胡文軍，胡紹全，李上明，陳軍紅，孫愛軍，呂明

（1. 中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621999；2. 工程材料與結(jié)構(gòu)沖擊振動(dòng)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621999）

隨著時(shí)代的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品在異常事故下的安全性日益受到關(guān)注，逐漸成為產(chǎn)品研制的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一。異常事故安全性是指產(chǎn)品因異常高速碰撞或/和火燒下防止爆炸和有害物質(zhì)泄漏的能力，國內(nèi)外對此開展了大量的研究[1-5]，制定了不少的安全性規(guī)范。如 GB 11806《放射性物質(zhì)安全運(yùn)輸規(guī)程》，以 IAEA發(fā)布并不斷修改完善的放射性材料安全運(yùn)輸規(guī)程為基礎(chǔ)，規(guī)定了國內(nèi)放射性物質(zhì)安全運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)技術(shù)要求。在異常事故中，高速碰撞往往伴隨著高溫發(fā)生，高溫效應(yīng)和高速撞擊響應(yīng)相互耦合和相互影響。在GB 11806以及已有產(chǎn)品異常事故下安全性的研究中，通常將高速撞擊和高溫作用下結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行解耦，開展單獨(dú)研究或序貫研究[3,6-8]，單獨(dú)研究或序貫研究均不能反映高溫和高速的耦合效應(yīng)，因此開展產(chǎn)品高溫高速撞擊同時(shí)作用下的安全性顯得尤為重要。

為研究同位素?zé)嵩串惓８呖辗祷卦诟邷睾透咚倥鲎猜?lián)合作用時(shí)的安全性，美國基于空氣炮研制了同位素能源撞擊試驗(yàn)機(jī)（Isotope Fuels Impact Tester，IFIT）[9]，旨在實(shí)現(xiàn)高溫和高速同時(shí)作用時(shí)，防止放射性物質(zhì)的泄漏對環(huán)境造成破壞。因此，IFIT不僅要能實(shí)現(xiàn)高溫和高速的作用，還要實(shí)現(xiàn)密封放射性物質(zhì)的功能，其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，包含空氣炮、激發(fā)設(shè)備、試樣、撞擊室和回收裝置，每個(gè)部件又由許多小結(jié)構(gòu)構(gòu)成。對于通用電源 GPHS-RTG的整體結(jié)構(gòu)，首先將GPHS-RTG加熱至設(shè)定溫度（＞1000 ℃），然后利用遠(yuǎn)程控制技術(shù)將其快速安裝在火箭橇上，并加速火箭橇。當(dāng)火箭橇加速到試驗(yàn)速度后，分離GPHS-RTG與火箭橇，GPHS-RTG將單獨(dú)與靶體發(fā)生碰撞[10]；或者采用“逆彈道”的方法利用火箭橇將靶體加速到設(shè)定速度后，撞擊固定安裝的 GPHS-RTG。對于無放射性材料的產(chǎn)品來說，上述試驗(yàn)方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作測試不便和擴(kuò)展性差，工程實(shí)現(xiàn)的成本較高、周期長。對于高溫條件下，高速撞擊試驗(yàn)涉及加熱及溫度測試、姿態(tài)控制及其測試和試樣加速及速度測試等關(guān)鍵技術(shù)。文中擬通過對上述三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的研究以建立方便易控制多用途的高溫高速撞擊試驗(yàn)裝置。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

高溫條件下結(jié)構(gòu)高速撞擊試驗(yàn)系統(tǒng)以空氣炮為基礎(chǔ)，結(jié)合了次口徑發(fā)射技術(shù)和加熱/保溫技術(shù)，分為空氣炮、試樣組件、分離器、高速攝影、測速系統(tǒng)和靶體等幾部分，如圖1所示。其試驗(yàn)原理為：利用空氣炮快速釋放壓縮到指定壓力的空氣，驅(qū)動(dòng)已加熱至試驗(yàn)溫度的試樣，以設(shè)定姿態(tài)高速撞擊靶體。其中，試樣組件主要起著彈托和加熱的作用，碰靶姿態(tài)和碰靶速度分別由高速攝影和測速系統(tǒng)檢測。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)分布

2 關(guān)鍵控制技術(shù)

2.1 速度控制技術(shù)

在利用空氣炮開展高速碰撞試驗(yàn)中，如果不考慮各種能量損耗，壓縮氣壓和試樣質(zhì)量決定了試樣的碰靶速度，可以將空氣炮驅(qū)動(dòng)試樣的試驗(yàn)簡化為如圖2所示的分析模型[11]。在不考慮各種摩擦和損耗時(shí)，試樣運(yùn)動(dòng)可用式（1）所示的牛頓運(yùn)動(dòng)方程表示。

圖2 簡化的空氣炮模型

式中：p為氣體壓力；x為試樣的運(yùn)動(dòng)距離；A為試樣橫截面積；m為試樣質(zhì)量。

假設(shè)氣體推動(dòng)試樣的運(yùn)動(dòng)過程，為理想氣體的絕熱膨脹過程，其描述方程為：

式中：V0、V為氣體的初始體積和某一時(shí)刻的體積；M、μ為氣室中的充氣質(zhì)量及其摩爾數(shù)；T為氣體的溫度；γ為氣體的絕熱指數(shù)。

實(shí)際試驗(yàn)中存在多種能量損耗，如摩擦等，如果不考慮其形式，則可以通過附加質(zhì)量的方法考慮各種能量損耗，具體方法將試樣的質(zhì)量由 m增加到 m′，假設(shè)m′=φm，此時(shí)試樣的運(yùn)動(dòng)方程式（1）變?yōu)椋?/p>

根據(jù)式（3）和式（4），聯(lián)合求解獲得試樣離開炮管的速度，即：

試樣的出口速度與摩擦系數(shù)、氣體釋放速度以及炮管溫度等密切相關(guān)。因此試驗(yàn)前，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)條件，開展多次正式試驗(yàn)前的模擬試驗(yàn)，以標(biāo)定虛擬質(zhì)量系數(shù)φ。進(jìn)而建立質(zhì)量、氣壓與出口速度之間的關(guān)系式（式（5）），確定正式試驗(yàn)中達(dá)到設(shè)定速度的氣壓的關(guān)系式。

2.2 加熱及測溫技術(shù)

試樣的加熱方式可分為分離式加熱和一體式加熱。分離式加熱是在空氣炮外將試樣加熱到試驗(yàn)溫度后，切斷所有電源，再將加熱后的試樣裝入空氣炮中發(fā)射。離線加熱存在以下幾個(gè)不足：試樣與環(huán)境的熱交換大大降低了試樣碰靶時(shí)的溫度，增加了試樣溫度達(dá)到試驗(yàn)要求的難度，要確保試樣溫度達(dá)到試驗(yàn)的要求，則要求試樣的初始溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于試驗(yàn)溫度，這無疑給試樣增加溫度沖擊的考核環(huán)節(jié)。試驗(yàn)中，需要搬動(dòng)超高溫試樣，容易誘發(fā)安全事故。由此可見，不宜采用分離式加熱方式。一體式加熱是在空氣炮內(nèi)部將試樣加熱到試驗(yàn)溫度，然后切斷電源，密封空氣炮，最后釋放高壓氣體以驅(qū)動(dòng)試樣。這是采用了次口徑的方法設(shè)計(jì)了彈托，并在彈托內(nèi)增加加熱裝置（如圖3所示）。在此方法中，加熱裝置同時(shí)起著保溫和加熱的作用。由于采用了一體式加熱，試樣在發(fā)射時(shí)雖已經(jīng)停止加熱，但是由于加熱裝置的保溫作用，試樣溫度下降的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于分離式加熱方法。同時(shí)，試驗(yàn)系統(tǒng)組裝時(shí)避免了高溫環(huán)境，提升了試驗(yàn)的安全性。

圖3 一體式加熱方法

碰靶時(shí)試樣溫度是高溫條件下高速碰撞試驗(yàn)中測量的關(guān)鍵，也是難以測量的。試樣在靶室與靶體發(fā)生高速碰撞后，彈托和加熱裝置將產(chǎn)生大量的碎片和粉塵。高速運(yùn)動(dòng)的碎片容易破壞安放于靶室內(nèi)的儀器，因此測溫等儀器和傳感器不能安放于靶室內(nèi)。同時(shí)大量的粉塵和碎片淹沒了試樣、防彈玻璃等，阻礙了紅外光纖的傳播，試樣碰撞時(shí)的變形速度高于紅外測溫的響應(yīng)速度，因此采用光學(xué)等非接觸方法測試已不現(xiàn)實(shí)，必須尋求其他的方法測量試樣的碰靶溫度。傳熱學(xué)表明，放置于空氣中的高溫試樣，其溫度隨著時(shí)間線性降低，因此可以間接通過降溫時(shí)間來測試試樣的碰靶溫度，不過需對試樣的溫度下降的時(shí)間曲線進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定的具體方法是：首先將試樣與加熱裝置組裝好，置放于空氣炮中加熱，并使其溫度高于碰靶要求溫度，然后停止加熱，監(jiān)測試樣溫度的下降過程，確定試樣溫度降至要求溫度的時(shí)間 Δt0，最后以此時(shí)間 Δt0控制試樣的發(fā)射時(shí)間 Δt，結(jié)合 Δt和溫降曲線確定碰靶時(shí)的溫度。值得說明的是，試樣在空氣炮中的加速過程仍在加熱裝置中保溫，其溫度下降可以忽略。當(dāng)試樣與加熱裝置分離后自由飛行，由于飛行時(shí)間極短，其溫度下降也可以忽略。

2.3 姿態(tài)控制技術(shù)

試驗(yàn)中所用空氣炮的內(nèi)徑為250 mm，遠(yuǎn)大于試樣的最大尺寸，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)不同的碰撞姿態(tài)，必須采用次口徑發(fā)射技術(shù)，即彈托試驗(yàn)技術(shù)。這為加熱裝置的設(shè)計(jì)提供空間，但是有限的空間也限制了加熱裝置的設(shè)計(jì)。在加熱裝置內(nèi)部，根據(jù)試樣碰撞姿態(tài)的需求設(shè)計(jì)了內(nèi)襯結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)時(shí)，將試樣和加熱裝置安裝于彈托內(nèi)部，組成試樣組件。當(dāng)試樣組件加速到試驗(yàn)速度時(shí)，經(jīng)彈托分離器與其他結(jié)構(gòu)分離的試樣按照預(yù)定的姿態(tài)自由與靶體發(fā)生高速碰撞，同時(shí)可以結(jié)合調(diào)整靶體的安裝狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)多種姿態(tài)的撞擊試驗(yàn)。碰靶姿態(tài)通過高速相機(jī)進(jìn)行監(jiān)測。

3 試驗(yàn)結(jié)果

為分析試樣尺寸對試樣碰靶溫度和姿態(tài)的影響，設(shè)計(jì)了兩種尺寸的試樣，分別以端部正碰、側(cè)碰和端部角碰與靶體發(fā)生碰撞。共開展了10發(fā)試驗(yàn)，試樣軸線與靶體碰撞面法線的夾角即撞擊角度分別為0°、45°、90°、135°、180°，碰撞速度為 90～95 m/s，碰撞時(shí)的溫度不低于1100 ℃。對于相同材料的試樣，試樣的尺寸決定了試樣的溫度變化情況，當(dāng)加熱到相同溫度然后停止加熱，試樣溫度隨時(shí)間的下降曲線也不相同（如圖4所示）。溫降曲線表明，小試樣從1200 ℃降低到1100 ℃的時(shí)間大約需要3 min，而大試樣的時(shí)間大于4 min。因此，只要將停止加熱至發(fā)射的時(shí)間Δt0控制在 3 min之內(nèi)，就可以確保試樣的碰靶溫度不低于1100 ℃。典型碰靶姿態(tài)如圖5所示，碰撞角及速度的測試結(jié)果見表1。

圖4 溫降曲線

表1 試驗(yàn)結(jié)果

圖5 高速攝影記錄的典型碰撞姿態(tài)

圖6 大試樣的最終變形

圖7 小試樣的最終變形

不同尺寸的薄壁圓筒在高溫條件下經(jīng)受高速碰撞后的變形狀態(tài)分別如圖6和圖7所示。圖3表明，大尺寸試樣正碰時(shí)，碰撞端鐓粗，尾端收縮，兩端發(fā)生凹陷變形，且尾端的凹陷大于碰撞端的變形；側(cè)碰時(shí)，試樣整體呈馬鞍狀，碰撞側(cè)呈扁平狀；端部角碰時(shí)，碰撞端的變形呈楔形，楔形的角度與碰撞角密切相關(guān)，尾部也發(fā)生凹陷。小試樣的整體剛度和強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大試樣，在相同的撞擊條件下，圖7中小試樣的變形比大試樣的大得多。端部正碰和端部角碰時(shí)，試樣整體坍塌失穩(wěn)，出現(xiàn)了褶皺，不過側(cè)碰時(shí)的變形與大試樣的相似。

4 結(jié)語

結(jié)合理論和試驗(yàn)，研究了高溫條件下結(jié)構(gòu)高速碰撞時(shí)的速度、姿態(tài)和溫度控制技術(shù)及其測量技術(shù)，綜合應(yīng)用次口徑發(fā)射技術(shù)和電爐技術(shù)，建立了高溫條件下的高速撞擊試驗(yàn)技術(shù)。薄壁圓柱筒的高溫高速撞擊試驗(yàn)驗(yàn)證了該試驗(yàn)技術(shù)的有效性，獲得了溫度不低于1100 ℃、速度不低于90 m/s時(shí)，薄壁圓筒以不同姿態(tài)撞擊下剛性靶體的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。整體剛度較大的大尺寸薄壁圓筒與剛性靶正碰時(shí)，碰撞端鐓粗，尾端收縮，兩端發(fā)生凹陷變形，尾端的凹陷大于碰撞端的凹陷變形；側(cè)碰時(shí)，試樣整體變形成馬鞍狀，碰撞側(cè)的變形呈扁平狀；端部角碰時(shí)，碰撞端的變形呈楔形，與碰撞角密切相關(guān)，尾部也發(fā)生凹陷。整體剛度偏弱的小尺寸薄壁圓筒碰撞時(shí)整體坍塌，出現(xiàn)了大量的褶皺。