高壓氣體對(duì)靶板穿孔及其碎片云運(yùn)動(dòng)和致?lián)p效應(yīng)影響研究

才 源， 龐寶君， 遲潤(rùn)強(qiáng)， 段永攀， 賈 斌， 蓋芳芳

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院高速撞擊研究中心，哈爾濱 150080； 2.黑龍江科技大學(xué) 理學(xué)院，哈爾濱 150022)

航天器上的壓力容器主要用于存儲(chǔ)高壓氣體或液體，一般被放置在航天器外部或緊靠主結(jié)構(gòu)，被空間碎片撞擊的風(fēng)險(xiǎn)較高，且風(fēng)險(xiǎn)逐年增加[1-2]。國(guó)內(nèi)外研究均表明，彈丸超高速撞擊產(chǎn)生的穿孔及碎片云是造成壓力容器撕裂甚至解體的主要原因之一[3-6]。壓力容器被超高速撞擊所呈現(xiàn)的典型損傷破壞模式包括：前壁穿孔、前壁裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展、后壁穿孔、后壁裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展、壓力容器發(fā)生爆炸解體等[7-8]。

對(duì)于壓力容器前壁在超高速撞擊下產(chǎn)生的穿孔，Sch?fer采用試驗(yàn)方法獲得了撞擊速度在7 km/s左右的壓力容器前壁穿孔數(shù)據(jù)；龐寶君等[9-10]采用數(shù)值仿真方法對(duì)前壁穿孔特性進(jìn)行了研究，并建立了關(guān)于壓力容器前壁穿孔的理論模型；張永等[11]首次在國(guó)內(nèi)開(kāi)展了星上鈦合金氣瓶的超高速撞擊試驗(yàn)，并擬合出彈丸撞擊速度為6.5 km/s條件下氣瓶前壁的穿孔直徑預(yù)測(cè)公式；周廣東等[12]利用文獻(xiàn)[11]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了數(shù)值仿真模型，也擬合了關(guān)于鈦合金氣瓶前壁穿孔的經(jīng)驗(yàn)公式。為了研究的方便，上述研究工作均忽略了氣體壓力參數(shù)對(duì)壓力容器前壁穿孔直徑的影響。對(duì)于撞擊產(chǎn)生的碎片云，由于其在高壓氣體中的運(yùn)動(dòng)特性研究難度較大，國(guó)內(nèi)外對(duì)于壓力容器超高速撞擊碎片云的研究較少，獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也較少。目前，僅Sch?fer等[13-14]采用地面試驗(yàn)的方法開(kāi)展了對(duì)高壓氣體中碎片云特性的研究，獲得了撞擊速度在7 km/s以上的碎片云運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)，蓋芳芳等[15]針對(duì)高壓氣體中的碎片云運(yùn)動(dòng)特性建立了理論模型，并采用數(shù)值仿真的方法驗(yàn)證了模型的有效性，但未進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究工作。

本文采用地面模擬試驗(yàn)方法，應(yīng)用壓力容器模擬裝置，針對(duì)超高速撞擊下容器內(nèi)氣體壓力對(duì)單側(cè)承壓的前靶板穿孔和撞擊產(chǎn)生的碎片云運(yùn)動(dòng)特性的影響進(jìn)行研究，獲得了前靶板穿孔數(shù)據(jù)、碎片云在高壓氣體中運(yùn)動(dòng)的X光影像及容器內(nèi)觀察板的損傷特性，建立了前靶板穿孔經(jīng)驗(yàn)公式，并分析了高壓氣體中運(yùn)動(dòng)的碎片云特性，包括碎片云形態(tài)、速度及其致?lián)p能力與氣體壓力、撞擊參數(shù)之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)方案

與雙層板結(jié)構(gòu)不同，壓力容器在彈丸超高速撞擊下，影響其損傷破壞效應(yīng)的因素不僅涉及彈丸尺寸、材料和速度，壓力容器的材料、壁厚、間距等參數(shù)，還涉及到作為壓力容器載荷參數(shù)的氣體壓力。

碎片云是造成壓力容器后壁損傷甚至壓力容器解體的主要原因之一，為了研究碎片云在高壓氣體中的運(yùn)動(dòng)特性及其致?lián)p能力，自主設(shè)計(jì)加工了一套超高速撞擊壓力容器模擬裝置，如圖1所示。壓力容器模擬裝置的外部形狀為長(zhǎng)方體，配有進(jìn)(排)氣孔和X射線透射窗。

圖1 壓力容器模擬裝置

前靶板為不同厚度的、直徑為70 mm的圓形鋁合金薄板，材料為Al-6061，用法蘭盤將其固定于壓力容器模擬裝置上，單側(cè)承壓，承受來(lái)自于壓力容器模擬裝置內(nèi)部的氣體壓力。X射線透射窗為聚碳酸酯材料(PC)，該材料密度較低，X光射線可透射，且能承受一定氣體壓力；為了觀察碎片云的致?lián)p能力，在壓力容器模擬裝置內(nèi)部設(shè)置支架用以放置觀察板，放置位置如圖2所示。觀察板為200 mm×200 mm的正方形鋁合金板，材料與前靶板相同，板厚3 mm，觀察板不承壓。

圖2 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖

試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖2。壓力容器模擬裝置通過(guò)夾具固定于真空密封靶艙內(nèi)，高壓氮?dú)馔ㄟ^(guò)供(排)氣管路經(jīng)由減壓閥和泄壓閥充入裝置。球形鋁合金彈丸(材料Al-2017)由二級(jí)輕氣炮發(fā)射進(jìn)入真空密封靶艙，正撞擊前靶板形成穿孔，并產(chǎn)生碎片云；碎片云穿過(guò)容器內(nèi)部的高壓氣體，最終著靶于觀察板。彈丸速度由磁感應(yīng)測(cè)速儀測(cè)量。碎片云圖像由Scandiflash Model XT-150閃光X射線照相系統(tǒng)采集，記錄碎片云的位置和形態(tài)等相關(guān)信息。真空密封靶艙兩側(cè)上方沿彈道方向分別布置兩組X射線光源，每組3個(gè)(A～C，E～G) ，兩組光源所發(fā)射的X射線相互垂直。X射線穿過(guò)位于壓力容器模擬裝置側(cè)壁的X射線透射窗，將碎片云的相關(guān)信息記錄于成像板。為了使碎片云和氣體介質(zhì)充分作用，便于對(duì)碎片云致?lián)p能力進(jìn)行研究，將觀察板與前靶板的間距設(shè)定為375 mm。

具體試驗(yàn)工況如表1所示，共成功進(jìn)行了15組撞擊試驗(yàn)。撞擊參數(shù)：彈丸直徑dp范圍為3.97～6.35 mm，彈丸速度vp范圍為1.49～3.59 km/s；載荷參數(shù)：氣體壓力P為0.4 MPa和1.0 MPa；結(jié)構(gòu)參數(shù)：前靶板板厚t為1.5 mm和2.0 mm。

表1 試驗(yàn)參數(shù)及前靶板穿孔直徑

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 前靶板穿孔

圖3給出了表1中全部15個(gè)撞擊試驗(yàn)單側(cè)承壓前靶板的損傷圖片。超高速撞擊后的前靶板均呈現(xiàn)單一圓形穿孔，穿孔周圍光滑，未見(jiàn)宏觀裂紋及裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，穿孔直徑測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。應(yīng)用表1中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立單側(cè)承壓薄板超高速撞擊穿孔經(jīng)驗(yàn)公式。

圖3 前靶板試驗(yàn)結(jié)果

Maiden等[16]和Sorenson[17]分別建立了球形彈丸撞擊鋁合金薄板的穿孔經(jīng)驗(yàn)公式。Maiden經(jīng)驗(yàn)公式為

(1)

式中：Dhole為穿孔直徑，dp為彈丸直徑，vp為彈丸速度，t為薄板厚度。

Sorenson經(jīng)驗(yàn)公式為

(2)

式中：ρp為彈丸密度，ρv為薄板密度，σUS為薄板材料剪切強(qiáng)度。

將表1中前靶板穿孔直徑試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照不同的t/dp值與相同工況下Maiden經(jīng)驗(yàn)公式和Sorenson經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值進(jìn)行比較，如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，與Maiden經(jīng)驗(yàn)公式相比，Sorenson經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)較接近。結(jié)合二者表達(dá)式發(fā)現(xiàn)，Sorenson經(jīng)驗(yàn)公式不僅考慮了彈丸速度、彈丸直徑及板厚對(duì)穿孔直徑的影響，還考慮了彈丸與薄板的材料參數(shù)。因此，本文在擬合前靶板穿孔直徑經(jīng)驗(yàn)公式時(shí)，借鑒Sorenson經(jīng)驗(yàn)公式的基本形式。

另一方面，在彈丸直徑和容器結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的條件下，將表1中試驗(yàn)數(shù)據(jù)不同氣體壓力下穿孔直徑進(jìn)行比較，如圖5所示。圖中前靶板板厚均為1.5 mm，彈丸直徑均為6.35 mm，氣體壓力分別為0.4 MPa和1.0 MPa。由圖5發(fā)現(xiàn)，氣體壓力為1.0 MPa時(shí)的曲線位于氣體壓力為0.4 MPa時(shí)的曲線之上，可知，氣體壓力對(duì)前靶板穿孔具有一定影響。因此，在利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立前靶板穿孔直徑經(jīng)驗(yàn)公式時(shí)，還應(yīng)考慮氣體壓力的影響。

圖4 前靶板穿孔直徑試驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值的比較

圖5 前靶板穿孔直徑與彈丸速度的關(guān)系曲線

基于上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立前靶板穿孔經(jīng)驗(yàn)公式時(shí)，由于試驗(yàn)中彈丸材料和前靶板材料不變，因此前靶板穿孔直徑Dhole可表示為彈丸速度vp、彈丸直徑dp、前靶板厚度t、氣體壓力P的函數(shù)。在Sorenson所建立經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上，經(jīng)驗(yàn)公式具有以下形式，即：

(3)

式中，A、B、C、D、E、F均為參數(shù)。彈丸密度ρp=2.8×103kg/m3，靶板密度ρv=2.7×103kg/m3。根據(jù)表1中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，獲得參數(shù)值：A=0.256，B=-13.307，C=0.487，D=0.667，E=0.022，F(xiàn)=1.000。

式(3)雖包含材料參數(shù)，但由于本文試驗(yàn)材料固定，因此該經(jīng)驗(yàn)公式只適用于本文試驗(yàn)工況范圍，即：彈丸材料為Al-2017，前靶板材料為Al-6061，1.49 km/s≤vp≤3.59 km/s，0.157≤t/dp≤0.472。

如圖4所示，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入經(jīng)驗(yàn)公式(3)并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，其誤差范圍為0.54%～4.13%，可見(jiàn)該經(jīng)驗(yàn)公式可靠。由圖4可知，相同工況下，與Maiden和Sorenson經(jīng)驗(yàn)公式所得到的穿孔直徑相比，利用考慮了氣體壓力因素的經(jīng)驗(yàn)公式(3)所獲得的前靶板穿孔直徑值更接近試驗(yàn)值。

利用上述建立的前靶板穿孔經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)穿孔直徑與氣體壓力的關(guān)系進(jìn)行分析。前靶板穿孔直徑隨氣體壓力變化的曲線如圖6所示?？梢?jiàn)，隨著氣體壓力的增加，前靶板穿孔直徑增加，增幅范圍為1.5%～2.2%。也就說(shuō)是，當(dāng)氣體壓力增加時(shí)，雖然前靶板穿孔直徑增加幅值較小，但仍然可以看出，氣體壓力對(duì)前靶板穿孔具有一定的擴(kuò)孔作用。因此，在滿足一定工程精度的條件下，當(dāng)氣體壓力不是很大時(shí)，可以忽略氣體壓力對(duì)前靶板穿孔直徑的影響；若當(dāng)氣體壓力較大時(shí)，氣體壓力的影響將不能忽略。

圖6 前靶板穿孔直徑隨氣體壓力的變化

本文所建立的經(jīng)驗(yàn)公式適用于邊界固支的單側(cè)承壓薄壁結(jié)構(gòu)受超高速撞擊的孔徑預(yù)估，如航天器壓力容器的加筋部位、窗口、封頭等。一般航天用壓力容器壁是具有一定曲率的，但由于本文自制壓力容器模擬裝置形狀的限制，研究前靶板穿孔時(shí)，未考慮容器壁曲率的影響。

2.2 碎片云特性分析

2.2.1 碎片云形態(tài)分析

超高速撞擊靶板產(chǎn)生的碎片云由兩部分構(gòu)成：來(lái)自靶板穿孔形成的碎片和來(lái)自彈丸的碎片。通過(guò)比較相同時(shí)刻、不同工況下碎片云的X光影像，分析高壓氣體對(duì)碎片云形態(tài)的影響。碎片云形態(tài)包括碎片云沿撞擊方向的形態(tài)及垂直于撞擊方向的形態(tài)。

在前靶板板厚和彈丸直徑相同的條件下(t=1.5 mm，dp=6.35 mm)，圖7給出了撞擊后15 μs時(shí)高壓氣體中的碎片云影像。由圖7可見(jiàn)，當(dāng)彈丸速度約為2.00 km/s和2.34 km/s時(shí)，彈丸未破碎，碎片云中的彈丸發(fā)生變形，沿撞擊軸線方向被壓扁；彈丸速度約為3.02 km/s時(shí)，彈丸發(fā)生破碎，并且碎片云的大部分質(zhì)量都集中在碎片云的前端，Piekutowski[18-19]將該部分稱為碎片云的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在試驗(yàn)中對(duì)碎片云的形態(tài)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，為了便于觀察和測(cè)量，只記錄了碎片云內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化。

比較氣體壓力為0.4 MPa和1.0 MPa時(shí)碎片云內(nèi)部結(jié)構(gòu)沿撞擊軸方向形態(tài)的變化。彈丸未破碎時(shí)，由圖7(a)和(b)可見(jiàn)，當(dāng)氣體壓力增加時(shí)，未破碎的彈體部分被進(jìn)一步壓扁。彈丸發(fā)生破碎后，由圖7(c)可見(jiàn)，當(dāng)氣體壓力為0.4 MPa時(shí)，碎片云內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的碎片分布較分散，有明顯空隙；當(dāng)氣體壓力為1.0 MPa時(shí)，碎片云內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的碎片分布較為緊密，未見(jiàn)明顯空隙。由此可知，隨著氣體壓力的增加，碎片云內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的碎片分布更為緊密，氣體壓力對(duì)碎片云形態(tài)擴(kuò)展的阻礙作用增加。

圖7 不同氣壓碎片云的形態(tài)比較(t=1.5 mm，dp=6.35 mm)

比較氣體壓力為0.4 MPa和1.0 MPa時(shí)碎片云沿垂直撞擊軸方向形態(tài)變化，對(duì)不同氣體壓力下碎片云內(nèi)部結(jié)構(gòu)直徑進(jìn)行測(cè)量。碎片云的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其直徑如圖8所示，碎片云內(nèi)部結(jié)構(gòu)直徑用Ddebris表示。

圖8 碎片云內(nèi)部結(jié)構(gòu)

撞擊后15 μs的碎片云內(nèi)部結(jié)構(gòu)直徑Ddebris隨彈丸速度的變化如圖9所示。由圖9可見(jiàn)，在其余參數(shù)相同的條件下，隨著彈丸速度的增加Ddebris增大，隨氣體壓力的增加Ddebris減小。

圖9 15 μs碎片云內(nèi)部結(jié)構(gòu)直徑隨彈丸速度變化曲線

綜上所述，彈丸未破碎時(shí)，作為碎片云內(nèi)部結(jié)構(gòu)的彈丸保持相對(duì)完整，但其形狀受高壓氣體影響，隨著氣體壓力的增加，彈丸扁平化趨勢(shì)增加；彈丸破碎時(shí)，高壓氣體對(duì)碎片云沿撞擊方向和垂直于撞擊方向的擴(kuò)展均具有阻礙作用，隨著氣體壓力的增加，氣體對(duì)碎片云擴(kuò)展的阻礙作用增強(qiáng)。

2.2.2 碎片云內(nèi)部結(jié)構(gòu)速度分析

圖10 關(guān)于碎片云的X光曝光位置

在前靶板板厚和彈丸直徑相同的條件下(t=1.5 mm，dp=6.35 mm)，對(duì)氣體壓力分別為0.4 MPa和1.0 MPa時(shí)碎片云在氣體中的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行分析，如圖11所示。圖11給出了彈丸速度分別為2.00 km/s、2.34 km/s和3.10 km/s時(shí)，碎片云內(nèi)部結(jié)構(gòu)在氣體中運(yùn)動(dòng)速度的變化曲線。由圖11可見(jiàn)，隨著碎片云內(nèi)部結(jié)構(gòu)位移的增加，碎片云的速度下降，發(fā)生減速；并且相同彈丸速度下，氣體壓力為1.0 MPa中的碎片云內(nèi)部結(jié)構(gòu)速度比氣體壓力為0.4 MPa中的碎片云內(nèi)部結(jié)構(gòu)速度低。通過(guò)比較每個(gè)圖片上線段的斜率還可以發(fā)現(xiàn)，氣體壓力為1.0 MPa的線段斜率較氣體壓力為0.4 MPa的線段斜率大?？梢?jiàn)，高壓氣體對(duì)超高速撞擊產(chǎn)生的碎片云具有減速作用；并且氣體壓力越高，碎片云速度越低，碎片云沿撞擊方向減速也越快。

(a) vp=(2.00±0.05) km/s

(b) vp=2.34 km/s

(c) vp=(3.10±0.05) km/s

2.2.3 碎片云致?lián)p能力分析

通過(guò)考察觀察板的損傷情況，分析載荷參數(shù)和撞擊參數(shù)對(duì)碎片云致?lián)p能力的影響。

在前靶板板厚和彈丸直徑相同(t=1.5 mm，dp=6.35 mm)、彈丸速度不同的條件下，圖12給出了當(dāng)氣體壓力分別為1.0 MPa和0.4 MPa時(shí)觀察板的損傷情況，彈丸速度分別為2.00 km/s、2.34 km/s和3.10 km/s。觀察圖12(a)和(b)可發(fā)現(xiàn)，在彈丸速度不大于2.34 km/s時(shí)碎片云中的彈丸未破碎，觀察板呈現(xiàn)單一中心穿孔。觀察板中心穿孔直徑分別為：9.20 mm(No.14-1)，8.82 mm(No.4-1)，11.10 mm(No.15-1)，10.30 mm(No.1)?？梢?jiàn)，彈丸未破碎時(shí)，在彈丸速度及彈丸直徑相同的條件下，氣體壓力增加，觀察板中心穿孔直徑減小。由圖12(c)可發(fā)現(xiàn)，在彈丸速度約為3.10 km/s，當(dāng)氣體壓力由0.4 MPa變?yōu)?.0 MPa，即隨著氣體壓力的增加時(shí)，觀察板的損傷由穿孔變成了撞擊坑。可見(jiàn)，隨著氣體壓力的增加，碎片云對(duì)觀察板的損傷減小。因此，在一定條件下，氣體壓力的增加，碎片云的撞擊能量降低，即致?lián)p能力降低，氣體壓力的增加可以對(duì)觀察板起到一定的防護(hù)作用。

(a) vp=(2.00±0.05) km/s

(b) vp=2.34 km/s

(c) vp=(3.10±0.05) km/s

在前靶板板厚、彈丸直徑和氣體壓力不變(t=1.5 mm，dp=6.35 mm，P=1.0 MPa)的條件下，比較不同彈丸速度下觀察板的損傷情況，如圖13(a)所示。由圖13(a)可見(jiàn)，隨著彈丸速度的增加，觀察板損傷呈現(xiàn)先加劇、后減弱、又加劇的趨勢(shì)。當(dāng)彈丸未破碎時(shí)，No.4-1(vp=1.95 km/s)和No.1vp=2.34 km/s)觀察板呈現(xiàn)中心穿孔，隨著彈丸速度的增加，中心穿孔直徑增大(No.4-1:8.82 mm，No.1:10.30 mm)，即觀察板損傷加劇；當(dāng)彈丸速度繼續(xù)增加，等于3.05 km/s時(shí)，彈丸發(fā)生破碎，觀察板損傷變?yōu)樽矒艨?，觀察板損傷減弱；當(dāng)彈丸撞擊速度增加到3.38 km/s時(shí)，觀察板損傷為多個(gè)撞擊穿孔，觀察板損傷又加劇。當(dāng)彈丸速度增加時(shí)，彈丸由未破碎到發(fā)生破碎，撞擊產(chǎn)生的碎片增多但單個(gè)碎片質(zhì)量減小，導(dǎo)致碎片云在高壓氣體中運(yùn)動(dòng)時(shí)減速加劇，甚至不能到達(dá)觀察板，即觀察板損傷減小。但隨著彈丸速度進(jìn)一步增加，雖然彈丸破碎程度加劇，但單個(gè)小碎片撞擊速度及能量增加，導(dǎo)致觀察板損傷加劇。

盡管上述觀察板損傷的變化規(guī)律與真空環(huán)境下的雙層板超高速撞擊現(xiàn)象相似，但由于高壓氣體的存在，二者的撞擊毀傷過(guò)程和現(xiàn)象是有區(qū)別的。在其余工況相同時(shí)，圖13(a)和(b)分別為氣體壓力1.0 MPa和真空條件下碎片云撞擊后的觀察板損傷形貌。觀察圖13(b)可知，在真空情況下，隨著彈丸速度的增加，由于碎片云中的碎片破碎程度增加，觀察板上由碎片云撞擊而留下的穿孔或撞擊坑數(shù)量增加。但當(dāng)彈丸速度相同或相近時(shí)，比較其余參數(shù)相同時(shí)有氣體壓力和真空狀態(tài)下觀察板的損傷形貌可知(No.4-1與No.10-2、No.18-1與No.9-1、No.2與No.8-4)，由于氣體壓力的阻礙作用，使得碎片云中的部分碎片未能到達(dá)觀察板并導(dǎo)致碎片云的損毀能力降低。

(a) P=1.0 MPa

(b) P=0 MPa

綜上所述，在真空環(huán)境中，隨著彈丸速度的增加碎片云中彈丸破碎程度加劇，碎片云著靶于觀察板的碎片數(shù)量增加。但由于高壓氣體的作用，碎片云的致?lián)p能力與彈丸速度和氣體壓力有關(guān)，并且兩者的作用是相互耦合的。

如圖14所示，當(dāng)彈丸速度為3.05 km/s左右，前靶板板厚和氣體壓力相同(t=1.5 mm，P=0.4 MPa)時(shí)，比較不同彈丸直徑下觀察板的損傷情況，如圖14所示，彈丸直徑分別3.97 mm、4.76 mm、6.35 mm。由圖14可見(jiàn)，隨著彈丸直徑的增加，觀察板的損傷依次為基本無(wú)損傷、撞擊坑、中心穿孔伴有撞擊坑。可見(jiàn)，雖然氣體壓力對(duì)碎片云具有減速作用，但隨著彈丸直徑的增加，碎片云撞擊能量，即致?lián)p能力仍是增強(qiáng)的，對(duì)觀察板的損傷也是加劇的。

圖14 彈丸直徑對(duì)碎片云致?lián)p能力的影響

Fig.14 Influence of projectile diameter on debris cloud damage ability(P=0.4 MPa，t=1.5 mm)

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了可用于X光拍照的壓力容器模擬裝置，結(jié)合超高速撞擊試驗(yàn)，研究固支邊界的單側(cè)承壓靶板穿孔損傷特性及在高壓氣體中運(yùn)動(dòng)的碎片云特性，主要得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 考慮氣體壓力對(duì)前靶板穿孔的影響，建立了單側(cè)承壓靶板穿孔的經(jīng)驗(yàn)公式。氣體壓力對(duì)穿孔具有一定的擴(kuò)孔作用。在滿足一定工程精度且氣體壓力不是很大時(shí)，可忽略氣體壓力對(duì)前靶板穿孔直徑的影響；若當(dāng)氣體壓力較大時(shí)，氣體壓力的影響將不能忽略。

(2) 前靶板穿孔但彈丸未破碎時(shí)，作為碎片云內(nèi)部結(jié)構(gòu)的彈丸保持相對(duì)完整，但其形狀受高壓氣體影響，隨著氣體壓力的增加，彈丸扁平化趨勢(shì)增加；彈丸破碎時(shí)，高壓氣體對(duì)碎片云沿撞擊方向和垂直于撞擊方向的擴(kuò)展均具有阻礙作用，氣體壓力越高，氣體對(duì)碎片云擴(kuò)展的阻礙作用越強(qiáng)。

(3) 氣體壓力對(duì)碎片云具有減速作用，且隨著氣體壓力的增加碎片云減速加快。

(4) 碎片云的致?lián)p能力與載荷參數(shù)和撞擊參數(shù)有關(guān)。載荷參數(shù)方面，氣體壓力增加，碎片云致?lián)p能力降低；撞擊參數(shù)方面，與真空狀態(tài)下碎片云全部著靶于觀察板不同，在彈丸直徑一定的前提下，氣體壓力與彈丸速度對(duì)碎片云致?lián)p能力的影響是相互耦合的；彈丸直徑增加，碎片云致?lián)p能力提高。