一種測(cè)量二級(jí)輕氣炮金屬膜片破膜壓力的方法

仵 可， 朱玉榮， 錢秉文， 李 進(jìn)， 譚書舜, 張德志

(西北核技術(shù)研究所， 西安 710024)

金屬膜片閥門具有響應(yīng)快速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和性能可靠的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于化工安全閥門[1]、航天發(fā)動(dòng)機(jī)[2]和二級(jí)輕氣炮[3]等設(shè)備中。二級(jí)輕氣炮中的金屬膜片是連接泵管與發(fā)射管的關(guān)鍵部件，其破裂壓力直接影響了初始彈底壓力與活塞運(yùn)動(dòng)的歷程。準(zhǔn)確測(cè)量此類金屬膜片在發(fā)射過(guò)程中的破裂壓力，是二級(jí)輕氣炮內(nèi)彈道定量分析的必然要求。吳澤偉等[4]總結(jié)了前人的金屬膜片破裂壓力計(jì)算方法，提出基于球形變形假設(shè)的經(jīng)驗(yàn)公式。1989年，我國(guó)根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6718-1985，制訂了第一部爆破片技術(shù)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《拱形金屬爆破片技術(shù)條件》[5]，給出了普通正拱型金屬膜片的爆破壓力計(jì)算公式。但這些研究成果只適用于容易產(chǎn)生球形變形及破裂壓力較低(普遍低于5 MPa)的薄金屬膜片，二級(jí)輕氣炮內(nèi)彈道中常用的金屬膜片厚徑比值較大，破裂壓力較高，且一般具有預(yù)制刻槽設(shè)計(jì)，不適用于球形變形假設(shè)，難以從理論上分析破裂壓力，必須開展實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

1 測(cè)量方案

實(shí)驗(yàn)室常用的二級(jí)輕氣炮基本結(jié)構(gòu)通常包括氣室(對(duì)于一級(jí)火藥驅(qū)動(dòng)的輕氣炮則為火藥室)、錐閥(對(duì)于一級(jí)火藥驅(qū)動(dòng)的輕氣炮為大金屬膜片)、泵管、高壓氣室(錐段)及發(fā)射管，如圖1所示。二級(jí)輕氣炮發(fā)射時(shí)，錐閥快速打開，一級(jí)氣室中高壓氣體推動(dòng)活塞向泵管一側(cè)運(yùn)動(dòng)，不斷壓縮泵管中的輕質(zhì)氣體(氫氣或氦氣)，當(dāng)泵管中氣壓達(dá)到破膜壓力時(shí)，金屬膜片發(fā)生破裂迅速開啟，高壓輕質(zhì)氣體推動(dòng)彈丸沿發(fā)射管快速運(yùn)動(dòng)。

金屬膜片在發(fā)射過(guò)程中的破裂壓力，即金屬膜片破裂時(shí)高壓氣室尾端的氣壓，其測(cè)量原理是將壓力傳感器置于高壓氣室內(nèi)相應(yīng)位置，在獲得該位置壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系后，判讀出金屬膜片破裂時(shí)刻對(duì)應(yīng)的壓力值，即為破膜壓力。

該測(cè)量實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)在于，活塞運(yùn)動(dòng)持續(xù)壓縮泵管中的氫氣，導(dǎo)致金屬膜片承壓側(cè)的氣壓不斷升高，無(wú)法僅從壓力信號(hào)的特征上判斷出金屬膜片破裂的準(zhǔn)確時(shí)刻，需采用其他測(cè)試方法確認(rèn)破膜時(shí)刻。圖2為本文提出的測(cè)量實(shí)驗(yàn)的基本思路，即利用壓力傳感器與高速攝像機(jī)同步監(jiān)測(cè)金屬膜片在二級(jí)輕氣炮內(nèi)彈道中的變形歷程和載荷歷程，在金屬膜片變形歷程中找到膜片破裂的準(zhǔn)確時(shí)刻，該時(shí)刻的載荷即為金屬膜片的破裂壓力。

圖3為輕氣炮錐段改造方案。一般的二級(jí)輕氣炮結(jié)構(gòu)中，金屬膜片被夾持在高壓氣室和發(fā)射管之間，如圖3(a)所示。在這種夾持方式下，壓力傳感器無(wú)處放置，也不具備高速攝影需要的光學(xué)觀察窗口，因此必須對(duì)傳統(tǒng)的二級(jí)輕氣炮金屬膜片的夾持方式進(jìn)行改造。圖3(b)為改造后的膜片夾持方式。由圖3(b)可見(jiàn)：新結(jié)構(gòu)在高壓氣室和金屬膜片之間加入了錐段延長(zhǎng)機(jī)構(gòu)，可提供壓力傳感器的安裝位置；利用夾緊法蘭代替發(fā)射管，夾緊燒蝕環(huán)與金屬膜片，拆除發(fā)射管，可提供彈道方向的光學(xué)觀察窗口。

普通二級(jí)輕氣炮在正常發(fā)射狀態(tài)下，金屬膜片在發(fā)射管一側(cè)為真空，而拆除發(fā)射管后，金屬膜片在遠(yuǎn)離高壓氣室一側(cè)為大氣。由于本文使用的金屬膜片較厚，破裂壓力一般高達(dá)數(shù)十兆帕甚至數(shù)百兆帕，大氣壓力對(duì)金屬膜片破裂壓力造成的影響可忽略不計(jì)。由于沒(méi)有發(fā)射管和彈丸，當(dāng)金屬膜片發(fā)生破裂后，泵管中的高壓氣體會(huì)直接沖入空氣中，發(fā)射過(guò)程結(jié)束，此時(shí)記錄金屬膜片破裂時(shí)刻的圖像和錐段壓力信號(hào)的工作已完成，因此，拆除發(fā)射管并不影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

由于金屬膜片破裂的初始時(shí)刻裂紋較小，難以觀測(cè)，在金屬膜片的背壓側(cè)粘貼一張小反光紙作為標(biāo)記。當(dāng)金屬膜片中心位置被高壓氣體貫穿后，高壓氫氣從裂紋中穿過(guò)并形成射流將反光紙吹開，這一過(guò)程的可辨識(shí)度比初始裂紋更高，對(duì)金屬膜片開始破裂時(shí)刻的判斷也更準(zhǔn)確。

以上設(shè)計(jì)解決了壓力傳感器布設(shè)和破膜時(shí)刻準(zhǔn)確判斷2個(gè)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了在二級(jí)輕氣炮發(fā)射過(guò)程中準(zhǔn)確測(cè)量破膜壓力的目標(biāo)。此外需要特別注意的是，金屬膜片破裂后泵管中高溫高壓的氫氣會(huì)直接沖入室內(nèi)空氣環(huán)境，極易發(fā)生爆炸，必須做好安全防護(hù)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)在Φ57-10 mm口徑(一級(jí)泵管口徑為57 mm，二級(jí)發(fā)射管口徑為10 mm)的輕氣炮上開展。圖4為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選用的金屬膜片材質(zhì)為304不銹鋼。由圖4可見(jiàn)，金屬膜片口徑為20 mm，基礎(chǔ)厚度為2 mm，背壓側(cè)預(yù)置十字形刻槽，槽底為圓弧形，刻槽中心深度為1.6 mm。 實(shí)驗(yàn)分為2組進(jìn)行：第1組利用圖3(b)所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)，獲取金屬膜片準(zhǔn)確的破裂壓力；第2組作為對(duì)照，進(jìn)行一般的帶彈發(fā)射實(shí)驗(yàn)，用于分析與測(cè)量實(shí)驗(yàn)的差別。對(duì)照實(shí)驗(yàn)金屬膜片的夾持方式，如圖5所示。

與圖3(b)的金屬膜片夾持方式相比，對(duì)照試驗(yàn)保留了發(fā)射管與彈丸，2組實(shí)驗(yàn)發(fā)射參數(shù)相同。壓力傳感器采用自觸發(fā)模式，觸發(fā)閾值為50 MPa，壓力傳感器觸發(fā)的同時(shí)給出一個(gè)信號(hào)用以觸發(fā)高速相機(jī)，高速相機(jī)幀率設(shè)置為每秒1.5×105幀，快門時(shí)間為1 μs。

在測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，高速相機(jī)拍攝金屬膜片承受載荷畫面時(shí)，觸發(fā)時(shí)刻記為0時(shí)刻，0時(shí)刻之前幀數(shù)記為負(fù)幀數(shù)，0時(shí)刻之后幀數(shù)記為正幀數(shù)。高速相機(jī)拍攝到金屬膜片承受載荷的畫面，如圖6所示。

由圖6可見(jiàn)：在第-94 幀圖像中，金屬膜片為初始狀態(tài)，從拍攝開始至此時(shí)刻，金屬膜片沒(méi)有發(fā)生明顯變形，反光紙位于觀察孔內(nèi)左側(cè)；在第-1 幀圖像中金屬膜片背壓側(cè)十字刻槽邊緣陰影增加，但反光紙位置沒(méi)有變化，表明金屬膜片發(fā)生了明顯變形，但未破裂；在第8 幀圖像中觀察到反光紙位置開始變化，表明有高壓氣流吹出，驅(qū)動(dòng)反光紙運(yùn)動(dòng)，此時(shí)金屬膜片已開始破裂；在第27 幀圖像中觀察到反光紙已被完全吹開，從視場(chǎng)內(nèi)消失，表明金屬膜片中心位置的裂紋已開始沿刻槽向邊緣擴(kuò)展。根據(jù)相機(jī)幀率設(shè)置，每幀時(shí)間間隔為6.67 μs，第8 幀位于高速攝像機(jī)觸發(fā)時(shí)刻后54 μs，即金屬膜片破裂的準(zhǔn)確時(shí)刻。

測(cè)量實(shí)驗(yàn)及帶彈對(duì)照實(shí)驗(yàn)壓力p隨時(shí)間t的變化關(guān)系，如圖7所示。

由圖7可見(jiàn)，t=54 μs對(duì)應(yīng)的壓力，即金屬膜片破裂壓力，為57 MPa。對(duì)照試驗(yàn)中，在發(fā)射管出口處放置用于測(cè)量彈丸速度的激光測(cè)量設(shè)備，當(dāng)彈丸飛出發(fā)射管的瞬間，遮斷激光束，產(chǎn)生測(cè)速信號(hào)。圖7中綠色曲線為激光測(cè)量設(shè)備的輸出信號(hào)，下降沿表征彈丸到達(dá)發(fā)射管出口遮斷激光束的時(shí)刻。以金屬膜片破裂時(shí)刻為彈丸運(yùn)動(dòng)的初始時(shí)刻，由激光測(cè)速信號(hào)下降沿與初始時(shí)刻之間的差值，可判斷出彈丸在發(fā)射管內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間為1.5 ms，彈丸在輕氣炮中的運(yùn)動(dòng)距離等于發(fā)射管長(zhǎng)度為3.5 m，由此可確定彈丸運(yùn)動(dòng)的平均速度為2.33×103m·s-1。

3 分析與討論

由圖7可見(jiàn)，在壓力約為100 MPa之前，2條曲線都吻合良好，金屬膜片破裂壓力為57 MPa，可認(rèn)定測(cè)量結(jié)果真實(shí)有效，測(cè)量實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)未對(duì)真實(shí)內(nèi)彈道環(huán)境產(chǎn)生明顯改變。在發(fā)射初始階段，活塞速度較慢，泵管壓力上升緩慢，金屬膜片在這一階段變形程度較小。隨著活塞運(yùn)動(dòng)速度的提升，泵管中壓力上升速率加快，金屬膜片變形趨于明顯。根據(jù)高速攝影得到的圖像可見(jiàn)：在觸發(fā)前226 μs(第-34 幀)金屬膜片發(fā)生了變形，由中心位置向背壓側(cè)鼓起；在出發(fā)后54 μs(第8 幀)高壓氣體貫穿了金屬膜片中心位置，氣流通道初步開啟，膜片開始破裂；在觸發(fā)后200 μs(第30幀 )裂紋已沿十字刻槽擴(kuò)展到金屬膜片邊緣，金屬膜片形成獨(dú)立的4瓣，膜片完全破裂；在觸發(fā)后233 μs(第35 幀)金屬膜片的4瓣完全貼上燒蝕環(huán)內(nèi)壁，變形過(guò)程終止，氣流通道開啟到最大狀態(tài)。

裂紋由中心位置擴(kuò)展到金屬膜片邊緣(第8～30幀)，這一過(guò)程持續(xù)約150 μs，而形成獨(dú)立的4瓣到變形終止(第30～35幀 )只需約30 μs。這是因?yàn)椋航饘倌て鸭y沒(méi)有完全發(fā)展到邊緣時(shí)，刻槽內(nèi)部相互連接，還具有較強(qiáng)的承載能力；當(dāng)裂紋發(fā)展到金屬膜片邊緣時(shí)，金屬膜片分為獨(dú)立的4瓣，只有根部具有較弱的承載能力，高壓氫氣在活塞驅(qū)動(dòng)下形成快速氣流，流動(dòng)沖刷作用加快了金屬膜片的變形。因此，金屬膜片從形成獨(dú)立的4瓣到形成最大開口的過(guò)程非常短暫。

二級(jí)輕氣炮內(nèi)彈道中，金屬膜片的作用類似于快開閥門，配合活塞在泵管中形成高壓環(huán)境，破裂后突然釋放出的壓力使彈丸獲得較大的加速度，從而實(shí)現(xiàn)高速發(fā)射，金屬膜片從開始破裂到形成最大開口需盡可能快速。根據(jù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，金屬膜片從完全破裂到形成最大開口的時(shí)間很短，但從開始破裂到完全破裂的時(shí)間仍較長(zhǎng)。因此在今后的金屬膜片設(shè)計(jì)工作中，進(jìn)一步縮短裂紋擴(kuò)展的時(shí)間是一個(gè)重要的優(yōu)化方向。

在運(yùn)動(dòng)的前段，二級(jí)輕氣炮的彈丸具有較大的加速度，中后段加速度逐漸減小，中后段運(yùn)動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，平均速度越接近彈丸最終發(fā)射速度。本實(shí)驗(yàn)中，彈丸的平均彈速為2.33×103m·s-1，利用激光測(cè)速設(shè)備實(shí)際測(cè)得彈丸最終速度為3.89×103m·s-1，彈丸平均速度約為最終速度的60%。

由圖7還可見(jiàn)，對(duì)照實(shí)驗(yàn)中彈丸開始運(yùn)動(dòng)后，壓力快速到達(dá)峰值，然后逐漸下降，不能持續(xù)保持高壓，導(dǎo)致彈丸在運(yùn)動(dòng)的中后段加速度較小。對(duì)于二級(jí)輕氣炮，提高彈速的一個(gè)重要途徑是保持長(zhǎng)時(shí)間的彈底高壓，使彈丸在發(fā)射管中的全部行程都得到有效加速。如能使壓力波形的脈寬加寬或在壓力峰值處形成高壓平臺(tái)，就可有效提高二級(jí)輕氣炮的發(fā)射能力。目前，國(guó)內(nèi)外在這一方面的研究已有一些進(jìn)展，主要使用多活塞[6]或動(dòng)態(tài)活塞[7-9]技術(shù)。

4 小結(jié)

本文提出了一種利用壓力傳感器和高速攝影技術(shù)進(jìn)行時(shí)間關(guān)聯(lián)測(cè)定二級(jí)輕氣炮內(nèi)彈道中金屬膜片破裂壓力的方法，并在Φ57-10 mm口徑的二級(jí)輕氣炮上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，測(cè)試獲得該型輕氣炮常用規(guī)格的金屬膜片破裂壓力為57 MPa，測(cè)量實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)帶彈對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，表明結(jié)果可信。同時(shí)獲得了金屬膜片破裂過(guò)程的物理圖像與高壓段載荷曲線，由此進(jìn)一步對(duì)二級(jí)輕氣炮內(nèi)彈道中膜片破裂行為與彈丸運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析，并給出了提升二級(jí)輕氣炮發(fā)射能力的建議。