高溫條件下高速碰撞試驗技術研究

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. 工程材料與結構沖擊振動四川省重點實驗室，四川 綿陽 621999）

隨著時代的進步和科學技術的發展，產品在異常事故下的安全性日益受到關注，逐漸成為產品研制的關鍵技術指標之一。異常事故安全性是指產品因異常高速碰撞或/和火燒下防止爆炸和有害物質泄漏的能力，國內外對此開展了大量的研究[1-5]，制定了不少的安全性規范。如 GB 11806《放射性物質安全運輸規程》，以 IAEA發布并不斷修改完善的放射性材料安全運輸規程為基礎，規定了國內放射性物質安全運輸的相關技術要求。在異常事故中，高速碰撞往往伴隨著高溫發生，高溫效應和高速撞擊響應相互耦合和相互影響。在GB 11806以及已有產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構的安全性進行解耦，開展單獨研究或序貫研究[3,6-8]，單獨研究或序貫研究均不能反映高溫和高速的耦合效應，因此開展產品高溫高速撞擊同時作用下的安全性顯得尤為重要。

為研究同位素熱源異常高空返回在高溫和高速碰撞聯合作用時的安全性，美國基于空氣炮研制了同位素能源撞擊試驗機（Isotope Fuels Impact Tester，IFIT）[9]，旨在實現高溫和高速同時作用時，防止放射性物質的泄漏對環境造成破壞。因此，IFIT不僅要能實現高溫和高速的作用，還要實現密封放射性物質的功能，其結構非常復雜，包含空氣炮、激發設備、試樣、撞擊室和回收裝置，每個部件又由許多小結構構成。對于通用電源 GPHS-RTG的整體結構，首先將GPHS-RTG加熱至設定溫度（＞1000 ℃），然后利用遠程控制技術將其快速安裝在火箭橇上，并加速火箭橇。當火箭橇加速到試驗速度后，分離GPHS-RTG與火箭橇，GPHS-RTG將單獨與靶體發生碰撞[10]；或者采用“逆彈道”的方法利用火箭橇將靶體加速到設定速度后，撞擊固定安裝的 GPHS-RTG。對于無放射性材料的產品來說，上述試驗方法結構復雜、操作測試不便和擴展性差，工程實現的成本較高、周期長。對于高溫條件下，高速撞擊試驗涉及加熱及溫度測試、姿態控制及其測試和試樣加速及速度測試等關鍵技術。文中擬通過對上述三個關鍵技術的研究以建立方便易控制多用途的高溫高速撞擊試驗裝置。

1 試驗系統

高溫條件下結構高速撞擊試驗系統以空氣炮為基礎，結合了次口徑發射技術和加熱/保溫技術，分為空氣炮、試樣組件、分離器、高速攝影、測速系統和靶體等幾部分，如圖1所示。其試驗原理為：利用空氣炮快速釋放壓縮到指定壓力的空氣，驅動已加熱至試驗溫度的試樣，以設定姿態高速撞擊靶體。其中，試樣組件主要起著彈托和加熱的作用，碰靶姿態和碰靶速度分別由高速攝影和測速系統檢測。

圖1 試驗系統分布

2 關鍵控制技術

2.1 速度控制技術

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

圖2 簡化的空氣炮模型

式中：p為氣體壓力；x為試樣的運動距離；A為試樣橫截面積；m為試樣質量。

假設氣體推動試樣的運動過程，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刻的體積；M、μ為氣室中的充氣質量及其摩爾數；T為氣體的溫度；γ為氣體的絕熱指數。

實際試驗中存在多種能量損耗，如摩擦等，如果不考慮其形式，則可以通過附加質量的方法考慮各種能量損耗，具體方法將試樣的質量由 m增加到 m′，假設m′=φm，此時試樣的運動方程式（1）變為：

根據式（3）和式（4），聯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、氣體釋放速度以及炮管溫度等密切相關。因此試驗前，應根據試驗條件，開展多次正式試驗前的模擬試驗，以標定虛擬質量系數φ。進而建立質量、氣壓與出口速度之間的關系式（式（5）），確定正式試驗中達到設定速度的氣壓的關系式。

2.2 加熱及測溫技術

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溫度后，切斷所有電源，再將加熱后的試樣裝入空氣炮中發射。離線加熱存在以下幾個不足：試樣與環境的熱交換大大降低了試樣碰靶時的溫度，增加了試樣溫度達到試驗要求的難度，要確保試樣溫度達到試驗的要求，則要求試樣的初始溫度遠遠高于試驗溫度，這無疑給試樣增加溫度沖擊的考核環節。試驗中，需要搬動超高溫試樣，容易誘發安全事故。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部將試樣加熱到試驗溫度，然后切斷電源，密封空氣炮，最后釋放高壓氣體以驅動試樣。這是采用了次口徑的方法設計了彈托，并在彈托內增加加熱裝置（如圖3所示）。在此方法中，加熱裝置同時起著保溫和加熱的作用。由于采用了一體式加熱，試樣在發射時雖已經停止加熱，但是由于加熱裝置的保溫作用，試樣溫度下降的速度遠遠低于分離式加熱方法。同時，試驗系統組裝時避免了高溫環境，提升了試驗的安全性。

圖3 一體式加熱方法

碰靶時試樣溫度是高溫條件下高速碰撞試驗中測量的關鍵，也是難以測量的。試樣在靶室與靶體發生高速碰撞后，彈托和加熱裝置將產生大量的碎片和粉塵。高速運動的碎片容易破壞安放于靶室內的儀器，因此測溫等儀器和傳感器不能安放于靶室內。同時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，試樣碰撞時的變形速度高于紅外測溫的響應速度，因此采用光學等非接觸方法測試已不現實，必須尋求其他的方法測量試樣的碰靶溫度。傳熱學表明，放置于空氣中的高溫試樣，其溫度隨著時間線性降低，因此可以間接通過降溫時間來測試試樣的碰靶溫度，不過需對試樣的溫度下降的時間曲線進行標定。標定的具體方法是：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，監測試樣溫度的下降過程，確定試樣溫度降至要求溫度的時間 Δt0，最后以此時間 Δt0控制試樣的發射時間 Δt，結合 Δt和溫降曲線確定碰靶時的溫度。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。當試樣與加熱裝置分離后自由飛行，由于飛行時間極短，其溫度下降也可以忽略。

2.3 姿態控制技術

試驗中所用空氣炮的內徑為250 mm，遠大于試樣的最大尺寸，同時為了實現不同的碰撞姿態，必須采用次口徑發射技術，即彈托試驗技術。這為加熱裝置的設計提供空間，但是有限的空間也限制了加熱裝置的設計。在加熱裝置內部，根據試樣碰撞姿態的需求設計了內襯結構。試驗時，將試樣和加熱裝置安裝于彈托內部，組成試樣組件。當試樣組件加速到試驗速度時，經彈托分離器與其他結構分離的試樣按照預定的姿態自由與靶體發生高速碰撞，同時可以結合調整靶體的安裝狀態，實現多種姿態的撞擊試驗。碰靶姿態通過高速相機進行監測。

3 試驗結果

為分析試樣尺寸對試樣碰靶溫度和姿態的影響，設計了兩種尺寸的試樣，分別以端部正碰、側碰和端部角碰與靶體發生碰撞。共開展了10發試驗，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，當加熱到相同溫度然后停止加熱，試樣溫度隨時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 ℃的時間大約需要3 min，而大試樣的時間大于4 min。因此，只要將停止加熱至發射的時間Δt0控制在 3 min之內，就可以確保試樣的碰靶溫度不低于1100 ℃。典型碰靶姿態如圖5所示，碰撞角及速度的測試結果見表1。

圖4 溫降曲線

表1 試驗結果

圖5 高速攝影記錄的典型碰撞姿態

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受高速碰撞后的變形狀態分別如圖6和圖7所示。圖3表明，大尺寸試樣正碰時，碰撞端鐓粗，尾端收縮，兩端發生凹陷變形，且尾端的凹陷大于碰撞端的變形；側碰時，試樣整體呈馬鞍狀，碰撞側呈扁平狀；端部角碰時，碰撞端的變形呈楔形，楔形的角度與碰撞角密切相關，尾部也發生凹陷。小試樣的整體剛度和強度遠遠低于大試樣，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，試樣整體坍塌失穩，出現了褶皺，不過側碰時的變形與大試樣的相似。

4 結語

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