电热炮原理性实验研究

本文介绍了电热炮的基本原理、实验装置结构、等离子体发生器和发射实验结果。实验结果表明,电热炮原理实验的装置是成功的,已将19.3g复合弹丸加速到1.85km/s,穿透30mm厚的钢板。     

高压气体驱动二级轻气炮发射过程的数值模拟方法及应用

二级轻气炮是一种常见的超高速发射装置,多年来其数值研究大多采用简化一维模型,鲜有三维有限元模型。以14 mm口径高压气体驱动二级轻气炮为研究对象,采用耦合欧拉-拉格朗日（coupled Eulerian-Lagrangian, CEL）算法,根据膜片破裂与否,将二级轻气炮模型解耦为2个分级三维数值模型。为确定实验难以测得的参数（材料摩擦因数和膜片破膜压力）,设计正交试验,拟合确定活塞与泵管间摩擦因数为0.82,弹丸与发射管摩擦因数为0.30和膜片破膜压力为11.73 MPa。正交结果表明,摩擦因数对计算结果影响较大,在高压气体驱动二级轻气炮的计算中不应忽略。通过上述方法建立数字化高压气体驱动二级轻气炮,完整复现气炮发射过程,计算的弹丸终速与实验结果吻合度高。选取验证工况详细分析了气炮发射过程内流场变化,并呈现关键时刻的压力云图。该气炮简化方法、分级思想和关键参数确认方法可推广应用于固体发射药驱动、爆轰驱动等其他驱动形式的二级/多级轻气炮。     

钨合金/黄铜复合结构靶抗高速破片侵彻的实验研究

在二级轻气炮上对新设计的一种钨合金/黄铜的有间隙的复合结构靶板开展了抗侵彻实验研究。靶板材料为多层结构,层与层之间有10mm到50mm的间隙。为了得到最优的结构设计参数,在二级轻气炮上对这种结构的靶板进行了弹丸质量为3g～20g、弹丸速度为2000m/s～4100m/s的抗侵彻实验研究。研究结果表明,高密度、高硬度的93W合金板和H62黄铜是防护结构最佳选材之一;用它们的两组合设计的四层复合结构靶能抵抗质量约20g,速度约2000m/s的钢质破片的侵彻。这一研究结果为选择合理的防护结构提供实验支持。     

高速斜入水和水平入水气炮水箱实验系统

为开展模型高速斜入水和水中高速航行的水流场实验研究,研制了立式和卧式气炮与水箱组合的实验系统。通过快速阀和活塞阀控制气炮激发和驱动状态,一级气炮采用高压空气直接驱动弹托和模型,二级气炮采用高压空气驱动重活塞压缩使集气腔中产生高压气体,再驱动弹托和模型达到预定速度。通过调节水箱和发射管角度,使高速模型斜入水或水平入水。其中,立式可变发射角二级气炮可发射质量1～1000 g的模型至2500 m/s最大速度,卧式一级气炮可发射质量1～100 kg的模型至300 m/s最大速度。和小气室、高燃气压力火药驱动方式相比,新型气炮采用大体积、中低驱动压力气室,高压气体更接近等熵膨胀做功,调节高压气体压力,能较好地满足模型质量和速度的宽范围要求。结合光反射通断法测速、高速摄影和阴影流场显示等测量技术,得到立式气炮压缩管重活塞运动速度、压缩管末端压力时间曲线和模型倾斜与水平入水的流场阴影图像。结果表明:重活塞速度在膜片破裂前和理论计算值符合较好,但破膜后差异较大。立式气炮流场阴影图像反映了模型斜入水产生的空中和水中激波以及在气水界面的反射激波、空泡形成和侧向气水界面的破碎与飞溅等现象。从卧式气炮的模型水平入水阴影图像提取气泡轮廓,清楚地看出尾部气泡气水界面的波动和失稳。和商业计算软件Fluent计算结果相比,空泡上游区域基本重合,但尾流区域强湍流导致两者存在明显差异。和水洞实验相比,气炮水箱实验系统近真实地再现高速入水过程伴随的冲击和动态空化等物理现象和模型尺度效应。     

超高速撞击实验的三级压缩气炮技术

介绍了弹速8km/s、氮气驱动三级压缩气炮技术的研究背景。论述了以三级压缩替代二级压缩 在提高氮气驱动多级气炮上限弹速方面的意义。讨论了弹径10mm 的57-37-10三级气炮的驱动气压、泵管 初充气压与发射弹速及高压气室荷载之间的关系。简述了57-37-10三级压缩气炮主要部件的工程设计,通 过实验数据和实物照片表述了57-37-10三级压缩气炮研究工作的进展情况。     

冰弹丸高速发射方法研究

冰弹丸的高速发射技术是认识冰弹丸高速撞击靶板损伤效应的瓶颈技术。利用二级轻气炮作为发射装置,采用液氮杜瓦制冷系统实现温度控制,选择铝质膜片对气压进行控制,利用高速摄像机对冰弹丸的完整性进行观测,并利用丝网测速仪对弹丸速度进行测量,实现了对冰弹丸的高速发射。通过实验验证了该方法的可行性,得到了完整冰弹丸在1516m/s下撞击铝合金靶板的实验结果。     

7 km/s以上超高速发射技术研究进展

介绍了毫克至克量级弹丸7 km/s以上超高速发射技术的国内外研究进展,并对各发射装置的工作原理和技术要素进行了简要阐述.基于电磁驱动准等熵加载,美国ZR装置驱动25 mm×13mm×1.0mm铝飞片至46km/s速度,国内CQ系列磁驱动加载装置实现了 10mmx6mmx0.33mm铝飞片18 km/s的发射.借助于金属箔电爆炸产生高压气体驱动,美国利弗莫尔实验室100kV电炮装置驱动9.5mm×9.5 mm×0.3 mm的Kapton膜至18 km/s,国内流体物理研究所98 kJ和200 kJ电炮装置分别驱动?10 mmx0.2 mm Mylar飞片和?21 mm×0.5 mm Mylar飞片到10 km/s.基于阻抗梯度飞片技术,采用汇聚型和非汇聚型结构三级轻气炮,实现了厘米量级铝飞片和TC4钛飞片12～15 km/s速度发射.这些超高速驱动技术的发展,为空间碎片防护研究提供了坚实的技术支持.     

大质量高速动能弹侵彻钢筋混凝土的实验研究

设计了弹头形状和弹体结构合理的金属侵彻弹体,利用口径为320 mm的平衡炮,采用次口径加载技术,将直径为136 mm、长度为680 mm、质量为52 kg的金属侵彻体加速到1300 m/s,去侵彻尺寸为3 m3 m6 m的钢筋混凝土靶。实验结果表明:次口径弹托与弹丸完全分离,弹体飞行姿态稳定,飞行攻角小于2,弹体侵彻6 厚的钢筋混凝土后剩余速度约为260 m/s。实验后回收的金属弹体结构完整,仅弹体头部存在一定塑性变形,弹体质量损失约1.2%,长度缩短约0.7%,弹靶作用过程的侵蚀现象不明显。     

单层5A06铝合金板高速撞击实验研究

采用非火药驱动二级轻气炮发射球形弹丸,对单层5A06铝合金板进行高速撞击实验研究,从而模拟空间碎片对航天器防护结构的高速撞击作用。实验得到了该铝合金板在不同的速度区间的损伤模式。结果表明,弹丸撞击速度一定时,弹坑深度和弹坑直径均与弹丸直径呈线性关系。当撞击速度在4km/s至5km/s时,靶板上的弹坑深度和弹坑直径随撞击速度的增大而减小,在其它速度范围内,弹坑深度和弹坑直径随撞击速度的增大而增大。通过固定弹丸直径,变化撞击速度,寻找临界撞击速度的方法获得了该铝合金板在弹丸撞击速度为1.0km/s至4.2km/s时的撞击极限曲线,并将实验弹坑深度与由Cour-Palais方程得到的预测弹坑深度进行了比较,实验弹坑深度大于预测值。     

60kJ高速电炮的装置性能

研制了具有较高驱动能力的100kV/60kJ高速电炮装置。性能实验结果表明,飞片的完整性和飞行平面度均较好,其中平面度优于42ns。该装置可将直径18mm、厚0.15mm的Mylar膜飞片(约53mg)加速到8.1km/s,将直径12mm、厚0.2mm的Mylar膜飞片(约32mg)加速到9.6km/s,表明该装置具有较高的加载能力。本项工作可为开展高应变率加载下的材料动力学响应及其他相关研究提供有效的加载手段。     

气相爆轰驱动二级轻气炮内弹道数值模拟

二级轻气炮是超高速弹丸驱动技术中使用最广泛的技术之一, 它在超高速气动物理现象及材料高速碰撞下力学性能的实验研究和验证方面起着不可或缺的作用. 中国科学院力学研究所基于爆轰驱动方法研制了一座大型二级轻气炮, 可弥补高压气体驱动能力有限和火药使用受限的不足. 本文基于经过实验验证的准一维数值模拟方法, 详细研究了该设备的内弹道动力学参数及发射性能, 并探讨了不同发射方法及装填参数对设备性能的影响规律和机理. 研究结果表明, 氢氧爆轰驱动相比于高压气体驱动具有明显优势; 不同爆轰驱动方式对弹丸发射性能影响较小, 但其影响到整个设备的强度设计; 对装填运行参数的研究表明增大爆轰段充气压力可以有效加强轻气炮发射性能, 而活塞质量变化对发射速度的影响较为复杂, 轻气炮实际运行中受设备设计指标及模型材料性能的限制, 优化过程中需要同时调整3种参数以达到轻气炮最佳性能.      

非火药驱动的二级轻气炮的发射参数分

介绍了一台５７ｍｍ口径一级压缩气炮驱动的１０ｍｍ口径二级轻气炮，并分析了这种气炮的特点。对其发射参数和发射效果之间的关系进行了数值计算模拟，计算弹速与实测弹速的差异小于１０％。根据计算模拟结果，分析了活塞质量、活塞驱动气压、泵管初充气压和弹丸释放气压等发射参量同弹速和二级气室的气压气温峰值的关系，评估了１０／５７二级轻气炮的发射能力。     

利用二级轻气炮实现重弹丸裸体击靶技术研究

介绍了利用３０ｍｍ口径的二级轻气炮作为发射手段，将２０￣４５ｇ重的钢弹丸发射到２￣４ｋｍ／ｓ，使弹丸－弹托顺利分离，实现钢弹丸裸体击靶的技术，为利用二级轻气炮开展重弹丸情况下的高速碰撞终点弹道效应研究提供了可靠的实验技术。     

原理性电磁轨道炮的实验研究

本文介绍了电磁轨道炮的工作原理,原理性实验装置和实验结果。实验中用贮能50kJ的电容器组作为能源,用一个2.51H的贮能电感器和四个开关调节电流波形,以便确保持续地向轨道炮供电。炮体长为30cm,炮膛口径为0.80.6cm~2。在两发首次进行的实验中,把340mg重的聚碳酸酯弹丸加速到1.5km/s的速度。     

飞机加强蒙皮在12.7 mm弹丸撞击下的变形与破坏

为了研究飞机蒙皮在12.7 mm标准机枪弹丸射击下的损伤,对3 mm厚LY-12 CZ材料的单蒙皮及其加筋板进行了模拟弹击试验。通过试验研究,建立了一个由高速气炮、弹体与弹托分离机构、连续位移激光测速装置和弹丸回收装置组成的系统并被有效地用于弹丸正撞击试验。通过对四边固支的3 mm厚蒙皮用12.7 mm直径弹丸进行速度约60~300 m/s的正撞击试验,结果表明,靶板从微小损伤到完全击穿;弹击造成的变形区有效直径随弹丸速度的增大呈幂指数趋势下降;弹击引起的变形深度随弹丸撞击速度的增加呈直线下降;靶板上的应变随弹丸速度的增加逐渐降低。弹丸剩余速度随弹丸撞击速度的增加呈直线上升。最后利用DYNA3D程序对单蒙皮及其加筋板进行了弹击数值模拟,模拟结果与弹击试验结果较吻合。     

高速弹丸诱导斜爆轰激波结构实验研究

斜爆轰推进系统在高超声速推进领域具有广阔的应用前景,其释热迅速、比冲高、燃烧室结构简单的优点吸引研究人员的持续关注.然而,斜爆轰的地面试验同时涉及到高速试验环境模拟、燃料与氧化剂混合、高温燃烧流场结构测量等技术难点,当前国内外系统的试验研究仍然十分有限,难以支撑斜爆轰发动机的研制.为了研究自持传播的斜爆轰激波结构与波面流动特性,基于爆轰驱动二级轻气炮开展了高速弹丸诱导斜爆轰实验研究,使用直径30 mm球头圆柱形弹丸发射进入充满氢/氧可燃混合气体的实验舱中以起爆斜爆轰波,并采用两种阴影技术对实验流动结构进行测量.实验中在不同速度、不同充气压力下观察到三种弹丸诱导激波结构,即激波诱导燃烧、弹丸起爆爆轰波和相对弹丸驻定的斜爆轰波,实验舱充气压力下降则会造成爆轰横波尺度增加与波面流动失稳.实验中,斜爆轰激波角与理论分析结果吻合较好,弹丸气动不稳定带来较大的弹丸攻角会对激波角测量带来一定偏差.通过对斜爆轰波波面法向传播速度的测量发现,随着远离弹丸,斜爆轰传播速度由弹丸飞行速度衰减至接近实验气体CJ速度,弹丸速度的降低会加速斜爆轰波传播速度的衰减.     

碳纤维/环氧树脂复合材料3.0～6.5 km/s超高速撞击成坑特性研究

为研究碳纤维/环氧树脂复合材料在超高速撞击下的成坑特性,利用二级轻气炮开展了直径为1.00~3.05 mm的铝球以3.0~6.5 km/s的速度正撞击尺寸为100 mm×100 mm×20 mm的碳纤维/环氧树脂复合材料靶板的实验,获得了碳纤维/环氧复合材料靶板的成坑形貌特征,并测量了坑深、成坑表面积、表面损伤面积等尺寸。结合文献数据分析了靶板的无量纲成坑深度p/d_p、无量纲坑径系数D_h/d_p、表面损伤面积等效直径D_e等随撞击速度、撞击能量的变化规律。结果表明:碳纤维/环氧树脂复合材料的无量纲成坑深度p/d_p和无量纲坑径系数D_h/d_p均与撞击速度呈2/3次幂关系;表面损伤面积等效直径D_e与弹丸撞击能量E呈幂函数关系;成坑深度大于成坑半径。     

基于微波干涉测速技术的二级轻气炮/火炮内弹道参数诊断

测量二级轻气炮/火炮弹丸在内弹道的速度历程,对轻气炮/火炮的设计、内弹道计算、弹道异常现象诊断分析具有重要作用。因为不同波长微波的传输特性在不同炮管中不同,不同目标的反射特性也不同,为获得最佳的测试结果,设计了两个波长的微波干涉测速系统。对二级轻气炮和高速火炮的内弹道速度进行了连续测量,并利用短时傅里叶变换与相位计算相结合的方法进行了数据处理。实验成功获取了完整的内弹道数据,所测弹丸炮口速度与光束遮断测速装置测试结果差异小于0.5%。通过对内弹道实验数据的分析,证实了二级轻气炮在某些装填条件下易出现碎弹现象。此外,首次观测到二级炮内弹道内前冲气体速度历史,可为研究高速气体的温度、压力、电离等状态提供数据支撑。     

高导无氧铜的临界冲击拉伸速度

基于气炮系统,提出了一种新的临界冲击拉伸速度实验方法。实验装置主要由2部分组成:气体炮系统驱动弹丸和弹丸击靶牵引多根拉伸杆试件。采用该实验方法对高导无氧铜进行了临界冲击拉伸速度实验。对于一维应力的临界冲击拉伸速度实验,探讨了一种完全热耦合的在颈缩区域计及塑性约束系数以及空穴增长与聚集效应的数值模拟方法。高导无氧铜的临界冲击拉伸速度实验的数值模拟结果表明,采用Zerilli-Armstrong本构关系预估的实验临界冲击拉伸速度比采用Johnson-Cook本构关系预估的更符合实验。     

一种电炮装置

本文介绍了一种电炮装置。用冲击大电流使铜箔爆炸并加速0.06mm厚的聚脂薄膜飞片,获得了最高速度约为4.5mm/μs的结果(飞行距离5mm处,飞片不平度约0.03μs)。在用电炮驱动飞片撞击黄铜靶板的实验中,观测到了黄铜靶板的层裂现象。