12MPa超压冲击波试验.pdf

1 2 M P a 超压冲击波试验12MPa 超压冲击波试验 平新红1 ，柳森2 ，黄谦2 ( 1 ．国防科技大学航天与材料工程学院，湖南长沙4 1 0 0 7 3 )( 2 ．中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳6 2 2 6 6 3 )摘要：通过改造中国空气动力研究与发展中心的2 0 0 m 自由飞弹道靶3 7 m m 二级轻气炮，利用二级轻气炮火药 室产生的高温高压火药气体在压缩管中产生的高强激波，配以专门研制的过渡锥段和消波室，解决了在直径 巾4 5 0 m m 活门面大于1 2 M P a 冲击波形成问题，并对两种高抗力防爆波活门组合体及消波系统进行了试验，取 得了良好的效果，拓宽了二级轻气炮轻气炮的应用范围O 引言 1 2 M P a 超压冲击波试验的主要内容是建立一个端面直径大于4 5 0 m m 、反射超压超过1 2 M P a的试验装置和相应的试验方法，为两种高抗力防爆波活门组合体及消波系统提供试验环境， 为建立活门及消波系统设计提供依据 试验的难点在于如何在直径4 5 0 r i o n 的端面上获得1 2 M P a 以上超压国内目前还没有内径 达到4 5 0 r a m 的高压激波管，重新设计一座内径4 5 0 r a m 的常规高压激波管的费用和时间进度都 是难以接受的。

经过分析，决定改造2 0 0 m 自由飞弹道靶3 7 r a m 二级轻气炮，使其具有大口径高压激波管 的试验能力改造中利用二级轻气炮火药室作为驱动段，利用二级轻气炮的第一节压缩管作 为激波管的被驱动段但由于3 7 r a m 二级轻气炮的压缩管内径只有1 3 0 r a m ，因此在第一节压缩 管出口处，外接专门研制的过渡锥段、活门底座和消波室过渡锥段入口直径1 3 0 m m ，出口直 径4 5 0 r a m ，活门底座端面上布置试验件和试验件构成的试验平面试验中通过调整3 7 r a m 二级轻 气炮火药室的火药量、火药室和压缩管间的高压膜片厚度，使活门迎风面处反射超压达1 2 ～ 1 5 M P a ，达到了预期的试验要求1 试验装置Ⅲ 试验装置由3 7 r a m 二级轻气炮的火药室、第一节压缩管，新研制的过渡锥段、活门底座、 消波室，以及第二、三、四节压缩管构成的消波系统组成( 其中第1 、2 、6 为原3 7 r a m 二级轻 气炮的部件) ，总长约3 0 m ( 图1 ) 火药室和第一节压缩管是厚壁圆筒件，火药室内径2 2 0 r a m ，压缩管内径1 3 0 m ，二者均可 受承2 0 0 M P a 的工作压力，作为试验系统中的激波管之用。

过渡锥段是系统中的关键部件，其 作用是将来自压缩管的超高压气流扩张膨胀至直径4 5 0 r a m 的平面上，设计压力为3 0 M P a ，入口 和出口的内径尺寸分别为由1 3 0 和由4 5 0 ，内膛锥度定为8 为了使锥段的强度达到设计指 标，本体用4 5 钢锻件材料制造根据制造工艺，该件分成两段设计，总长1 ．1 5 5 m 活门底座 工作面直径4 5 0 r a m ，4 个试验活门中心均布在直径2 5 4 m m 的圆周上消波室和第二、三、四节 压缩管的功能是收集通过活门和活门底座进入的废气2 测量系统 测量系统主要由9 个压力传感器、9 台电荷放大器和数采系统组成其中压力传感器采用 的是压电式压力传感器，最大量程为I O O M P a 为了监测试验过程和对试验结果进行分析，试验装置上布置了压力测点和关门时间测点 压力测点布置见图2 、图3 压力测点： ( 1 ) 火药室压力P 0 测点在火药室壁上，压缩管入射压力P l 测点在离压缩管入口端0 ．4 m处： ( 2 ) 活门试验段入射压力P 2 测点在压缩管靠近过渡锥段的一侧端头； ( 3 ) 活门试验段反射压力P 3 、P 4 、P 5 三点的分布是P 3 测点在活门底座中心位置，P 4 和 P 5 两点在活门试件中心位置处； ( 4 ) 消波室压力P 6 、P 7 、P 8 、P 9 四点均在消波室壁上。

第十一届全国激波与激波管学术会议 一———————————————————————————- —————————_ ——————————_ —————- ———————————————————————————————————_ —●——_ ————————————一需要说明的是上述P 1 、P 2 、P 3 、P 4 、P 5 、P 6 、P 7 、P 8 、P 9 的名称表示各个测点的压力， 而非激波管试验中通常所称的P l 、P 2 、P 3 、P 4 、P 5 等 关门时间测点：考虑到气流冲刷的影响，活门关门时间测点均布置在活门的背面3 试验状态⋯本项试验条件和要求是： a ．作用在活门上的反射压力必须达到1 2 ～1 5 M P a ：b ．试验系统内腔在试验前为常压；C ．测量活门迎风面、消波室内在试验过程中的压力，测量活门运动部件的结构变形量4 试验原理1 2 M P a 超压冲击波试验是利用火药燃烧生成的高温高压火药气体在压缩管中膨胀作功后 产生的高强激波进行试验的试验前压缩管和消波系统内为常压空气，随着火药室内的火药 燃烧气体的不断生成，压力随之增高，这时火药是在定容情况下燃烧，其燃烧室内的压力P 、 温度瑚铂气体比容矿的函数关系可用真实气体状态方程描述。

当火药室压力达到破膜压力时，材质为1 C r l 8 N i 9 T i 的四瓣膜片破开，于是火药气体迅速 进入压缩管，在压缩管的空气中产生高强激波，激波通过压缩管进入锥段，在活门处反射压 力达1 2 M P a 以上活门在高强激波作用下迅速关闭，布置在各测试点的测试传感器和仪器进 行数据采集，完成试验 试验时有大量的火药气体被封在活门前( 这是活门功能的效果，也是试验所希望的) 由 于活门不能完全密封住高温高压气体，会有部分气体进入消波室和下游的压缩管内，所以试 验后必须利用放气装置将火药气体排入大气5 调试试验 为了满足试验条件，使活门上的反射压力达到1 2 ～1 5 M P a ，在正式试验前进行了试验系 统的性能调试试验，考核设备的结构强度以及检测测试方法的可行性调试试验中重点解决以下几个问题： ( 1 ) 由4 5 0 舢活门迎风面大于12 M P a 冲击波的形成 基于试验原理，活门迎风面的冲击波形成主要受三个因素的影响，包括火药装填量∞、 破膜压力P B 、自膜片起到活门的距离L C 通过调整火药装填量∞和膜片的槽底厚6 ，可以有 效地控制膜片的破膜压力P B 和入射压力P l 、P 2 ，从而达到控制活门迎风面冲击波的大小的目的。

调试过程中，火药室内的最大压力峰值达到了5 2 M P a ，压缩管中的最大压力峰值达到了 5 0 M P a ，活门上的最大压力峰值在1 5 M P a 以上下表给出了调试试验中部分试验的调试参量 ( 2 ) 保证试验状态下流场的重复性 试验中发现，在装药量相同的情况下，当破膜压力P B 与膜片的槽底厚6 相等时，活门底 座上的压力P 3 、P 4 、P 5 有很好的可控性和重复性 ( 3 ) 防冲击波活门上所受冲击波压力确定 活门方案一上的冲击波压力是在活门上安装传感器直接测量 由于活门方案二上不能安装传感器，因此在系统性能调试实验时，在活门底座中心设置 一个压力测点P 3 ，在安装活门处安装两平板，平板的中心点设置两个压力测点P 4 、P 5 ( 见图 3 ) 调试中测试出当活门处压力P 4 、P 5 达到1 2 肝a ～1 5 M P a 时的P 0 、P 2 、P 3 、P 4 、P 5 点压 力正式试验时监测P 0 、P 2 和P 3 测点压力，如果测得的值与调试时的值相近，则认为活门 处的压力值等于调试时测得的P 4 、P 5 点压力值 图4 给出了状态调试时试验序号为F B M 0 2 9 的P 3 、P 4 、P 5 测点压力波形图，图中右边图 形为左边的局部放大图。

四个活门靠近活门底座中心一侧受压变形显著，所以活塞关闭后被卡在活塞筒内，弹簧、吸能圈也均变形在活塞车小I m m 增大与活塞筒的间隙后，活门还是不白匕l l l ' , 完全自动打开 活门方案二的工作性能良好，在1 2 ’- - 1 5 M P a 的反射超压下能迅速关闭，在高强激波过去 后能自动打开该活门初次试验时，四个活门全部胀死，钢垫变形严重，后经更换材质、增 大钢垫厚度，并将四个活塞颈部直径车小，活门的减震吸能效果完全满足试验要求，而且每 组吸能圈和钢垫可重复使用图5 和图6 是在序号为3 1 、3 5 试验中获得的消波室压力曲线，可以看出活门方案一消波 室内的压力要低一些，说明活门方案一的消波性能比活门方案二好6 结论1 ．采取适当的技术措施，可以将二级轻气炮的火药室和压缩管改为激波管使用，并可以 在端面直径4 5 0 m m 的区域上获得最大反射超压大于1 2 M P a 的冲击试验 2 ．通过本次试验，成功地拓展了我部2 0 0 m 自由飞弹道靶3 7 r a m 二级轻气炮的工程应用范 围，为今后的研究工作打下了基础致谢本项试验得到了总参工程兵第四设计研究院高洪生、杨海平等同志的关心和支持，同时 还得到了中国气动力研究与发展中心超高速气动力研究所激波管和激波风洞研究室刘伟雄， 以及弹道靶研究室杨贵山、王宝义、简和祥、刘小龙等参试同志们的大力协助，在此表示衷心的感谢。

参考文献[ 1 ] 平新红．高抗力防爆波活门组合体及消波系统试验大纲．四川：中国气动力研究与发展中心超高速气动力研究所，1 9 9 8 ．[ 2 ] 平新红．柳森．黄谦．高抗力防爆波活门组合体及消波系统试验报告．四川：中国气动力研究与发展中心超高速气动力研究所，1 9 9 9 ．表部分调试试验的调试参量火药装填量膜片槽底厚药窒压力峰值入射压力反射压力反射压力试验序号∞( k g )6 ( 栅)P m ( 1 l P a )P 2 ( M P a )P 3 ( M P a )P 4 和P 5 ( M P a )F B M —0 31 ．52 ．7 82 2 ．4l O ．0F B M - 0 42 ．53 ．5 34 3 ．21 1 ．0F B M - 0 53 ．03 ．9 95 1 ．21 3 ．6F B M —0 63 ．54 ．5 07 4 ．41 5 ．0F B M - 0 73 ．03 ．9 l5 2 ．01 5 ．2F B M - 0 1 31 ．52 ．6 32 6 ．41 6 ．O1 1 ．6 0F B M ．一0 1 72 ．23 ．95 0 ．02 4 ．3 41 2 ．7 4F B M - 0 1 82 ．24 ．O2 1 ．1 71 3 ．1 5F B M 一0 1 92 ．54 ．O5 2 ．9 52 5 ．91 5 ．2 8F B i I - 0 2 12 ．23 ．9 l4 9 ．8 71 8 ．0 l1 5 ．1 4F B M - 0 2 81 ．83 ．2 83 4 ．71 1 ．81 2 ．8F B M - 0 2 91 ．83 ．2 53 4 ．51 1 1 ．71 2 ．8F B M —0 3 l1 ．83 ．2 83 2 ．81 4 ．7 9F B M - 0 3 21 ．83 ．2 93 5 ．71 3 ．5F B M - 0 3 31 ．83 ．2 63 6 ．31 3 ．6F B M - 0 3 41 ．83 ．33 5 ．91 4 ．69 1一第十一届全国激波与激波管学术会议 ——————————————————————————————————————————————————————一一一1 火药室2 第1 节压缩管3 锥段4 活门底座5 消波室6 第2 、3 、4 、节压缩管 图l1 2 M P a 超压冲击波试验装置简图图2 活门方案1 试验测点布置图图3 活门方案2 试验测。