仵 可， 朱玉榮， 錢秉文， 李 進， 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)簡單和性能可靠的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于化工安全閥門[1]、航天發(fā)動機[2]和二級輕氣炮[3]等設(shè)備中。二級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動的歷程。準確測量此類金屬膜片在發(fā)射過程中的破裂壓力，是二級輕氣炮內(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算方法，提出基于球形變形假設(shè)的經(jīng)驗公式。1989年，我國根據(jù)國際標準ISO 6718-1985，制訂了第一部爆破片技術(shù)專業(yè)標準《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，不適用于球形變形假設(shè)，難以從理論上分析破裂壓力，必須開展實驗測量。

1 測量方案

實驗室常用的二級輕氣炮基本結(jié)構(gòu)通常包括氣室(對于一級火藥驅(qū)動的輕氣炮則為火藥室)、錐閥(對于一級火藥驅(qū)動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。二級輕氣炮發(fā)射時，錐閥快速打開，一級氣室中高壓氣體推動活塞向泵管一側(cè)運動，不斷壓縮泵管中的輕質(zhì)氣體(氫氣或氦氣)，當(dāng)泵管中氣壓達到破膜壓力時，金屬膜片發(fā)生破裂迅速開啟，高壓輕質(zhì)氣體推動彈丸沿發(fā)射管快速運動。

金屬膜片在發(fā)射過程中的破裂壓力，即金屬膜片破裂時高壓氣室尾端的氣壓，其測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間的變化關(guān)系后，判讀出金屬膜片破裂時刻對應(yīng)的壓力值，即為破膜壓力。

該測量實驗的難點在于，活塞運動持續(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，無法僅從壓力信號的特征上判斷出金屬膜片破裂的準確時刻，需采用其他測試方法確認破膜時刻。圖2為本文提出的測量實驗的基本思路，即利用壓力傳感器與高速攝像機同步監(jiān)測金屬膜片在二級輕氣炮內(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確時刻，該時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，因此必須對傳統(tǒng)的二級輕氣炮金屬膜片的夾持方式進行改造。圖3(b)為改造后的膜片夾持方式。由圖3(b)可見：新結(jié)構(gòu)在高壓氣室和金屬膜片之間加入了錐段延長機構(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，破裂壓力一般高達數(shù)十兆帕甚至數(shù)百兆帕，大氣壓力對金屬膜片破裂壓力造成的影響可忽略不計。由于沒有發(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直接沖入空氣中，發(fā)射過程結(jié)束，此時記錄金屬膜片破裂時刻的圖像和錐段壓力信號的工作已完成，因此，拆除發(fā)射管并不影響實驗的準確性。

由于金屬膜片破裂的初始時刻裂紋較小，難以觀測，在金屬膜片的背壓側(cè)粘貼一張小反光紙作為標記。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并形成射流將反光紙吹開，這一過程的可辨識度比初始裂紋更高，對金屬膜片開始破裂時刻的判斷也更準確。

以上設(shè)計解決了壓力傳感器布設(shè)和破膜時刻準確判斷2個難點，實現(xiàn)了在二級輕氣炮發(fā)射過程中準確測量破膜壓力的目標。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。

2 實驗設(shè)計及結(jié)果

實驗在Φ57-10 mm口徑(一級泵管口徑為57 mm，二級發(fā)射管口徑為10 mm)的輕氣炮上開展。圖4為實驗過程中選用的金屬膜片材質(zhì)為304不銹鋼。由圖4可見，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。 實驗分為2組進行：第1組利用圖3(b)所示結(jié)構(gòu)進行測量實驗，獲取金屬膜片準確的破裂壓力；第2組作為對照，進行一般的帶彈發(fā)射實驗，用于分析與測量實驗的差別。對照實驗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，對照試驗保留了發(fā)射管與彈丸，2組實驗發(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)的同時給出一個信號用以觸發(fā)高速相機，高速相機幀率設(shè)置為每秒1.5×105幀，快門時間為1 μs。

在測量實驗中，高速相機拍攝金屬膜片承受載荷畫面時，觸發(fā)時刻記為0時刻，0時刻之前幀數(shù)記為負幀數(shù)，0時刻之后幀數(shù)記為正幀數(shù)。高速相機拍攝到金屬膜片承受載荷的畫面，如圖6所示。

由圖6可見：在第-94 幀圖像中，金屬膜片為初始狀態(tài)，從拍攝開始至此時刻，金屬膜片沒有發(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)動反光紙運動，此時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展。根據(jù)相機幀率設(shè)置，每幀時間間隔為6.67 μs，第8 幀位于高速攝像機觸發(fā)時刻后54 μs，即金屬膜片破裂的準確時刻。

測量實驗及帶彈對照實驗壓力p隨時間t的變化關(guān)系，如圖7所示。

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

3 分析與討論

由圖7可見，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，可認定測量結(jié)果真實有效，測量實驗的設(shè)計未對真實內(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。隨著活塞運動速度的提升，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：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展到金屬膜片邊緣，金屬膜片形成獨立的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，變形過程終止，氣流通道開啟到最大狀態(tài)。

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

二級輕氣炮內(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)測量實驗結(jié)果，金屬膜片從完全破裂到形成最大開口的時間很短，但從開始破裂到完全破裂的時間仍較長。因此在今后的金屬膜片設(shè)計工作中，進一步縮短裂紋擴展的時間是一個重要的優(yōu)化方向。

在運動的前段，二級輕氣炮的彈丸具有較大的加速度，中后段加速度逐漸減小，中后段運動時間越長，平均速度越接近彈丸最終發(fā)射速度。本實驗中，彈丸的平均彈速為2.33×103m·s-1，利用激光測速設(shè)備實際測得彈丸最終速度為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，對照實驗中彈丸開始運動后，壓力快速到達峰值，然后逐漸下降，不能持續(xù)保持高壓，導(dǎo)致彈丸在運動的中后段加速度較小。對于二級輕氣炮，提高彈速的一個重要途徑是保持長時間的彈底高壓，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，就可有效提高二級輕氣炮的發(fā)射能力。目前，國內(nèi)外在這一方面的研究已有一些進展，主要使用多活塞[6]或動態(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)進行時間關(guān)聯(lián)測定二級輕氣炮內(nèi)彈道中金屬膜片破裂壓力的方法，并在Φ57-10 mm口徑的二級輕氣炮上進行了實驗，測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，測量實驗與傳統(tǒng)帶彈對照實驗結(jié)果吻合，表明結(jié)果可信。同時獲得了金屬膜片破裂過程的物理圖像與高壓段載荷曲線，由此進一步對二級輕氣炮內(nèi)彈道中膜片破裂行為與彈丸運動過程進行分析，并給出了提升二級輕氣炮發(fā)射能力的建議。