一種基于氣體炮加載技術和慣性拋射原理的水沖擊實驗裝置＊

劉顯軍，王小龍，李思忠，鐘衛洲，周本全

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽621999）

相對于火箭撬、電炮等加載設備，利用壓縮氣體作動力源的氣體炮［1－4］具有干凈、易實現等優點，應用越來越廣泛。隨著各種緩沖材料（如橡膠、泡沫鋁等）和緩沖器的開發利用［5－7］，高速負載的緩沖與回收技術也越來越成熟，使慣性拋射技術的應用越來越廣泛，如各種沖擊實驗設備、彈丸加載裝置等［8－9］。在水沖擊實驗［10－12］中，需要發射具有一定速度的規則形狀水柱，作為實驗件入水出水沖擊過程模擬的實驗條件。目前的水流發射裝置如水壓鑿巖機等［13－14］，都通過活塞推射的方式實現水流射出，速度與沖擊力可調節，但由于活塞作用到水面上的壓力不均勻，水柱形狀容易破壞，不符合水沖擊實驗的要求。

本文中基于氣體炮加載技術和慣性拋射原理，研制一套水沖擊實驗裝置，可實現規則形狀水柱按照設定速度發射，為各種水沖擊實驗提供技術手段。

1 裝置設計

1.1 裝置發射原理

該裝置在活塞推射技術的基礎上，設計一拋射筒取代活塞，將水柱裝在拋射筒內；利用氣體炮產生的動力加載拋射筒，達到設定速度時撞擊緩沖件得到減速，筒內水柱在慣性作用下飛出；根據一級氣體炮內彈道理論，可計算出水柱飛出速度。拋射筒材料采用高強度合金鋼，緩沖件材料采用橡膠，裝置在發射水柱后拋射筒可再次使用。

如圖1所示，裝置工作過程為以下4個步驟：（1）首先關閉閥門，拋射筒放置到位，并在氣室中充滿壓縮空氣；（2）打開閥門，氣室內壓縮空氣瞬間釋放，產生的壓力p將推動拋射筒（內裝待拋物）在炮管內加速；（3）當拋射筒完成加速后，將獲得一定的初速度v，并撞擊緩沖件；（4）拋射筒受緩沖作用減速停下，最后待拋物在慣性的作用下以速度v0（略小于v）發射出去。

根據一級氣體炮的內彈道理論［1］，不考慮各種摩擦與損耗時，拋射筒獲得的速度

圖1 基于氣體炮加載技術的慣性拋射原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of inertia projecting based on load technology of gas gun

基于上述慣性拋射原理來實現規則水柱的發射，利用流體模擬軟件FLUENT進行模擬。如圖2所示，拋射筒（內裝水）以35 m/s的速度向上運動，某時刻迅速回收拋射筒，使其在短距離內速度降為零，水柱因慣性作用飛出，出筒速度大于30 m/s、水柱形狀保持較好。模擬結果表明，慣性拋射方式可實現規則形狀水柱的發射。

圖2 水柱慣性拋射的模擬分析結果Fig.2 Simulation analysis of ejecting water column by inertia effect

1.2 裝置結構組成

裝置總體結構如圖3所示，主要由氣室、活塞、炮管、拋射筒、緩沖件、限位環等組成。氣室中充滿壓縮空氣，活塞打開以后，氣體瞬間釋放產生的動力推動拋射筒在炮管內運動，獲得一定速度后撞擊緩沖件減速，拋射筒內水在慣性作用下飛出，從而實現規則形狀水柱的發射。

氣室分為前、后2個腔，前腔用于充壓縮氣體，后腔給活塞提供運動空間。

活塞由活塞桿和密封錐2部分組成，活塞桿在氣室后腔運動，密封錐采用銅材料、可壓緊氣室前腔放氣口。

為了拆裝方便，炮管由炮管口和炮管座2部分組成；炮管口周壁上開有條形槽，可及時排放發射過程中釋放的空氣。

拋射筒由薄壁圓筒和撞擊盤組成，連接部位局部加厚，可提高強度。

緩沖墊安裝于炮管口處，環向安裝間隙大于緩沖墊厚度，以提供膨脹空間。

限位環采用銅材料，可在不碰傷拋射筒的前提下起導向作用。

圖3 水沖擊實驗裝置結構Fig.3 Structure of device for ejecting water

1.3 拋射筒沖擊與緩沖分析

設拋射筒尺寸為直徑200 mm、長1 m，裝滿水后總質量約為100 kg，經氣體炮加載后獲得的速度為35 m/s，根據動能定理，拋射筒撞擊緩沖墊的總能量為61.25 kJ。拋射筒材料采用高強度合金（如30Cr MnSiA），緩沖墊材料采用丁基橡膠，通過有限元模擬分析得到，如圖4所示：拋射筒壁、盤連接根部的應力最大（676 MPa），在材料的允許范圍內（30Cr MnSi A材料的屈服應力可達800 MPa以上），這說明拋射筒未發生塑性破壞、下次實驗可再次使用；緩沖墊最大壓縮量約為62 mm，屬于彈性變形，壓縮后將恢復變形；炮管的螺栓連接處應力最大（約390MPa），一般的中等強度材料即可滿足；炮管口和炮管座的連接螺栓應力最大約660MPa，8.9級強度螺栓可滿足連接要求。

1.4 拋射筒發射速度測試

采用一種非接觸式的光電測速方法，如圖5所示，2對光纖傳感器（每1對包括1個發射器、1個接收器）相距L，拋射筒運動過程中依次通過2對傳感器并擋住光線，從傳感器信號中讀取光線被遮擋的時刻t1、t2，則拋射筒速度為v＝L/（t1－t2）。該測速方法易于控制、測試精度高，不受水環境影響。

圖5 拋射筒發射速度的非接觸式測量方法Fig.5 Uncontacted method for measuring speed of projecting cylinder

2 實驗結果

根據上述設計，研制了一套水沖擊實驗裝置，主要技術指標為：

（1）裝置重約3.5 t，高約3 m；

（2）可發射水柱尺寸為?200 mm×1 m；

（3）水柱發射速度可達40 m/s，速度測量精度可達0.01 m。

采用該裝置開展了實驗，實現了尺寸為?200 mm×1 m水柱的發射，如圖6所示，水柱出筒時形狀較好，噴出的水柱可以用作各種結構件的水沖擊實驗，水柱發射后拋射筒后保持完好。在氣室壓力為1.0 MPa時，開展發射實驗，通過非接觸式測量方法［15］測定拋射筒獲得的速度為30.15 m/s，而利用式（1）計算得到的速度為32 m/s，實際值與理論值比較接近，誤差是由于式（1）沒有考慮各種摩擦與損耗；實驗時設定不同的氣室壓力，即可獲得拋射筒不同的加載速度，從而得到水柱發射的設定速度。

圖6 慣性拋射裝置的水柱發射實驗Fig.6 Photo of device for ejecting water column

3 結 語

基于氣體炮加載技術和慣性拋射原理，研制了可實現規則形狀水柱按照設定速度發射的拋射裝置。該裝置利用氣體炮動力加載裝有水的拋射筒，達到設定速度時撞擊緩沖件得到減速，筒內水柱在慣性作用下飛出；拋射筒材料采用高強度合金鋼，緩沖件材料采用橡膠，在水柱發射后拋射筒可再次使用。采用該裝置開展了尺寸為?200 mm×1 m水柱的發射實驗，水柱速度與形狀均滿足水沖擊實驗的要求；采用非接觸的光電測速方法測量了發射速度，與理論計算結果相符合。

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