混凝土房屋结构靶的超高速撞击特性研究

为了研究动能武器对混凝土类目标的毁伤效果,采用试验和数值仿真手段,对钨合金弹丸超高速撞击混凝土房屋结构靶进行了研究,探讨了混凝土房屋结构靶在超高速撞击条件下的毁伤特点。试验所用的钨合金弹丸重35g,长径比为5,撞击速度2．5km/s;混凝土房屋结构靶抗压强度34．4MPa。研究发现：在开展的试验条件下,房屋结构靶顶层板和底层板被穿透,未发生解体破坏;靶体中加筋对靶体的穿孔大小及结构破坏没有明显的降低作用;速度2．5km/s的弹丸经撞击40mm厚混凝土板后的速度降到2．0～2．3km/s 范围内;弹丸超高速撞击混凝土房屋结构顶层板形成的碎片云速度较高,部分碎片对人员具有较强的杀伤效果,该部分碎片的扩张角为23＆#176;,在底层板上的分布范围大于穿孔大小。     

充水压力容器超高速撞击特性试验与仿真研究

通过试验和数值仿真研究铝球以约2．5 km/s的速度撞击球形充水压力容器的撞击特性,容器为先充约80％的水再充2．0MPa氮气的球形不锈钢压力容器。结果表明：超高速撞击充水压力容器的主要损伤为穿孔和爆裂;铝球撞击穿透容器后在水中减速明显,未对容器后壁造成明显损伤;压力容器的工作压力相同时,在相近的撞击参数下,设计压力小的压力容器更易发生爆裂。研究结果可为在轨航天器上的压力容器设计和空间碎片防护提供参考。     

高超声速球模型尾迹电子密度试验研究

在中国空气动力研究与发展中心超高速所弹道靶上利用电子密度测量系统进行了高超声速钢球模型、铜球模型尾迹电子密度测量。电子密度测量系统由8mm微波干涉仪系统、开式微波谐振腔测量系统和闭式微波谐振腔测量系统组成。钢球模型直径φ10mm,速度分别为5．8、5．5、5．6和5．5km／s,对应的飞行环境压力分别为2．79、5．32、5．85和10．91kPa。铜球模型直径φ10mm,速度分别为5．6、5．6、5．7和5．5km／s,对应的飞行环境压力分别为1．33、4．79、5．89和10．91kPa。结果表明：（1）在压力5．3～11kPa范围内、速度约5．5km／s试验条件下,压力越高,钢球模型的尾迹电子密度相应增大,电子密度的衰减速度较快;（2）在压力1．3～6kPa范围内、速度约5．6km／s试验条件下,压力越高,铜球模型的尾迹电子密度相应增大,电子密度的衰减速度较慢;（3）在压力约10．7kPa、速度5．5km／s试验条件下,铜球模型的尾迹电子密度衰减速度比钢球模型慢得多。     

不同组织状态TC4合金靶材损伤行为的研究

采用直径为4mm的CoCr15钢珠作为弹丸对两种不同组织状态的TCA合金进行撞击试验，撞击速度为1．5km／s；观察撞击后不同厚度靶材的宏观损伤及微观损伤行为。结果表明：靶材的组织状态对靶材的宏观损伤行为有很大的影响；时效处理态的组织具有更高的绝热剪切敏感性，在中厚靶发生了绝热冲塞；退火态中厚靶的背面则发生了凸起。各种靶材的微观损伤形式基本相同，在弹坑附近出现了大量的绝热剪切带；微孔洞在绝热剪切带内形核、长大并连结成为裂纹。     

200m自由飞弹道靶升级改造

200m自由飞弹道靶是国内唯一一座具备开展气动力、气动物理、材料抗粒子云侵蚀及超高速碰撞等地面试验研究的综合性弹道靶设备。为满足高超声速飞行器发展的进一步需求,2009年起气动中心对200m 自由飞弹道靶进行了升级改造,升级设备包括发射器系统、靶室/真空系统、测控系统、模型姿态测量系统等。改造后的发射器系统将新增203mm和120mm口径二级轻气炮,具备0．5～30kg模型发射速度0．3～5km/s 的发射能力;靶室由原来的Ф1．5m洞体升级至Ф3m洞体,同时配备新的真空设备,实现0～80km高度模拟;测控系统将扩大测试视场以满足大模型测控需要;模型姿态测量系统除阴/纹影照相系统外,还将新增双目前光成像定位系统、脉冲X射线成像测量系统等测试设备。改造后的200m自由飞弹道靶将成为大中小口径发射器配套齐全,兼具气动力特性、材料抗粒子云侵蚀、高速/超高速碰撞等试验能力的综合性弹道靶设备。     

冲击压缩下甲烷的状态参数实验研究

为了研究冲击压缩下用作电探针保护介质的甲烷气体状态参数，用二级轻气炮加载方法加速平面钨合金片到4．77km/s、4．89km/s和5．05km/s，撞击封装有甲烷气体的铝靶。采用六通道瞬态光学高温计系统记录下甲烷气体的高温辐亮度历史，拟合出甲烷的表现辐亮度温度。给出了对应飞征速度下初始压力为0．12MPa的甲烷气体的冲击压缩参数。实验分析表明，强冲击波压缩下的甲烷波后温升较小，冲击波后的气体存在非平衡热辐射过程和非平衡化学反应区。分析认为，甲烷气体是优越的电探针保护气体。     

超高速碰撞碎片云的四序列激光阴影照相

为研究超高速碰撞过程中所产生碎片云的特性,在中国空气动力研究与发展中心超高速所碰撞靶上发展了四序列激光阴影照相系统。该系统由YAG激光光源、阴影仪、成像系统和控制系统组成,在采用多光源空间分离、偏振分光、光束角放大、补偿式滤光等技术后,获得了撞击速度 v=4．6km／s时碎片云的四序列阴影照片。笔者对该系统的工作原理、调试情况及试验结果进行了介绍。调试及试验结果表明：（1）该系统可以获得最小间隔为1μs、曝光时间为10ns的4个不同时刻的超高速碰撞碎片云图像,满足碰撞试验中对碎片云照相的要求;（2）该技术可以发展为更多序列激光阴影照相系统,并应用于其它超高速瞬态过程的测量显示。     

冰粒超高速撞击蜂窝板的数值模拟研究

随着人类航天活动日益增多,空间碎片环境逐渐恶化,对航天器在轨安全运行造成严重威胁,各国学者开展了空间碎片超高速撞击数值模拟研究。目前的研究中一般采用铝弹丸代替空间碎片,但是还有部分空间碎片的密度接近冰的密度,对于冰粒的超高速撞击研究还很少且不透彻。蜂窝板是构成航天器舱壁的主要结构,对航天器内部设备起到保护作用,有必要开展冰粒超高速撞击时对蜂窝板损伤情况的相关研究工作。本文对冰粒超高速撞击蜂窝板开展数值模拟研究,研究冰粒对蜂窝板的损伤情况。研究结果表明,冰粒在一定条件下能够击穿蜂窝板,大量冰粒碎片和蜂窝板碎片将从蜂窝板背面的孔洞中高速冲出,势必对航天器内部设备造成毁伤;在冰粒动能相差不大的情况下,冰粒尺寸和蜂窝板结构将成为影响冰粒撞击效果的主要因素,直径较大的冰粒对蜂窝板的损伤程度较严重。     

超高速高焓流动研究进展

本文介绍了中国科学院高温气体动力学重点实验室在超高速高焓流动模拟技术和试验方法方面取得的研究进展.文章主要包括三部分研究内容:第一部分是关于发展先进的超高速试验模拟技术,包括爆轰驱动高焓激波风洞和爆轰驱动高焓膨胀管.高焓激波风洞产生的超高速气流速度的范围是3.5km/s～6.0km/s,高焓膨胀管能够模拟速度为6.5km/s～10km/s的超高速气流.第二部分介绍高焓激波风洞喷管流场诊断结果,用来检验喷管产生的超高速流场的流场品质及其与飞行条件的差异.第三部分是关于超高速流动的试验方法和数值技术研究,包括高焓流动中真实气体效应对飞行器俯仰力矩变化的影响;热化学反应流动中表面催化效应诱导的气动热变化规律;喷管流场的气流非平衡效应对试验结果可能产生的影响.     

飞机加强蒙皮在12．7mm弹丸撞击下的损伤

为了研究飞机蒙皮在12．7mm标准机枪弹丸射击下的损伤，对3mm厚LY12-CZ材料的单蒙皮及其加筋板在实验室进行了模拟弹击试验．通过试验研究，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被建立并有效的用于本文的弹丸正撞击试验。通过对四边固支的3mm厚蒙皮用12．7mm直径弹丸进行从速度从约60到300m／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着弹丸速度的增大而呈幂指数趋势下降；弹击引起的变形深度随弹丸撞击速度增加而呈直线下降：靶板上的应变随弹丸速度增加而呈渐进降低。弹丸的剩余速度随弹丸撞击速度增加而呈直线上升．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．     

N型防护结构的试验与仿真研究

在不增加空间碎片防护结构整体尺寸和质量的情况下,基于防护结构在斜撞击条件下弹道极限高于正撞击条件下弹道极限的特性,研究了一种将3层平行铝板结构的中间层进行倾斜的N 型防护结构,采用超高速碰撞试验和三维SP H 数值仿真方法,定量对比了N型防护结构与相同面密度3层平行铝板结构的防护性能。研究结果初步证实,在正撞击情况下,倾斜的中间层具有提升结构防护性能的作用。     

铝-铝超高速碰撞闪光现象的初步实验测量

 为了研究不同碰撞参数条件下超高速碰撞闪光的特点及闪光温度的变化规律,构建了高温计及附属实验测量系统平台,利用该平台进行了超高速碰撞闪光的初步测量。根据Planck辐射的基本理论,对每次实验的碰撞闪光强度进行了4种波长的采集并对温度进行了拟合计算,得到了碰撞闪光温度历史。实验结果表明：对于弹丸、靶板材料均为LY12铝而言,碰撞角度（与靶板平面夹角）相同、碰撞速度在5.35~5.97 km/s范围内时,碰撞速度对碰撞闪光温度影响不明显;然而,碰撞速度相近,碰撞角度越大,碰撞闪光温度越高。     

薄壁管壳高速正撞击穿孔特性的数值研究

受径向曲率的影响,薄壁管壳遭受高速弹丸撞击产生的局部穿孔毁伤与薄板结构并不相同。本文利用LS-DYNA3D动力学程序,采用光滑粒子流体动力学和有限元法相耦合的方法(SPH-FEM),对球形弹丸高速正撞击不同直径薄壁钢管的穿孔毁伤特性进行数值研究。根据小弹丸高速撞击薄板的物理力学性质,可把穿孔过程简化为初始流动扩孔和随后的惯性扩孔两个阶段,提出一种圆柱管壳高速正撞击穿孔的简化物理模型,并分析圆管直径对轴向孔径和径向孔径尺寸差值比的影响。数值模拟结果表明,撞击速度为2~3 km/s时,薄壁钢管的正撞击穿孔略呈椭圆状,其轴向孔径尺寸稍大于径向孔径尺寸;随着薄壁钢管直径的增加,两个方向的孔径尺寸差值比减小。另外,薄壁钢管遭受小弹丸撞击穿孔后产生碎片云的分布形态受径向直径影响明显,相同撞击条件时,钢管直径越大,则产生碎片云的膨胀角和残余速度也较大。     

亚毫米级弹丸光电探测技术

本文在片光遮挡式弹丸探测技术基础上发展了光电阵列探测亚毫米级弹丸技术,论述了光电阵列探测亚毫米弹丸的技术原理,详细介绍了光电阵列探测系统的探测光路和探测电路设计方案,研制了光电阵列探测系统的动态试验验证装置。在超高速碰撞靶上开展了动态验证试验,试验结果表明,采用光电阵列探测技术,大幅提高了弹丸信号的信噪比,能够可靠探测直径为0．6mm 的高速弹丸,通过分析表明该技术能可靠应用于直径为0．1mm高速弹丸的探测。     

多序列激光阴影成像技术研究及应用

为获取超高速碰撞过程中弹丸的飞行姿态及碰撞所产生的碎片云特性,开展了多序列激光阴影成像技术研究。利用多光源空间分离、偏振分光、光束角放大和补偿滤光等技术解决了单色光带来的衍射和干涉噪声以及碰撞瞬间强烈的自发光干扰问题,并先后在碰撞靶上建立了2序列、4序列和8序列激光阴影成像系统。该系统可以获得最小间隔1μs、曝光时间10ns、像素1000万的多个不同时刻的超高速瞬态变化过程图像,并在超高速碰撞靶试验中得到应用,获得了2～7km/s 撞击速度时碎片云的多序列阴影图像,该序列图像清晰地描述了碎片云的轮廓发展变化过程。该技术以低成本的方式实现了超高速摄影机的功能,满足目前碰撞试验粒子的飞行姿态及碎片云显示需要,并可以应用于其它超高速瞬态过程测量及流场结构显示。     

High-velocity impact responses of 2618 aluminum plates for engine containment systems under combined actions of projectile form and oblique angle

Ballistic impact tests were carried out with examined projectiles of the Ti-6Al-4V titanium alloy to investigate the impact response of the 2618 aluminum plates at a nominal velocity of 210 m/s. The influence of projectile forms and oblique angles on damage formation was particularly discussed by applying different loading conditions such as multiple projectile forms and oblique angles. Additionally, the numerical simulation method was employed to provide further insight into the characteristics of damage and target responses. The Johnson-Cook(J-C)constitutive model with revised failure parameters was used to support the simulations to assess target responses and characteristics of the damage created from different impact conditions. Results show that there is a significant transition in the deformation mode as changes of the projectile form are applied. Moreover, the cracks on the back of the 2618 aluminum alloy plates impacted by the solid plate projectile and the hollow blade projectile tend to locate at different positions, which are supposed to be influenced by local bending and stretching. The work in this paper may provide guidance for the design of fan blade containment systems.