充水压力容器超高速撞击特性试验与仿真研究

柯发伟，周智炫，黄 洁

（中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳 621000）

充水压力容器超高速撞击特性试验与仿真研究

柯发伟，周智炫，黄 洁

（中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳 621000）

通过试验和数值仿真研究铝球以约2.5km／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2.0 MPa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。

充水压力容器；超高速撞击；风洞试验；数值仿真

0 引 言

航天器上的压力容器主要用于储存航天器上所需的液体和高压气体，是航天器的重要部件。压力容器通常设置在航天器的外部或主结构附近，暴露在空间环境中，受空间碎片撞击风险较高。压力容器受撞击后，可能出现成坑、表面剥落、变形、穿孔和爆裂等各种损伤现象［1］，不仅影响航天器的姿态控制，其产生的工质泄漏或二次碎片还可能会对压力容器周围的易损设备、结构件造成严重损伤，导致航天器故障升级，甚至飞行任务失败。因此，研究在轨航天器上的压力容器受空间碎片超高速撞击的损伤特性成为空间碎片防护研究的焦点之一。NASA根据美国在轨航天器上压力容器的特点，开展了内部工质为液体的压力容器的超高速撞击特性研究［2-6］，获得了压力容器的相关撞击损伤特性。在国内，有研究者开展了充气压力容器的超高速撞击损伤特性研究［7-8］，而对压力容器内工质为液体的研究较少。

根据我国在轨航天器上的压力容器的特点，通过试验和数值仿真研究充水压力容器的超高速撞击特性，为我国在轨航天器的防护设计和空间碎片撞击风险评估提供参考。

1 超高速撞击试验

1.1 试验方法

试验在中国空气动力研究与发展中心超高速所的超高速碰撞靶上开展。碰撞靶的二级轻气炮发射口径为16mm。

压力容器中充约80%的水模拟液体工质，再充2.0MPa氮气模拟压力容器内的工作压力。设计了两种尺寸的不锈钢容器：容器Ⅰ内径200mm、壁厚0.55mm；容器Ⅱ内径300mm、壁厚1.8mm。压力容器剖面示意图如图1所示，为便于容器的安装，在容器上设计有四根支撑杆。试验模型为铝球，材料为2A12。试验状态参数如表1所示。

图1 压力容器结构示意图Fig.1 Sketch of pressure container

表1 试验状态参数Table 1 Parameters of test state

1.2 试验结果及分析

前3次试验中，压力容器均在撞击位置形成穿孔，未发生爆裂，沿铝球的撞击方向压力容器的后壁未见明显成坑或鼓包。3次试验中铝球撞击形成的穿孔直径分别为14.90、15.00和11.00mm。图2～5给出了第2次试验中容器损伤、撞击过程图像及回收的碎片。图2为压力容器撞击位置处的损伤；图3为沿铝球撞击方向容器后壁内表面的损伤；图4为铝球撞击压力容器形成穿孔后容器内的水向外喷射的激光阴影图像；图5为试验完成后从压力容器残留水中回收到的碎片，通过对回收碎片的材料进行磁性分析，碎片为撞击容器后铝球破碎形成。

图2 第2次试验中压力容器撞击位置损伤Fig.2 Damage of impact position in the second test

图3 第2次试验中压力容器后壁内表面损伤Fig.3 Inner damage of back wall of pressure container in the second test

图4 第2次试验撞击瞬间激光阴影图像Fig.4 Laser shadowgraph of impact time in the second test

图5 第2次试验完成后回收的碎片Fig.5 Recovered debris after the second test

第4次试验时，容器发生爆裂，爆裂形成的残骸如图6所示；由撞击过程的X光图像（见图7）可知容器爆裂呈花瓣状。

试验结表明：充水压力容器的主要损伤特性为穿孔和爆裂；当前试验条件下弹丸或碎片的减速明显，未对压力容器的后壁造成明显损伤。

图6 第4次试验压力容器爆裂形成的残骸Fig.6 Wreckages caused by pressure container burst in the fourth test

图7 第4次试验中撞击瞬间X射线图像Fig.7 X ray image of impact time in the fourth test

第4次试验和前两次试验的撞击参数相近，区别在于压力容器的内径和壁厚。第4次试验中的压力容器所能承受的工作压力是前两次试验中压力容器的约0.5倍，说明工作压力相同而设计压力越小的压力容器，受到撞击参数相近的空间碎片撞击时更可能发生爆裂。因此，对于易受空间碎片撞击的航天器上的压力容器，要提高其设计压力。容器发生爆裂与容器的尺寸、厚度等的内部关系需进一步研究。

当压力容器内的工质为腐蚀性物质时，空间碎片撞击压力容器形成穿孔后，容器内的腐蚀性液体向外喷射，腐蚀性物质极易对压力容器周围的易损器件和设备等造成严重损伤。因此，应当根据压力容器受空间碎片撞击后引起的二次损伤和破坏特点，优化在轨航天器上的布置，并做好压力容器周围部件的防护。

2 数值仿真

为了研究铝球撞击充水压力容器的变化过程及其穿透压力容器壁后在水中的运动特性和分析容器后壁的毁伤效果，采用NTS二维轴对称软件仿真铝球正撞击球形充水压力容器，撞击参数与试验状态相同。铝球和容器壁均采用Sternberg Guinan强度模型和Shock状态方程；水的状态方程为Shock方程。容器壁采用ALE方法，铝球和水均采用Euler方法。

2.1 压力容器撞击损伤过程

与第2次试验具有相同撞击参数的仿真结果如图8所示。铝球撞击在容器前壁形成穿孔，穿孔直径14.5mm，与试验结果基本相同。

仿真结果表明：铝球超高速撞击充水压力容器时在容器的壁面和水中同时产生冲击波，壁面的冲击波速度要大于水中的冲击波速度；冲击波在传播过程中强度不断衰减，传播到容器后壁时强度较弱，不会对容器后壁造成明显损伤。

图8 铝球撞击内径300mm压力容器的仿真结果Fig.8 Simulation results of aluminum sphere impacting pressure container with inner diameter of 300mm

2.2 铝球在压力容器内部的运动特性

铝球超高速撞击穿透充气压力容器后再撞击容器后壁时，可能在后壁形成穿孔和爆裂［10］，本文利用数值仿真结果对碎片在容器内部工质的运动过程进行分析，研究碎片对容器后壁的影响。撞击压力容器的铝球破碎后形成的尺寸最大碎片在水中的运动速度分别随运动时间和运动距离的变化情况（Φ9mm的铝球超高速撞击Φ300mm压力容器的数值仿真结果）如图9和10所示。

图9 铝球碎片在水中的速度随运动时间变化曲线Fig.9 Velocity change of aluminum sphere debris with time in water

图10 铝球碎片在水中的速度随运动时间曲线Fig.10 Velocity change of aluminum sphere debris with distance in water

从图9中可以看出，随着撞击过程的进行，铝球碎片在水中的速度迅速下降，在撞击后0.05ms时，速度已降为444.47m／s。随后铝球碎片的速度衰减幅度变小，相对长时间内保持100m／s左右的速度，整个速度衰减曲线呈幂函数形式。图9和10中还给出了根据流体力学的扰流阻力理论［11］得到的铝球碎片（由于铝球破碎不充分，理论计算未考虑铝球破碎）在水中的运动规律。从图上可以看出，数值仿真结果与理论计算结果符合较好。

对图9和10的仿真结果进行拟合，得到铝球碎片在水中的速度分别随运动时间和运动距离变化的曲线公式：

式中：V、s、t分别表示铝球在水中的运动速度、距离和时间。由（2）式可以算出，铝球碎片在水中运动约146.06mm后速度降为0，因此根本不会对容器后壁造成成坑或穿孔的严重损伤，这与试验结果是相符的。

铝球以2.55km／s的速度撞击穿透容器时破碎不充分，形成的大碎片在容器内的水中减速明显，未对压力容器的背面形成明显损伤；铝球撞击压力容器形成的冲击波未对容器后壁的造成明显损伤，所以超高速撞击充水压力容器的主要损伤特性为撞击位置处的穿孔和爆裂。对于在轨航天器上的工质为液体的压力容器，应重点防护压力容器易受空间碎片撞击的部位。

3 结论与展望

在文中的研究条件下，得到以下结论：

（1）超高速撞击充水压力容器的主要损伤特性为撞击位置处的穿孔和爆裂，容器发生爆裂时呈花瓣状，爆裂起始位置位于撞击孔处；

（2）铝球撞击穿透容器后，破碎形成的碎片在容器内水中减速明显，未对容器后壁的内表面形成明显损伤，仅部分尺寸很小的碎片在容器内表面形成污染；

（3）当在轨航天器上压力容器的工作压力相同时，如果空间碎片的撞击参数相近，则设计压力小的压力容器更容易发生爆裂。对处于易受空间碎片撞击位置上的压力容器，要提高其设计压力，并防护易受撞击的部位。

充水压力容器发生爆裂与撞击参数和容器尺寸的关系，还需要开展进一步的研究，以获得充水压力容器发生爆裂的阈值条件以及发生爆裂的撞击参数包络线，为航天器压力容器受空间碎片超高速撞击防护设计和风险评估提供依据。

致谢：感谢李毅研究员、罗锦阳高工、陈鲲工程师等同志在项目实施过程中给予的帮助，并感谢龙耀、郑蕾、廖强、刘晓龙、廖富强、石建芝、李文光等同志在试验过程中所付出的辛勤工作。

［1］Gregory D Olsen，Angela M Nolen.Hypervelocity impact tes-ting of pressure vessels to simulate spacecraft failure［J］.International Journal of Impact engineering，2001，36：555-566.

［2］Pei Chi Chou，Paul Gordon.Hypervelocity impact of bumperprotected fuel tanks［C］.AIAA hypervelocity impact conference，Cincinnati，Ohio／April 30 to May 2，1969：1-10.

［3］David Town，Nick Park，Peter M.Devall.Failure of fluid filled structure due to high velocity fragment impact［J］.International Journal of Impact engineering，2003（29）：723-733

［4］Jan D，Aaron K.Propulsive effect of spacecraft propellant tank rupture following hypervelocity impact by a micrometeroid［C］.28th Aerospace Sciences Meeting January 8-11 1990，Reno Nevada：1-12.

［5］Francis S Stepka.Projectile-impact-induced fracture of liquidfilled，filament-reinforced plastic or aluminum tanks［R］.AIAA 96-3456.

［6］Sachdevl S，Hosangadi A.Simulations for assessing potential impact of ares I propellant tank common bulkhead failure［C］.45th AIAA／ASME／SAE／ASEE Joint Propulsion Conference＆Exhibit 2～5 August 2009，Denver，Colorado：1-13.

［7］张伟，管公顺，哈跃，等.弹丸高速撞击压力容器损伤实验研究［J］.实验力学，2004，19（2）：229-235.Zhang Wei，Guan Gongshun，Ha Yue，et al.Experimental investigation of high velocity projectile impact damage on pressure vessels［J］.Journal of experimental mechanics，2004，19（2）：229-235.

［8］牛雯霞，黄洁，李毅，等.不锈钢充气压力容器超高速撞击验研究［C］.第四届全国空间碎片专题研讨会，南京，2007.Niu Wenxia，Huang Jie，Li Yi，et al.Experimental investigation of hypervelocity impact on gas-filled stainless steel pressure vessels［C］.The fourth national conference about space debris，Nanjing，2007.

［9］化工设备设计手册编写组.高压设备设计手册［M］.上海：上海人民出版社，1975：18-19 Complier of process equipment design manual.Design manual of high-tension apparatus［M］.Shanghai：Shanghai people press，1975：18-19.

［10］张伟，庞宝君，邹经湘.充气压力容器高速撞击实验研究［J］.爆炸与冲击，2000，20（4）：353-358.Zhang Wei，Pang Baojun，Zou Jingxiang.Experimental investigation of high velocity impacts on gas filled pressure vessels［J］.Explosion and shock wave，October 2000，20（4）：353-358.

［11］余志豪.流体力学［M］.第三版，北京：气象出版社，2004：114-116.YU Zhihao.Mechanics of fluids［M］.Third version，Beijing：China Meteorological press，2004：114-116.

Test and simulation study on characteristics of pressure container filled with water under hypervelocity impact

Ke Fawei，Zhou Zhixuan，Huang Jie
（China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China）

In order to study the characteristic of pressure container impacted by space debris，the characteristics of pressure container filled with water under hypervelocity impact were studied by test and simulation.The targets were ball pressure containers welded by stainless steel and were charged with water occupying about 80%volume of container and nitrogen of 2.0MPa before test.The water was used to simulate liquid in the pressure container of spacecraft，and the nitrogen of 2.0MPa was used to simulate the work pressure of container.The projectiles were aluminum spheres，and the impact velocities were about 2.5km／s.The damage models of ball pressure container were obtained by test，the moving characteristic of aluminum sphere in water was simulated.The results showed that the main damage were perforation and burst for ball pressure container filled with water under hypervelocity impact.The fragments generated by projectile impacting pressure container were decelerated evidently by the water in container which caused no evident damage on the back wall of pressure container.Under the same working pressure，the pressure container with low designing pressure would burst more possibly.The study conclusions provided reference for designing and protection from space debris of pressure container of on-orbit spacecraft.

pressure container filled with water；hypervelocity impact；wind tunnel test；numerical simulation

O385；V423.41

：A

1672-9897（2014）03-0093-05doi：10.11729／syltlx2014pz17

（编辑：杨 娟）

2013-06-09；

：2013-12-25

黄 洁，E-mail：liuchuangruil＠126.com

KeFawei，ZhouZhixuan，HuangJie.Testandsimulationstudyoncharacteristicsofpressurecontainerfilledwithwaterunderhypervelocityimpact.JournalofExperimentsinFluidMechanics，2014，28（3）：93-97.柯发伟，周智炫，黄 洁.充水压力容器超高速撞击特性试验与仿真研究.实验流体力学，2014，28（3）：93-97.

柯发伟（1984-），男，四川雅安人，硕士，助理研究员。研究方向：弹道靶试验技术、光学流场显示。通信地址：四川省绵阳市中国空气动力研究与发展中心（621000）。E-mail：kefawei2＠163.com