一种测量二级轻气炮金属膜片破膜压力的方法

仵 可， 朱玉荣， 钱秉文， 李 进， 谭书舜, 张德志

(西北核技术研究所， 西安 710024)

金属膜片阀门具有响应快速、结构简单和性能可靠的优点，广泛应用于化工安全阀门[1]、航天发动机[2]和二级轻气炮[3]等设备中。二级轻气炮中的金属膜片是连接泵管与发射管的关键部件，其破裂压力直接影响了初始弹底压力与活塞运动的历程。准确测量此类金属膜片在发射过程中的破裂压力，是二级轻气炮内弹道定量分析的必然要求。吴泽伟等[4]总结了前人的金属膜片破裂压力计算方法，提出基于球形变形假设的经验公式。1989年，我国根据国际标准ISO 6718-1985，制订了第一部爆破片技术专业标准《拱形金属爆破片技术条件》[5]，给出了普通正拱型金属膜片的爆破压力计算公式。但这些研究成果只适用于容易产生球形变形及破裂压力较低(普遍低于5 MPa)的薄金属膜片，二级轻气炮内弹道中常用的金属膜片厚径比值较大，破裂压力较高，且一般具有预制刻槽设计，不适用于球形变形假设，难以从理论上分析破裂压力，必须开展实验测量。

1 测量方案

实验室常用的二级轻气炮基本结构通常包括气室(对于一级火药驱动的轻气炮则为火药室)、锥阀(对于一级火药驱动的轻气炮为大金属膜片)、泵管、高压气室(锥段)及发射管，如图1所示。二级轻气炮发射时，锥阀快速打开，一级气室中高压气体推动活塞向泵管一侧运动，不断压缩泵管中的轻质气体(氢气或氦气)，当泵管中气压达到破膜压力时，金属膜片发生破裂迅速开启，高压轻质气体推动弹丸沿发射管快速运动。

金属膜片在发射过程中的破裂压力，即金属膜片破裂时高压气室尾端的气压，其测量原理是将压力传感器置于高压气室内相应位置，在获得该位置压力随时间的变化关系后，判读出金属膜片破裂时刻对应的压力值，即为破膜压力。

该测量实验的难点在于，活塞运动持续压缩泵管中的氢气，导致金属膜片承压侧的气压不断升高，无法仅从压力信号的特征上判断出金属膜片破裂的准确时刻，需采用其他测试方法确认破膜时刻。图2为本文提出的测量实验的基本思路，即利用压力传感器与高速摄像机同步监测金属膜片在二级轻气炮内弹道中的变形历程和载荷历程，在金属膜片变形历程中找到膜片破裂的准确时刻，该时刻的载荷即为金属膜片的破裂压力。

图3为轻气炮锥段改造方案。一般的二级轻气炮结构中，金属膜片被夹持在高压气室和发射管之间，如图3(a)所示。在这种夹持方式下，压力传感器无处放置，也不具备高速摄影需要的光学观察窗口，因此必须对传统的二级轻气炮金属膜片的夹持方式进行改造。图3(b)为改造后的膜片夹持方式。由图3(b)可见：新结构在高压气室和金属膜片之间加入了锥段延长机构，可提供压力传感器的安装位置；利用夹紧法兰代替发射管，夹紧烧蚀环与金属膜片，拆除发射管，可提供弹道方向的光学观察窗口。

普通二级轻气炮在正常发射状态下，金属膜片在发射管一侧为真空，而拆除发射管后，金属膜片在远离高压气室一侧为大气。由于本文使用的金属膜片较厚，破裂压力一般高达数十兆帕甚至数百兆帕，大气压力对金属膜片破裂压力造成的影响可忽略不计。由于没有发射管和弹丸，当金属膜片发生破裂后，泵管中的高压气体会直接冲入空气中，发射过程结束，此时记录金属膜片破裂时刻的图像和锥段压力信号的工作已完成，因此，拆除发射管并不影响实验的准确性。

由于金属膜片破裂的初始时刻裂纹较小，难以观测，在金属膜片的背压侧粘贴一张小反光纸作为标记。当金属膜片中心位置被高压气体贯穿后，高压氢气从裂纹中穿过并形成射流将反光纸吹开，这一过程的可辨识度比初始裂纹更高，对金属膜片开始破裂时刻的判断也更准确。

以上设计解决了压力传感器布设和破膜时刻准确判断2个难点，实现了在二级轻气炮发射过程中准确测量破膜压力的目标。此外需要特别注意的是，金属膜片破裂后泵管中高温高压的氢气会直接冲入室内空气环境，极易发生爆炸，必须做好安全防护。

2 实验设计及结果

实验在Φ57-10 mm口径(一级泵管口径为57 mm，二级发射管口径为10 mm)的轻气炮上开展。图4为实验过程中选用的金属膜片材质为304不锈钢。由图4可见，金属膜片口径为20 mm，基础厚度为2 mm，背压侧预置十字形刻槽，槽底为圆弧形，刻槽中心深度为1.6 mm。 实验分为2组进行：第1组利用图3(b)所示结构进行测量实验，获取金属膜片准确的破裂压力；第2组作为对照，进行一般的带弹发射实验，用于分析与测量实验的差别。对照实验金属膜片的夹持方式，如图5所示。

与图3(b)的金属膜片夹持方式相比，对照试验保留了发射管与弹丸，2组实验发射参数相同。压力传感器采用自触发模式，触发阈值为50 MPa，压力传感器触发的同时给出一个信号用以触发高速相机，高速相机帧率设置为每秒1.5×105帧，快门时间为1 μs。

在测量实验中，高速相机拍摄金属膜片承受载荷画面时，触发时刻记为0时刻，0时刻之前帧数记为负帧数，0时刻之后帧数记为正帧数。高速相机拍摄到金属膜片承受载荷的画面，如图6所示。

由图6可见：在第-94 帧图像中，金属膜片为初始状态，从拍摄开始至此时刻，金属膜片没有发生明显变形，反光纸位于观察孔内左侧；在第-1 帧图像中金属膜片背压侧十字刻槽边缘阴影增加，但反光纸位置没有变化，表明金属膜片发生了明显变形，但未破裂；在第8 帧图像中观察到反光纸位置开始变化，表明有高压气流吹出，驱动反光纸运动，此时金属膜片已开始破裂；在第27 帧图像中观察到反光纸已被完全吹开，从视场内消失，表明金属膜片中心位置的裂纹已开始沿刻槽向边缘扩展。根据相机帧率设置，每帧时间间隔为6.67 μs，第8 帧位于高速摄像机触发时刻后54 μs，即金属膜片破裂的准确时刻。

测量实验及带弹对照实验压力p随时间t的变化关系，如图7所示。

由图7可见，t=54 μs对应的压力，即金属膜片破裂压力，为57 MPa。对照试验中，在发射管出口处放置用于测量弹丸速度的激光测量设备，当弹丸飞出发射管的瞬间，遮断激光束，产生测速信号。图7中绿色曲线为激光测量设备的输出信号，下降沿表征弹丸到达发射管出口遮断激光束的时刻。以金属膜片破裂时刻为弹丸运动的初始时刻，由激光测速信号下降沿与初始时刻之间的差值，可判断出弹丸在发射管内运动时间为1.5 ms，弹丸在轻气炮中的运动距离等于发射管长度为3.5 m，由此可确定弹丸运动的平均速度为2.33×103m·s-1。

3 分析与讨论

由图7可见，在压力约为100 MPa之前，2条曲线都吻合良好，金属膜片破裂压力为57 MPa，可认定测量结果真实有效，测量实验的设计未对真实内弹道环境产生明显改变。在发射初始阶段，活塞速度较慢，泵管压力上升缓慢，金属膜片在这一阶段变形程度较小。随着活塞运动速度的提升，泵管中压力上升速率加快，金属膜片变形趋于明显。根据高速摄影得到的图像可见：在触发前226 μs(第-34 帧)金属膜片发生了变形，由中心位置向背压侧鼓起；在出发后54 μs(第8 帧)高压气体贯穿了金属膜片中心位置，气流通道初步开启，膜片开始破裂；在触发后200 μs(第30帧 )裂纹已沿十字刻槽扩展到金属膜片边缘，金属膜片形成独立的4瓣，膜片完全破裂；在触发后233 μs(第35 帧)金属膜片的4瓣完全贴上烧蚀环内壁，变形过程终止，气流通道开启到最大状态。

裂纹由中心位置扩展到金属膜片边缘(第8～30帧)，这一过程持续约150 μs，而形成独立的4瓣到变形终止(第30～35帧 )只需约30 μs。这是因为：金属膜片裂纹没有完全发展到边缘时，刻槽内部相互连接，还具有较强的承载能力；当裂纹发展到金属膜片边缘时，金属膜片分为独立的4瓣，只有根部具有较弱的承载能力，高压氢气在活塞驱动下形成快速气流，流动冲刷作用加快了金属膜片的变形。因此，金属膜片从形成独立的4瓣到形成最大开口的过程非常短暂。

二级轻气炮内弹道中，金属膜片的作用类似于快开阀门，配合活塞在泵管中形成高压环境，破裂后突然释放出的压力使弹丸获得较大的加速度，从而实现高速发射，金属膜片从开始破裂到形成最大开口需尽可能快速。根据测量实验结果，金属膜片从完全破裂到形成最大开口的时间很短，但从开始破裂到完全破裂的时间仍较长。因此在今后的金属膜片设计工作中，进一步缩短裂纹扩展的时间是一个重要的优化方向。

在运动的前段，二级轻气炮的弹丸具有较大的加速度，中后段加速度逐渐减小，中后段运动时间越长，平均速度越接近弹丸最终发射速度。本实验中，弹丸的平均弹速为2.33×103m·s-1，利用激光测速设备实际测得弹丸最终速度为3.89×103m·s-1，弹丸平均速度约为最终速度的60%。

由图7还可见，对照实验中弹丸开始运动后，压力快速到达峰值，然后逐渐下降，不能持续保持高压，导致弹丸在运动的中后段加速度较小。对于二级轻气炮，提高弹速的一个重要途径是保持长时间的弹底高压，使弹丸在发射管中的全部行程都得到有效加速。如能使压力波形的脉宽加宽或在压力峰值处形成高压平台，就可有效提高二级轻气炮的发射能力。目前，国内外在这一方面的研究已有一些进展，主要使用多活塞[6]或动态活塞[7-9]技术。

4 小结

本文提出了一种利用压力传感器和高速摄影技术进行时间关联测定二级轻气炮内弹道中金属膜片破裂压力的方法，并在Φ57-10 mm口径的二级轻气炮上进行了实验，测试获得该型轻气炮常用规格的金属膜片破裂压力为57 MPa，测量实验与传统带弹对照实验结果吻合，表明结果可信。同时获得了金属膜片破裂过程的物理图像与高压段载荷曲线，由此进一步对二级轻气炮内弹道中膜片破裂行为与弹丸运动过程进行分析，并给出了提升二级轻气炮发射能力的建议。