充水壓力容器超高速撞擊特性試驗與仿真研究

柯發(fā)偉，周智炫，黃 潔

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 621000）

充水壓力容器超高速撞擊特性試驗與仿真研究

柯發(fā)偉，周智炫，黃 潔

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 621000）

通過試驗和數(shù)值仿真研究鋁球以約2.5km／s的速度撞擊球形充水壓力容器的撞擊特性，容器為先充約80%的水再充2.0 MPa氮氣的球形不銹鋼壓力容器。結果表明：超高速撞擊充水壓力容器的主要損傷為穿孔和爆裂；鋁球撞擊穿透容器后在水中減速明顯，未對容器后壁造成明顯損傷；壓力容器的工作壓力相同時，在相近的撞擊參數(shù)下，設計壓力小的壓力容器更易發(fā)生爆裂。研究結果可為在軌航天器上的壓力容器設計和空間碎片防護提供參考。

充水壓力容器；超高速撞擊；風洞試驗；數(shù)值仿真

0 引 言

航天器上的壓力容器主要用于儲存航天器上所需的液體和高壓氣體，是航天器的重要部件。壓力容器通常設置在航天器的外部或主結構附近，暴露在空間環(huán)境中，受空間碎片撞擊風險較高。壓力容器受撞擊后，可能出現(xiàn)成坑、表面剝落、變形、穿孔和爆裂等各種損傷現(xiàn)象［1］，不僅影響航天器的姿態(tài)控制，其產(chǎn)生的工質(zhì)泄漏或二次碎片還可能會對壓力容器周圍的易損設備、結構件造成嚴重損傷，導致航天器故障升級，甚至飛行任務失敗。因此，研究在軌航天器上的壓力容器受空間碎片超高速撞擊的損傷特性成為空間碎片防護研究的焦點之一。NASA根據(jù)美國在軌航天器上壓力容器的特點，開展了內(nèi)部工質(zhì)為液體的壓力容器的超高速撞擊特性研究［2-6］，獲得了壓力容器的相關撞擊損傷特性。在國內(nèi)，有研究者開展了充氣壓力容器的超高速撞擊損傷特性研究［7-8］，而對壓力容器內(nèi)工質(zhì)為液體的研究較少。

根據(jù)我國在軌航天器上的壓力容器的特點，通過試驗和數(shù)值仿真研究充水壓力容器的超高速撞擊特性，為我國在軌航天器的防護設計和空間碎片撞擊風險評估提供參考。

1 超高速撞擊試驗

1.1 試驗方法

試驗在中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速所的超高速碰撞靶上開展。碰撞靶的二級輕氣炮發(fā)射口徑為16mm。

壓力容器中充約80%的水模擬液體工質(zhì)，再充2.0MPa氮氣模擬壓力容器內(nèi)的工作壓力。設計了兩種尺寸的不銹鋼容器：容器Ⅰ內(nèi)徑200mm、壁厚0.55mm；容器Ⅱ內(nèi)徑300mm、壁厚1.8mm。壓力容器剖面示意圖如圖1所示，為便于容器的安裝，在容器上設計有四根支撐桿。試驗模型為鋁球，材料為2A12。試驗狀態(tài)參數(shù)如表1所示。

圖1 壓力容器結構示意圖Fig.1 Sketch of pressure container

表1 試驗狀態(tài)參數(shù)Table 1 Parameters of test state

1.2 試驗結果及分析

前3次試驗中，壓力容器均在撞擊位置形成穿孔，未發(fā)生爆裂，沿鋁球的撞擊方向壓力容器的后壁未見明顯成坑或鼓包。3次試驗中鋁球撞擊形成的穿孔直徑分別為14.90、15.00和11.00mm。圖2～5給出了第2次試驗中容器損傷、撞擊過程圖像及回收的碎片。圖2為壓力容器撞擊位置處的損傷；圖3為沿鋁球撞擊方向容器后壁內(nèi)表面的損傷；圖4為鋁球撞擊壓力容器形成穿孔后容器內(nèi)的水向外噴射的激光陰影圖像；圖5為試驗完成后從壓力容器殘留水中回收到的碎片，通過對回收碎片的材料進行磁性分析，碎片為撞擊容器后鋁球破碎形成。

圖2 第2次試驗中壓力容器撞擊位置損傷Fig.2 Damage of impact position in the second test

圖3 第2次試驗中壓力容器后壁內(nèi)表面損傷Fig.3 Inner damage of back wall of pressure container in the second test

圖4 第2次試驗撞擊瞬間激光陰影圖像Fig.4 Laser shadowgraph of impact time in the second test

圖5 第2次試驗完成后回收的碎片F(xiàn)ig.5 Recovered debris after the second test

第4次試驗時，容器發(fā)生爆裂，爆裂形成的殘骸如圖6所示；由撞擊過程的X光圖像（見圖7）可知容器爆裂呈花瓣狀。

試驗結表明：充水壓力容器的主要損傷特性為穿孔和爆裂；當前試驗條件下彈丸或碎片的減速明顯，未對壓力容器的后壁造成明顯損傷。

圖6 第4次試驗壓力容器爆裂形成的殘骸Fig.6 Wreckages caused by pressure container burst in the fourth test

圖7 第4次試驗中撞擊瞬間X射線圖像Fig.7 X ray image of impact time in the fourth test

第4次試驗和前兩次試驗的撞擊參數(shù)相近，區(qū)別在于壓力容器的內(nèi)徑和壁厚。第4次試驗中的壓力容器所能承受的工作壓力是前兩次試驗中壓力容器的約0.5倍，說明工作壓力相同而設計壓力越小的壓力容器，受到撞擊參數(shù)相近的空間碎片撞擊時更可能發(fā)生爆裂。因此，對于易受空間碎片撞擊的航天器上的壓力容器，要提高其設計壓力。容器發(fā)生爆裂與容器的尺寸、厚度等的內(nèi)部關系需進一步研究。

當壓力容器內(nèi)的工質(zhì)為腐蝕性物質(zhì)時，空間碎片撞擊壓力容器形成穿孔后，容器內(nèi)的腐蝕性液體向外噴射，腐蝕性物質(zhì)極易對壓力容器周圍的易損器件和設備等造成嚴重損傷。因此，應當根據(jù)壓力容器受空間碎片撞擊后引起的二次損傷和破壞特點，優(yōu)化在軌航天器上的布置，并做好壓力容器周圍部件的防護。

2 數(shù)值仿真

為了研究鋁球撞擊充水壓力容器的變化過程及其穿透壓力容器壁后在水中的運動特性和分析容器后壁的毀傷效果，采用NTS二維軸對稱軟件仿真鋁球正撞擊球形充水壓力容器，撞擊參數(shù)與試驗狀態(tài)相同。鋁球和容器壁均采用Sternberg Guinan強度模型和Shock狀態(tài)方程；水的狀態(tài)方程為Shock方程。容器壁采用ALE方法，鋁球和水均采用Euler方法。

2.1 壓力容器撞擊損傷過程

與第2次試驗具有相同撞擊參數(shù)的仿真結果如圖8所示。鋁球撞擊在容器前壁形成穿孔，穿孔直徑14.5mm，與試驗結果基本相同。

仿真結果表明：鋁球超高速撞擊充水壓力容器時在容器的壁面和水中同時產(chǎn)生沖擊波，壁面的沖擊波速度要大于水中的沖擊波速度；沖擊波在傳播過程中強度不斷衰減，傳播到容器后壁時強度較弱，不會對容器后壁造成明顯損傷。

圖8 鋁球撞擊內(nèi)徑300mm壓力容器的仿真結果Fig.8 Simulation results of aluminum sphere impacting pressure container with inner diameter of 300mm

2.2 鋁球在壓力容器內(nèi)部的運動特性

鋁球超高速撞擊穿透充氣壓力容器后再撞擊容器后壁時，可能在后壁形成穿孔和爆裂［10］，本文利用數(shù)值仿真結果對碎片在容器內(nèi)部工質(zhì)的運動過程進行分析，研究碎片對容器后壁的影響。撞擊壓力容器的鋁球破碎后形成的尺寸最大碎片在水中的運動速度分別隨運動時間和運動距離的變化情況（Φ9mm的鋁球超高速撞擊Φ300mm壓力容器的數(shù)值仿真結果）如圖9和10所示。

圖9 鋁球碎片在水中的速度隨運動時間變化曲線Fig.9 Velocity change of aluminum sphere debris with time in water

圖10 鋁球碎片在水中的速度隨運動時間曲線Fig.10 Velocity change of aluminum sphere debris with distance in water

從圖9中可以看出，隨著撞擊過程的進行，鋁球碎片在水中的速度迅速下降，在撞擊后0.05ms時，速度已降為444.47m／s。隨后鋁球碎片的速度衰減幅度變小，相對長時間內(nèi)保持100m／s左右的速度，整個速度衰減曲線呈冪函數(shù)形式。圖9和10中還給出了根據(jù)流體力學的擾流阻力理論［11］得到的鋁球碎片（由于鋁球破碎不充分，理論計算未考慮鋁球破碎）在水中的運動規(guī)律。從圖上可以看出，數(shù)值仿真結果與理論計算結果符合較好。

對圖9和10的仿真結果進行擬合，得到鋁球碎片在水中的速度分別隨運動時間和運動距離變化的曲線公式：

式中：V、s、t分別表示鋁球在水中的運動速度、距離和時間。由（2）式可以算出，鋁球碎片在水中運動約146.06mm后速度降為0，因此根本不會對容器后壁造成成坑或穿孔的嚴重損傷，這與試驗結果是相符的。

鋁球以2.55km／s的速度撞擊穿透容器時破碎不充分，形成的大碎片在容器內(nèi)的水中減速明顯，未對壓力容器的背面形成明顯損傷；鋁球撞擊壓力容器形成的沖擊波未對容器后壁的造成明顯損傷，所以超高速撞擊充水壓力容器的主要損傷特性為撞擊位置處的穿孔和爆裂。對于在軌航天器上的工質(zhì)為液體的壓力容器，應重點防護壓力容器易受空間碎片撞擊的部位。

3 結論與展望

在文中的研究條件下，得到以下結論：

（1）超高速撞擊充水壓力容器的主要損傷特性為撞擊位置處的穿孔和爆裂，容器發(fā)生爆裂時呈花瓣狀，爆裂起始位置位于撞擊孔處；

（2）鋁球撞擊穿透容器后，破碎形成的碎片在容器內(nèi)水中減速明顯，未對容器后壁的內(nèi)表面形成明顯損傷，僅部分尺寸很小的碎片在容器內(nèi)表面形成污染；

（3）當在軌航天器上壓力容器的工作壓力相同時，如果空間碎片的撞擊參數(shù)相近，則設計壓力小的壓力容器更容易發(fā)生爆裂。對處于易受空間碎片撞擊位置上的壓力容器，要提高其設計壓力，并防護易受撞擊的部位。

充水壓力容器發(fā)生爆裂與撞擊參數(shù)和容器尺寸的關系，還需要開展進一步的研究，以獲得充水壓力容器發(fā)生爆裂的閾值條件以及發(fā)生爆裂的撞擊參數(shù)包絡線，為航天器壓力容器受空間碎片超高速撞擊防護設計和風險評估提供依據(jù)。

致謝：感謝李毅研究員、羅錦陽高工、陳鯤工程師等同志在項目實施過程中給予的幫助，并感謝龍耀、鄭蕾、廖強、劉曉龍、廖富強、石建芝、李文光等同志在試驗過程中所付出的辛勤工作。

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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

（編輯：楊 娟）

2013-06-09；

：2013-12-25

黃 潔，E-mail：liuchuangruil＠126.com

KeFawei，ZhouZhixuan，HuangJie.Testandsimulationstudyoncharacteristicsofpressurecontainerfilledwithwaterunderhypervelocityimpact.JournalofExperimentsinFluidMechanics，2014，28（3）：93-97.柯發(fā)偉，周智炫，黃 潔.充水壓力容器超高速撞擊特性試驗與仿真研究.實驗流體力學，2014，28（3）：93-97.

柯發(fā)偉（1984-），男，四川雅安人，碩士，助理研究員。研究方向：彈道靶試驗技術、光學流場顯示。通信地址：四川省綿陽市中國空氣動力研究與發(fā)展中心（621000）。E-mail：kefawei2＠163.com