看到这个题目，大家可能会奇怪：在一门炮上还能开展实验？请看图1，它们是装备在中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室(LNM)的口径与击发方式不同的两门一级轻气炮。它们都有长长的炮管，其中一端设有“击发”装置以发射驱动弹丸，弹丸就在炮膛中向前运动。但是，和常规的大炮不同，它的另一端是密封在一个大腔室内，那里安置着实验的样品，高速运动的“弹丸”在飞出炮膛的瞬间就撞击在样品上，该样品在大密封腔内被捕获收集。力学家就可以根据样品材料受撞击发生的变化来测定它的力学性能，所以一级轻气炮是一种实验装置。可能大家又会问为什么叫“一级”轻气炮呢？难道还有“二级”或“多级”轻气炮吗？是的，这又是轻气炮和普通大炮的不同之处，它可以采用二级或多级的驱动方式，从而可以使得弹丸的运动速度达到十分高的数值。一级轻气炮与二级或多级轻气炮的区别在于它是用高压气体直接推动弹丸前进并加速，没有后级(二级或多级)驱动装置。由于魏叔如研究员已在《力学园地》对二级轻气炮作过详细的介绍，所以本文只对一级轻气炮及其基本用途作一介绍。
(a) ￠101mm双破膜击发轻气炮 (b) ￠56mm活塞式击发压剪轻气炮 图1 设置在LNM的一级轻气炮照片
(a) ￠101mm双破膜击发轻气炮
(a) ￠101mm双破膜击发轻气炮 (b) ￠56mm活塞式击发压剪轻气炮 图1 设置在LNM的一级轻气炮照片
(b) ￠56mm活塞式击发压剪轻气炮
图1 设置在LNM的一级轻气炮照片
在具体介绍一级轻气炮之前，先向大家提一个问题：如果一块金属平板以足够高的速度向前运动平面撞击不同厚度的另一块金属平板，会发生什么现象呢？答案可能出乎大家的意料，其结果是：在较厚的那块金属板中会产生内部裂纹，甚至会完全分离成两块，见图2所示。
图2 内部损伤程度不同的层裂试样
高压作用下材料的力学性能，对物理学、天体物理学、航空航天科学等学科研究以及武器研发、矿山开采等产业部门都是非常重要的，科学家和工程师对此均十分感兴趣。获得高压条件有两种方法：一种是Bridgman 开创的静水压技术，但用这个技术所获得的高压上限是在50Mpa左右，这里“兆帕”(MPa)为压力单位(1MPa=10大气压)。对于一些研究与应用而言，这个压力有些偏低，而且它不能研究某些瞬间高压下发生的物理现象(如图2中的现象)；另一种方法是快速脈冲动态加载方法，这种方法最高可以获得几百GPa的高压，这里“吉帕”(GPa)也是压力单位(1GPa=1000MPa=10000大气压)。而轻气炮平板撞击技术就是实现脈冲动态加载的方法之一。在平板撞击试验中，试样可以在一个较大的面积上遭受到空间均匀的快速脈冲加载，所产生的应力波在试样中传播。控制加载并测量应力波的特性(如波速，质点速度，或应力状态)，然后应用一元波理论，通过质量、动量和能量守恒关系，便可以导出试样材料的应力-体积(应力-应变)状态。 在脈冲加载实验中，选择合适的加载方法是至关重要的。半个多世纪以来，这方面的技术已有了长足的进步，从炸药透镜技术、轻气炮到激光、电子束或X射线的强脈冲射线的能量沉积技术都能实现脈冲加载。然而，各种方法都是有它们的适用范围和各自的优缺点。例如，炸药透镜技术可获得较高压力区域，成本也较低，但却很难精确控制撞击平面度和撞击速度，而且爆炸产生的电磁干扰会影响电测量结果，此外炸药使用的安全性也是其问题之一。激光、电子束与射线技术，加载时间较短，加载面积较小，一般适用于短脈冲条件的实验，而且它们的重复性也有待改进。轻气炮平板撞击技术是在上世纪六十年代初发展起来的，由于它能精确地控制加载条件(如撞击速度和撞击平面度)，也能方便地进行各种光、电的测量工作，所以非常适合于装备实验室。目前，轻气炮平板撞击技术是在实验室应用最广泛的击波加载方法。 一、 一级轻气炮原理的说明 顾名思义，一级轻气炮只有一级驱动，即用轻质量的压力气体(氦气或氢气)作为原驱动力推动弹丸在炮膛中加速的一种无膛线炮。击发机构可以是活塞式，也可以是破膜式。活塞式一般只适用于口径较小的炮，如￠60mm 以下。破膜式又分为单破膜和双破膜两种，其中的单破膜击发机构由于受膜片材质不均匀性影响，往往不能保证精确的破膜压力而妨碍重复性，双破膜击发机构就克服了上述缺点。破膜机构与活塞机构相比的优点是开启时间快，气流的能量损失小。图3和4分别为活塞式和双破膜击发机构示意图。
图 3 活塞式击发机构
图 3 活塞式击发机构
图4双破膜击发机构
这里仅简单介绍一下双破膜击发机构的工作原理。击发前，在高压气腔中充气体至设定的压力P，二个膜片之间充气体至压力P/2。要注意的是，必须选择承压能力稍大于P/2的膜片。击发时，只要把膜间的P/2压力放空，膜片即刻便被压力为P的气体冲破，膜片前方的弹丸在压力气体推动下向前运动并逐渐加速。但是，随着弹丸的向前运动，压力气体不断膨胀而压力降低，因此弹丸的加速度也在不断降低。到达炮膛出口处，弹丸基本处于匀速状态。高速平板弹丸与靶板相撞击之时，利用采集装置记录下所需数据，一次实验就完成了。 需要说明的是，轻气炮实际就是一门气体炮。它之所以称为轻气炮，是因为需要获得高撞击速度时，必须使用质量轻的压力气体(氦气或氢气)作为驱动气体。当撞击速度较低时，使用的压力气体可以是空气或氮气。由于氦气价格是氢气的60倍，所以国内一般都使用氢气而放弃氦气。尽管使用氢气时增加了危险度，但我们的实践证明：只要精心设计并严格遵守操作规程，安全是完全能够保证的。 下面将对一级轻气炮主要设计参数的选择原则作简单讨论，讨论中我们忽略压力气体推动弹丸在炮膛中加速运动时的热力学效应和炮弹与炮膛的摩擦效应。这样，我们可以简单地从牛顿第二定律(F=ma)推导出弹丸速度与轻气炮主要设计参数之间的关系： V = (2SLPx/M)1/2 式中V是弹丸速度，S为炮膛截面积(等于弹丸底面积)，L为炮膛长度，Px 为作用在弹丸底面积上的气体等效压力，M为弹丸质量。从上式可以看到，在最大设计撞击速度确定之后，主要设计参数是炮膛直径和长度、气体工作压力以及高压气膛的容积。炮膛直径决定了弹丸直径。通过对直径从￠63.5mm到￠152.4mm范围的炮膛数据进行分析研究，人们发现：直径在100mm左右给出了最为合理的性价比与最佳的机动性。而从气动计算得到的结果是：如果炮膛长度大于16m，对弹丸速度的增加几乎没有实质的贡献了。高压气腔的容积是由气腔内的气体质量与弹丸质量之比决定，该比值如果超过5，对最大速度的增加也非常缓慢了。高压气腔中气体压力的上限取决高压零部件(如閥门和管道等)的市场供应能力。 二、 在LNM轻气炮上从事的研究工作的展示 1.层裂破坏研究 现在让我们回到图2照片，可以看到试样中发生了层裂损伤破坏，之所以会发生这种类型的损伤和破坏，完全是由于应力波在固体中的传播特性造成的。当飞板Flayer(即平板弹丸)以速度V飞向靶板Target(即试样)时(参见图5a)，一旦飞板与靶板撞击接触，在撞击交界面会产生二个压缩波(参见图5b),并向各自的自由表面运动(“黑色线条”所示)。但当该压缩波到达各自的自由表面时，将反射成稀疏波(“白色线条”所示)。两个稀疏波在板中交汇，形成拉伸波。如果拉伸波的强度大于材料强度，那么材料内部会产生损伤，甚至可以分离成两个部分(如图2所示)。当然，内部损伤的程度取决于撞击力的大小和撞击力的持续时间。只要调节弹丸的撞击速度(即撞击力)和它的持续时间(即飞板的厚度)，便可以控制材料的损伤程度和损伤的位置。所以，我们可以通过调节上述参数，人为制造出不同程度和不同位置的材料内部损伤，以便研究这种型式破坏的演化规律。图6是我们在2219-T6铝合金中测得的典型层裂波形，它是由放置在试样中的应力传感器(Gauge)记录的。该传感器是我们自制的碳膜应力传感器，与国内外同行用其他传感器如锰铜计、镱计和激光干涉仪等得到的结果完全一致。至于图5a中靶板后面的有机玻璃(PMMA)，则是为了埋设应力传感器而安置的。由于有机玻璃的阻抗比靶板的阻抗小很多，所以当应力波传播至靶板与有机玻璃的交界面时，只有小部分应力波透射进入有机玻璃，而大部分作为稀疏波反射回靶板中。
(a) 层裂实验试样安排 (b) 层裂行波图 图5层裂实验试样安排和层裂行波图 图6 2219-T6铝合金中的层裂波形
(a) 层裂实验试样安排
(a) 层裂实验试样安排 (b) 层裂行波图 图5层裂实验试样安排和层裂行波图 图6 2219-T6铝合金中的层裂波形
(b) 层裂行波图
图5层裂实验试样安排和层裂行波图
(a) 层裂实验试样安排 (b) 层裂行波图 图5层裂实验试样安排和层裂行波图 图6 2219-T6铝合金中的层裂波形
图6 2219-T6铝合金中的层裂波形
利用这些结果，人们可以研究材料的动态性能。大家可能知道，高速撞击会在试样中产生瞬间高压和高温，在这种条件下，材料的力学性能称作动态性能，它与材料在静态或准静态条件下的性能有很大的不同。以2219-T6 铝合金为例，其静态屈服强度和拉伸强度分别为333 Mpa和 449 Mpa，但它的Hugoniot弹性限和层裂强度分别766 Mpa(图6波形中的第一个拐点)和1050 Mpa(图6波形中的第一个波峰与第一个波谷之差)。因此研究材料的动态性能不仅是力学工作者和材料科学工作者的事情，对工程技术专家也是至关重要的。 对绝大多数材料而言，普遍存在一个简单而朴实的击波速度与质点速度之间的线性关系，它表达为 Us = C0 + Sup 式中 Us 为击波速度，up为质点速度，C0和S是两个材料常数。用常规的轻气炮试验，可以测定上述两常数，这样就可以得到材料的冲击压缩曲线，即动态P(压力)-V(体积)关系。如果用带键槽的压剪气炮，人们还可以研究材料的动态剪切性能。 2.材料中应力波传播规律研究 利用激光测速技术或传感器多点埋设技术(参见图7a)，能在一次撞击实验中在试样的不同位置处获得多个速度波形或应力波形(参见图7b)。利用该技术测得的结果便可给出应力波在材料中的传播和衰减规律，以及一些有重要意义的力学性能。例如，人们可从这多个波形出发，采用拉格朗日分析方法，推演出材料的应力-应变-应变率关系，即材料的动态本构关系。
(a)多点应力波形测量传感器布置：1.炮膛；2.飞板； 3.靶架；4.应力传感器；5.多层靶板；6. 测速探针 (b) 多点波形获得 图7 多点应力波形测量
(a)多点应力波形测量传感器布置：1.炮膛；2.飞板；
3.靶架；4.应力传感器；5.多层靶板；6. 测速探针
(a)多点应力波形测量传感器布置：1.炮膛；2.飞板； 3.靶架；4.应力传感器；5.多层靶板；6. 测速探针 (b) 多点波形获得 图7 多点应力波形测量
(b) 多点波形获得
图7 多点应力波形测量
图8就是用应力传感器多点埋设技术得到的酚醛玻璃钢动态本构关系，即应力(σ)-应变(ε)-应变率(έ)关系，在图中列出了六发试验的结果，应变率范围为3x104-3x105 1/s。从图8看到，即使应变率只在一个量级内变化，σ-ε 关系有相当大的差异，表明这种材料的应变率效应还是很显著的。而且我们也可以观察到酚醛玻璃钢存在的应力-应变关系滞逥效应造成的能量耗散，从而控制了应力波的衰减以及塑性体积压缩等现象。这些研究对于我国自行研制新材料具有重要意义，因为关于它们的动态力学性能没有现成的数据可以参用，必须自己测来定的。
图8 酚醛玻璃钢在不同 έ 条件下的 σ-ε 关系
3.轻气炮模拟试验研究 利用轻气炮技术可以进行模拟试验，这里所谓的“模拟试验”是指用轻气炮技术再现或预测某些现场试验结果，下面举两个典型例子来说明之。 图9是短脈冲模拟试验，它可以在实验室中模拟核爆炸效果。图8a是我们用石英晶体压力传感器在核爆现场记录到的热击波波形，而图8b是在轻气炮上用短脈冲技术模拟核爆条件再现了热击波波形。可以看到，两者十分一致。由于模拟实验的条件是完全已知的，所以对核爆现场的热击波结构给出了完整的理论解释。这对研究抗核加固材料的力学性能是很有意义的，它至少可以为建立抗核加固设计准则提供科学依据。
(a)核爆现场热击波波形 (b)轻气炮模拟热击波波形 图9 现场波形与轻气炮模拟实验波形比较
(a)核爆现场热击波波形
(a)核爆现场热击波波形 (b)轻气炮模拟热击波波形 图9 现场波形与轻气炮模拟实验波形比较
(b)轻气炮模拟热击波波形
图9 现场波形与轻气炮模拟实验波形比较
图10是高铁机车车窗玻璃撞击的模拟试验。类似地，我们在轻气炮中建立起和高铁机车高速运行时现场条件相同的状态，通过模拟实验证明了：国产机车车窗玻璃的抗冲击性能与进口产品不相上下，有的产品还优于国外产品的性能，为国产玻璃在高速列车上的实际应用提供了充分依据。
图10 高铁机车车窗玻璃模拟试验
除了上述的一些研究项目外，轻气炮技术还应用于发展动态测试技术、标定动态测试用传感器、测定材料的相变点、冲击波活化金属氧化剂催化剂等工作。所以自上世纪60年代以来，轻气炮技术在国内外发展非常迅速。可以预期，随尖端科技，特别是航空航天的空间技术的发展，轻气炮技术将会得到更广泛的应用并发展得越来越完善。