第1章概述
　　1.1高能效宽脉冲强冲击试验与测试技术的研究背景及意义
　　高效能宽脉冲强冲击试验与测试技术是现代力学研究领域的前沿学科，主要定量研究飞机坠毁、炮射导弹或智能弹药发射、反舰或钻地导弹侵彻目标等产生强冲击、宽脉冲的极端过载过程。该技术的作用主要体现在： 一是为军用设备仪器的强冲击环境适应性提供验证措施；二是为军事防御工事、航空或装甲防护材料等提供抗强冲击能力考核手段。高效能宽脉冲强冲击试验与测试技术作为校核民用、军用设备对强冲击环境适应性的一种试验手段，可为提高产品的可靠性提供参考。根据冲击环境的不同，国际与国内有关产品冲击试验标准中规定的冲击波形一般有半正弦波、锯齿波与梯形波等。根据测试要求不同，常用的冲击试验设备有跌落冲击试验机、霍普金森压杆实验装置、空气炮试验等。因设备研发技术难度高，**大国之间在争夺该领域技术制高点上的竞争十分激烈。
　　高能效宽脉冲强冲击试验与测试技术主要包含强冲击试验设备和强冲击波形参数测试，这两者是一个整体，强冲击试验设备是产生强冲击波形的来源，强冲击波形参数测试是评价和考核强冲击结果的依据。下面对高能效宽脉冲强冲击试验设备与测试技术相关技术进行说明。
　　国内多家大学、研究所和企业虽已进行了多年研究，但进展缓慢，技术瓶颈包括峰值波形量化失控、峰值脉宽不足和设备载荷达不到等诸多方面。为了对过载波形实现有效的量化控制，需要新的理论指导过载波形量化的设计，并构建起这种特殊设备的基础模型，为工程化设计大型强冲击高能过载环境试验设备奠定理论基础。
　　强冲击高能过载环境试验设备用来产生和模拟这种极端过载环境，该设备的设计需要特殊的技巧，模型设计着重解决过载波形的设计原理和方法问题。强冲击高能过载环境试验设备应具有产生和搭载被试产品经历这种极端过载环境工况的功能，为研究产品经历特殊过载环境后的过载损伤部位和受损机理提供具有定量参考价值的认知途径，从而尽快找出提高产品抗过载能力的办法。过载损伤可分为硬损伤与软损伤： 硬损伤指由外部伤害引起的破损，是一种看得见摸得着的损伤；软损伤是指“内伤”，即从外观上看不到的损伤，产品因内伤而导致失效。要求设备能够搭载产品的质量在5kg以上、过载在3000～50000g内可调、峰值脉宽持续时间在3～10ms 内可调。搭载被试产品的过载舱在经历特殊过载试验后，产品不得出现硬损伤（因产品设计本身而导致的硬损伤除外）。
　　高能效宽脉冲强冲击试验与测试技术研究对武器装备和国防科技的发展有着十分重要的意义。
　　（1） 从常规武器发展起来的制导兵器有导弹、制导炮弹、制导炸弹、制导地雷，这四种制导兵器中有一种或几种是用于攻击主战坦克、装甲战车、坚固火力点等地面近距离点目标。这几种武器存在着以下特点： 不直接命中则不能摧毁目标，要求命中精度高，然而，命中之后必须有摧毁目标的能力，否则也达不到目的；要攻击的地面目标种类多，物理特性各异，对反坦克导弹战斗部的侵彻和穿过能力提出了严峻的挑战。为此，新发展的反坦克导弹必须探索新的技术途径，例如，改善导弹战斗部材料的力学性能，发展超高速动能导弹，改进破甲战斗部结构，以导弹命中目标时硬质弹头的动能击穿并毁伤装甲目标。防御大规模集群坦克的快速进攻，是当前及未来局部或大规模地面战争的重要任务。世界各国反坦克武器体系中，反坦克导弹是*重要的一种，它是攻击坦克等装甲目标、坚固工事及其他近距离地面小型目标的有效武器。导弹战斗部对目标的击穿和毁伤都是典型的强冲击问题。
　　（2） 硬目标侵彻武器的强冲击装置、试验方法、测试和校准系统的研究关系到硬目标侵彻新型武器的研制及新武器性能指标的实现。在硬目标侵彻武器的研制中，对不同硬目标的穿过和侵入特性是不同的，需要进行弹着目标过程的受力特性研究，尤其是目前急需的导弹、巡航导弹都是对付硬目标的侵彻弹。不掌握目标侵彻过程的力学特性，新弹种的力学性能、智能炸点控制系统就无从设计。
　　（3） 在硬目标侵彻武器的研制、定型、交验及生产中，不可能实际地对真实目标，如多层建筑物、大型舰船的多层装甲、主战坦克、坚固防御工事、碉堡及武装直升机等，进行工况下的侵彻，来检验武器是否能在预定层数或预定位置起爆控制，这样的武器测试费用高昂，也是不现实的，因此要研究相应的等效试验、测试方法和测试系统，以检测武器系统的质量和效能，检查炸点控制系统是否符合战术技术要求，新型炸药是否能满足装药结构抗高过载，以及安全性、可靠性的要求。因此，随着打击硬目标作战需要的增长，国内外硬目标侵彻武器的发展非常迅速，并已成为新型武器研究的热点。因此，对弹药侵彻目标特性的试验、测试技术和方法的研究成为强冲击试验和测试领域的一项重要科研工作，对武器装备和国防科技发展有着重要的促进作用。
　　（4） 强冲击与爆炸、高速、瞬变、巨能瞬间释放往往联系在一起，这些大都呈现出极端条件下的物理现象。在极端条件下研究物态的性质及其变化规律是21世纪物理学研究的前沿领域之一。极端条件下物质的性态与常态下是极不相同的，可能会出现新的异于常态的性质。通过对这种异常性质的研究，可进一步剖析物质的微观本质，寻求新武器原理。动态高压加载技术及其装置的研究对提升强冲击试验水平至关重要，谁能冲击极限、实现极限，谁就会占据制高点，谁就会更主动。因此，多种类型的动态高压加载技术研究已成为当前的热点问题。
　　高性能新型武器装备的研究、国防科技的发展离不开对强冲击问题的研究，而强冲击理论及试验技术的深入研究必将有力地促进武器装备和国防科技的发展。
　　1.2高能效宽脉冲强冲击试验与测试技术的发展状况
　　1.2.1高能效宽脉冲强冲击试验设备发展现状
　　要满足炮射导弹或火箭弹、飞行记录仪等仪器设备的强冲击过载考核需求，先要对现有的强冲击波形发生方法进行分析研究，分析不同波形发生方法产生的冲击过载的脉宽、幅值、波形、一致性，以及被考核试件的体积、质量等性能参数，在满足各项性能参数的同时还要考虑工程代价、试验安全可靠性等外部因素。目前，高能效宽脉冲强冲击试验方法主要有如图1.2.1所示的几种，因每种波形发生方法产生的冲击波形、脉宽、频率特性，以及试样尺寸、重量等存在差异，每种方法都有各自的适用范围，如表1.2.1所示。根据不同强冲击波形发生原理及特性，高能效宽脉冲强冲击试验方法可分为加速式和减速式两种。
　　图1.2.1高能效宽脉冲强冲击环境模拟试验方法
　　表1.2.1国内外强冲击波形发生装置发展现状
　　原理来源国家/机构幅值脉宽被考核件质量基于空气炮的强冲击波形发生装置国外尚未查到相关研究国内西北机电工程研究所3400g5.8～7.1ms10kg中国工程物理研究院20000g1.6ms5kg航空3327厂15100g5ms8.5kg基于火炮射击的强冲击波形发生装置国外俄罗斯10000g3ms65kg国内西北工业集团有限公司12000g3ms65kg基于跌落的强冲击波形发生装置国外美国32000g几十微秒未知国内中船重工702所2几万g几十微秒不限基于火箭橇的强冲击波形发生方法国外美国＜100g几秒数百千克国内中国兵器工业试验测试研究院＜100g几秒数百千克南京理工大学100000g1.5ms＜50kg基于马歇特锤击的强冲击波形发生装置国外美国几万g几十微秒＜1kg国内南京理工大学，中北大学30000g几十微秒＜1kg1. 即中航工业陕西千山航空电子有限责任公司；2. 即中国船舶重工集团公司第702研究所。1. 加速式高能效宽脉冲强冲击试验方法国内外发展现状
　　加速式高能效宽脉冲强冲击试验方法主要通过强冲击波形发生装置推动或撞击波形发生试件，使其产生一个加速式的冲击加速度波形，包括基于火箭橇、火炮实弹射击和高压气炮的强冲击试验方法三种。
　　1） 基于火箭橇的加速式高能效宽脉冲强冲击试验方法
　　该方法以火箭发动机作为动力，推动橇车沿着地面固定轨道高速滑行，能模拟武器系统的部件高速飞行，以及被试品在轨动态的地面试验设备。脉冲宽度可达几秒，冲击加速度在100g以内，其被试品速度可达Ma 10及以上，但是冲击波形的一致性控制较为困难、波形校准不易实现，同时试验成本较高。
　　作为陆地上可以进行超声速试验的重要装置，目前全世界仅有美、俄、英、法、中5个国家拥有火箭橇。美国是*早进行火箭超声速研究的国家，也是目前实力*强的国家，2003年，美国在霍洛曼空军基地的高速测试滑轨上，使用4级火箭和13台发动机，将一个192lb(约87kg，1lb≈0.45kg)的测试物加速到2885m/s，约为声速的8倍，这条轨道后来经扩建延长至近16km，也是当今*长的火箭橇轨道，如图1.2.2所示。我国火箭橇起步较晚，于1993年6月开始建设国内**条、也是亚洲**条火箭橇轨道，试验场占地面积3250亩（1 亩≈666.67 m2），轨道全长3132m，采用1.435m标准轨距，直线精度在0.2mm以内，精度方面超过了美国霍洛曼空军基地的火箭橇。目前，该条火箭橇滑轨已延长至9km，与美国还存在较大差距。1998年，中国兵器工业总公司在陕西华阴基地建成了一条长1800m的滑轨，橇车*大速度可达Ma 3。
　　图1.2.2美国空军8倍声速火箭橇轨道
　　2） 基于火炮实弹射击的加速式高能效宽脉冲强冲击试验方法
　　通过在模拟身管中点燃***，从而推动模拟弹在身管内运动并产生一个加速式的强冲击加速度波形，其通过调整身管长度实现脉冲宽度的控制，调整***量和模拟弹质量可以实现冲击幅值的控制，脉冲宽度*长可达几十毫秒，冲击加速度幅值可实现几千g到几万g不等。但因动火试验成本高、风险大、难以实施等缺点，使得其应用范围受限，主要用于考核火工品的过载性能和抗过载能力。
　　国内针对10000g以上、持续时间大于3ms的试验标准和设备大多是从俄罗斯、乌克兰引进或仿制的。例如，南京理工大学引进的模拟炮射试验设备是俄罗斯的，该设备可对产品产生10000g以上的冲击波形，持续时间3ms，被考核模块质量达65kg，且产品不离开设备，能够实现无损回收。国内某研究单位通过仿制国外强冲击试验设备并进行改进，采用火药发射空气压力回收的方式，实现了加速度幅值12000g、脉宽3ms的加速度波形。南京理工大学采用火箭橇搭载弹丸碰撞侵彻混凝土获得径向加速度达到100000g、脉宽为1.5ms的加速度波形，无回收装置。但是对于超高g值（20000～100000g）、宽脉冲（2～15ms）的强冲击波形发生装置及试验方法的研究水平与国外同类型装备依然存在很大的差距。
　　美国陆军武器研究发展与工程中心(Armament Research， Development and Engineering Center， ARDEC)为进行精确制导弹的内弹道动力学研究，专门研发制造了一套精确制导弹及部件的新型高加速软回收装置，将精确制导弹发射出去，弹丸内装有弹载数据记录仪，身管正前方为软回收装置，通过压缩气体或水将高速的弹丸在近距离进行制动，尽可能不对弹丸造成损伤，见图1.2.3。
　　图1.2.3155mm精确制导弹及部件的新型高加速软回收装置
　　类似地，英国研制了Aerobutt 81mm高过载试验装置及软回收系统、美国研制了尤马试验场（Yuma Proving Grounds， YGP）155mm软回收系统和“草堆”（Hay）120mm软回收系统，德国莱茵金属公司研制了155mm软回收系统。俄罗斯研制的模拟炮射激励设备NTC12000可实现对被考核模块产生10000g以上的过载，持续时间3ms，被考核模块质量65kg，且产品不离开设备，无损回收，十分接近152mm加榴炮炮弹发射的内弹道受力过程。
　　3） 基于高压气炮的加速式高能效宽脉冲强冲击试验方法
　　该方法包括空气炮、氢气炮、氦气炮、氮气炮等，其中以氢气、氦气等轻质气体作为工作介质的气体炮又称为轻气炮。