溫麗晶，張春明，郭 超，段 璞，張連生，段卓平

(1.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082； 2.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

受2001年美國“9·11事件”的影響，核電廠安全殼能否抵御大型商用飛機(jī)的惡意撞擊成為世界各國核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)、核電廠研發(fā)人員乃至公眾關(guān)注的重要問題。美國核管理委員會在2009年修訂了聯(lián)邦法規(guī)10 CFR 50[1]，要求申請新建核電廠時必須評估大型商用飛機(jī)撞擊對核電廠的影響；中國國家核安全局2016年修訂HAF102法規(guī)時在此方面也提出了要求[2]。2011年美國核管理委員會還發(fā)布了飛機(jī)撞擊超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件評估相關(guān)導(dǎo)則RG 1.217[3]，指出美國電力研究院提出的新建核電廠設(shè)計(jì)的飛機(jī)撞擊評估方法(NEI 07-13)[4]是可以接受的，但是同時也說明RG 1.217和NEI 07-13包含敏感信息，公開版不包含評估方法的具體細(xì)節(jié)，因此無法獲取飛機(jī)撞擊評估所采用的撞擊曲線及詳細(xì)計(jì)算方法。目前，中國正在研發(fā)“CAP1400”和“華龍一號”等具有自主知識產(chǎn)權(quán)的三代新堆型，設(shè)計(jì)方也都考慮了安全殼抗大型商用飛機(jī)惡意撞擊問題；但是中國在此方面還沒有具體的技術(shù)支持文件，因此為了能夠更好地評價大型商用飛機(jī)惡意撞擊安全殼問題，有必要開展飛機(jī)撞擊安全殼載荷特性研究，為中國建立一套關(guān)于大型商用飛機(jī)撞擊安全殼的評估方法乃至為國家核安全局出臺相關(guān)技術(shù)文件奠定基礎(chǔ)。

早在20世紀(jì)60年代人們就開始了飛機(jī)撞擊安全殼的相關(guān)研究。1968年，Riera基于軟碰撞假設(shè)最早提出了軟沖擊模型[5]，隨后多位學(xué)者對Riera模型進(jìn)行了驗(yàn)證及修正[6-8]。Eibl[9]和Koechlin等[10]則分別對軟、硬沖擊的判別方法進(jìn)行了定性和定量研究。Sugano等[11]完成了F4幻影戰(zhàn)斗機(jī)的撞擊試驗(yàn)，驗(yàn)證并修正了Riera理論模型。Arros等[12]和Kostov等[13]還分別開展了波音747飛機(jī)撞擊反應(yīng)堆的數(shù)值模擬耦合計(jì)算。在NEI 07-13飛機(jī)撞擊評估方法中，考慮發(fā)動機(jī)的撞擊屬于硬沖擊，機(jī)身撞擊為軟沖擊，軟撞擊的沖擊載荷曲線采用修正的Riera理論模型進(jìn)行計(jì)算[4]，然而出于防恐等原因，并未公開沖擊載荷的詳細(xì)計(jì)算方法和計(jì)算結(jié)果。過去我國的研究主要集中在假定載荷-時間曲線下的安全殼動力響應(yīng)數(shù)值計(jì)算[14-16]，近年來逐漸認(rèn)識到應(yīng)該盡快考慮大型商用飛機(jī)撞擊問題[17]，部分學(xué)者也開展了飛機(jī)撞擊安全殼的數(shù)值模擬計(jì)算[18-20]，但是對于使用Riera理論模型進(jìn)行沖擊載荷曲線計(jì)算尚屬空白。

本文中開展飛機(jī)模型撞擊鋼筋混凝土運(yùn)動靶體試驗(yàn)，測量撞擊過程中飛機(jī)模型和運(yùn)動靶體的加速度-時間曲線，進(jìn)而計(jì)算出飛機(jī)模型的壓損載荷(力)及沖擊載荷(力)變化曲線，并驗(yàn)證使用修正的Riera理論模型計(jì)算飛機(jī)模型沖擊載荷的合理性及具體計(jì)算方法的正確性，以期為大型商用飛機(jī)撞擊的沖擊載荷曲線計(jì)算提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 飛機(jī)模型

真實(shí)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)包括桁條、隔框、蒙皮、發(fā)動機(jī)、燃油、座椅等部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積較大，開展全尺寸飛機(jī)撞擊試驗(yàn)的成本很高，因此有必要設(shè)計(jì)飛機(jī)模型以研究其沖擊載荷特性。本文中參考中國產(chǎn)大飛機(jī)C919的外形尺寸，設(shè)計(jì)了兩種尺寸的飛機(jī)模型，長度分別為2.2和3.8 m，如圖1和圖2所示。飛機(jī)模型與C919不完全相似，主要由機(jī)身、機(jī)翼和尾翼(包括垂尾和平尾)3部分組成，采用框架+蒙皮結(jié)構(gòu)。蒙皮材料采用與飛機(jī)材料相近的鋁合金；由于飛機(jī)模型不可能設(shè)計(jì)得很復(fù)雜，所以框架采用密度較高的鋼型材，便于兼顧飛機(jī)模型的質(zhì)量分布和總體質(zhì)量與縮比的C919飛機(jī)相對應(yīng)。兩種飛機(jī)模型的技術(shù)參數(shù)如表1所示，線密度分布分別如圖3和圖4所示。

1.2 靶體系統(tǒng)

碰撞過程中，靶體受到的載荷作用面積較大，直接測量比較復(fù)雜，且不能保證準(zhǔn)確性，因此將靶體設(shè)計(jì)為可沿撞擊方向運(yùn)動的運(yùn)動靶體，從而可通過測量撞擊過程中靶體的加速度-時間曲線或速度-時間曲線，計(jì)算出靶體受到的沖擊載荷-時間曲線。靶體系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖5所示：上滑道與靶體固連，下滑道與承臺固連，中間通過滾輪連接，以降低摩擦阻力。靶體在沖擊載荷作用下與上滑道一起滑動，與沖擊載荷(力)相比，摩擦阻力可以忽略。

為保證在200 m/s撞擊速度下靶體運(yùn)動對沖擊載荷的影響可以忽略，且便于測量靶體的運(yùn)動參數(shù)，將撞擊后的靶體速度控制在5 m/s左右，靶體及附屬運(yùn)動部分的質(zhì)量應(yīng)遠(yuǎn)大于飛機(jī)模型及附屬裝置的質(zhì)量。靶體材料為鋼筋混凝土，平均密度約為2.61×103kg/m3，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40，質(zhì)量配筋率大于2%。靶體設(shè)計(jì)參數(shù)及其與飛機(jī)模型的質(zhì)量對比見表2。

表2 靶體的設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters of target system

1.3 測試系統(tǒng)

使用火箭橇驅(qū)動飛機(jī)模型加速并以200 m/s的速度撞擊靶體，設(shè)計(jì)并布置4套測試系統(tǒng)：采用高速攝影系統(tǒng)觀測飛機(jī)模型撞靶前的姿態(tài)、著速及飛機(jī)模型撞靶破壞過程；將機(jī)載存儲過載測試系統(tǒng)(配置3個軸向加速度傳感器)安裝在飛機(jī)模型尾部，在飛機(jī)模型撞靶過程中完成動態(tài)數(shù)據(jù)采集和存儲，試驗(yàn)后將其回收，由計(jì)算機(jī)處理并再現(xiàn)飛機(jī)模型加速飛行以及撞靶全過程的加速度-時間曲線；將4個壓電加速度傳感器均勻安裝在運(yùn)動靶體背面，與電荷放大器和數(shù)據(jù)采集儀組成運(yùn)動靶體加速度測試系統(tǒng)，測量飛機(jī)模型撞擊過程中靶體的加速度-時間曲線；激光干涉測速系統(tǒng)(DISAR)由激光探頭、傳輸光纖、干涉儀、同步機(jī)和示波器組成，測量撞擊過程中靶體的運(yùn)動速度-時間曲線，試驗(yàn)時采用2路同步測量。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 測試結(jié)果

通過分析高速攝影數(shù)據(jù)得到飛機(jī)模型1和飛機(jī)模型2的著靶速度，分別為198.4和205.2 m/s。圖6顯示了兩個飛機(jī)模型與靶體在不同時刻(取撞擊時刻為時間零點(diǎn))的撞擊圖像，圖7顯示了撞擊后的飛機(jī)模型和靶體?？梢?，飛機(jī)模型完全損毀，靶體未發(fā)生破壞，符合Riera模型的軟沖擊假設(shè)。

圖8為飛機(jī)模型1尾部3個加速度傳感器測得的加速度(af)。圖9為飛機(jī)模型1以198.4 m/s的速度撞擊靶體時，靶體背面4個加速度傳感器測得的靶體加速度-時間(at-t)曲線(已濾波)。圖10為飛機(jī)模型1尾部3個傳感器信號相加并平均后得到的飛機(jī)模型1加速度-時間(afv-t)曲線。圖11為飛機(jī)模型1撞擊試驗(yàn)中靶體背面4個加速度傳感器相加并平均后得到的靶體加速度-時間(atv-t)曲線。圖12和圖13分別為試驗(yàn)測得的飛機(jī)模型2撞擊靶體過程中飛機(jī)模型的加速度-時間曲線和運(yùn)動靶體的加速度-時間曲線。

在飛機(jī)模型1撞擊試驗(yàn)中，靶體背后設(shè)置2個DISAR測點(diǎn)，測得靶體速度-時間(vt-t)曲線，如圖14所示。可見，靶體受到撞擊后速度不斷增加，最大速度分別為4.0和3.6 m/s，取平均值為3.8 m/s。對兩測點(diǎn)的平均速度進(jìn)行微分，得到靶體的加速度-時間曲線，如圖15所示。圖15還顯示了靶體加速度測試系統(tǒng)直接測得的靶體加速度-時間曲線。通過對比，可以看出：兩者的一致性較好，表明靶體加速度測試系統(tǒng)和DISAR速度測試系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)是可靠的。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1靶體沖擊載荷計(jì)算

根據(jù)靶體受到撞擊后的加速度-時間曲線或速度-時間曲線，可以計(jì)算出靶體受到的沖擊載荷Ft(t)，即：

式中：mt為靶體的質(zhì)量。

2.2.2飛機(jī)模型壓損載荷計(jì)算

根據(jù)Riera模型的假設(shè)[5]，撞擊面處的壓損載荷使飛機(jī)減速。因此，已知飛機(jī)模型的質(zhì)量和線密度，由測得的飛機(jī)模型的初始速度和加速度，就可以計(jì)算出飛機(jī)模型的壓損載荷，迭代計(jì)算步驟如下：

式中：Pci為飛機(jī)模型的壓損載荷，Δt為計(jì)算時間步長，vi、ai、μ、Li、mi分別為飛機(jī)模型的速度、加速度、線密度、損毀部分的長度與質(zhì)量。飛機(jī)模型1和模型2的初始速度v0分別為198.4和205.2 m/s，L0=0，m0為飛機(jī)模型總質(zhì)量。

通過計(jì)算得到兩個飛機(jī)模型的壓損載荷Pc隨時間t的變化，進(jìn)而得到壓損載荷沿機(jī)身長度方向的分布，如圖16所示?？梢钥闯?，兩條曲線的特征相似。

2.3 試驗(yàn)與理論結(jié)果對比

Riera[5]假設(shè)飛機(jī)撞擊屬于軟碰撞，得到作用于靶體碰撞表面的沖擊載荷為靜載項(xiàng)和動載項(xiàng)之和。Riera模型關(guān)注的是沖擊載荷，不考慮局部破壞，主要用于評估安全殼的整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)。Hornyik[7]和Kar[8]考慮飛機(jī)壓碎部分的結(jié)構(gòu)破壞特性和壓碎質(zhì)量在靶體表面的飛散分布，引入了修正系數(shù)α，得到修正的Riera公式：

式中：等號右邊第1項(xiàng)為壓損載荷項(xiàng)(靜載項(xiàng))，第2項(xiàng)為慣性力項(xiàng)(動載項(xiàng))；FR(t)為沖擊載荷，Pc為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的壓損載荷，μ為飛機(jī)沿軸線分布的線質(zhì)量密度，v為飛機(jī)破壞時的碰撞速度，x(t)為自飛機(jī)頭部算起的飛機(jī)破壞長度。

利用式(6)通過迭代方法可以計(jì)算出靶體受到的沖擊載荷FR(t)[5]，進(jìn)一步積分得到?jīng)_擊載荷的沖量IR(t)，即沖擊載荷-時間曲線的包絡(luò)面積。對利用測量的加速度-時間曲線或速度-時間曲線換算得到的沖擊載荷Ft(t)進(jìn)行積分，可以得到試驗(yàn)的沖擊載荷沖量It(t)。通過對比α取不同值時由理論計(jì)算得到的沖擊載荷的沖量IR和利用加速度測量值換算得到的沖擊載荷沖量It，可以確定α的合理取值。如圖17所示，式(6)中α取1.0時，飛機(jī)模型1的沖擊載荷沖量的理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測量結(jié)果吻合較好；α取0.8時，飛機(jī)模型2的沖擊載荷沖量的理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測量結(jié)果吻合較好。

確定了α值后，通過修正的Riera公式可以計(jì)算出飛機(jī)模型的沖擊載荷-時間曲線。圖18為沖擊載荷(F)理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測量結(jié)果的對比?？梢钥闯觯和ㄟ^修正的Riera公式并利用飛機(jī)模型加速度測量結(jié)果計(jì)算得到的沖擊載荷曲線與通過測量靶體加速度或速度計(jì)算得到的沖擊載荷曲線的波形特征一致，在飛機(jī)模型1的試驗(yàn)條件下沖擊載荷峰值的理論計(jì)算值與試驗(yàn)測量值吻合較好，在飛機(jī)模型2的試驗(yàn)條件下沖擊載荷峰值的理論計(jì)算值比試驗(yàn)測量值小，但總體來說，理論和試驗(yàn)兩種方法得到的沖擊載荷的包絡(luò)面積基本一致，總沖量的相對誤差小于3%。上述結(jié)果表明：通過測量撞擊過程中運(yùn)動靶體的加速度-時間曲線或速度-時間曲線，可以得到滿足工程計(jì)算且可信的沖擊載荷-時間曲線，同時也說明Riera軟沖擊模型可以用于預(yù)估飛機(jī)撞擊的沖擊載荷。

3 結(jié) 論

(1) 通過開展飛機(jī)模型撞擊試驗(yàn)，驗(yàn)證了通過測試靶體運(yùn)動獲得沖擊載荷的試驗(yàn)方法；根據(jù)靶體加速度和速度變化曲線計(jì)算出的沖擊載荷一致，驗(yàn)證了測試系統(tǒng)的可靠性和試驗(yàn)結(jié)果的合理性。

(2) 通過測量獲得了飛機(jī)模型的壓損載荷，確定了適用于飛機(jī)模型的修正Riera公式中動載項(xiàng)的修正系數(shù)α。使用修正Riera公式計(jì)算的沖擊載荷與采用靶體加速度或速度計(jì)算出的沖擊載荷一致，驗(yàn)證了Riera模型對飛機(jī)撞擊載荷預(yù)估的適用性，結(jié)果可為大型商用飛機(jī)撞擊核電廠的沖擊載荷計(jì)算提供理論依據(jù)和方法。

感謝中國兵器工業(yè)第051基地為試驗(yàn)提供的大力支持！

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