張向榮，朱玉榮，，劉文祥

（西北核技術(shù)研究所，西安 710024）

0 引言

作為航天器安全防護技術(shù)研究的一個重要手段，早在20世紀60年代，多級氣炮發(fā)射技術(shù)已在國外被廣泛應(yīng)用；十多年后，我國也建立了二級氣炮發(fā)射技術(shù)。為了減小使用火工品帶來的技術(shù)安全與管理方面的負擔，降低氣炮運行成本，西北核技術(shù)研究所成功地建立了以壓縮氮氣代替發(fā)射藥驅(qū)動的二級氣炮技術(shù)[1]，近年來又開發(fā)了壓縮氮氣驅(qū)動的三級氣炮技術(shù)，使發(fā)射彈速提高到8 km/s，此間還開展了一系列高速撞擊效應(yīng)方面的實驗研究。本文就采用壓縮氮氣驅(qū)動的二級氣炮和三級氣炮實驗技術(shù)進行系統(tǒng)性介紹與討論。

1 壓縮氮氣驅(qū)動的多級氣炮技術(shù)特點

圖1是西北核技術(shù)研究所研制的壓縮氮氣驅(qū) 動的57/37/10 三級氣炮的結(jié)構(gòu)簡圖，圖2是實物照片。該三級氣炮是從57 單級氣炮和57/10 二級氣炮發(fā)展過來的，可以根據(jù)不同實驗內(nèi)容和實驗技術(shù)指標的變化來調(diào)整其結(jié)構(gòu)配置，進行一級氣炮、二級氣炮或三級氣炮實驗。

同國際上流行的發(fā)射藥驅(qū)動的多級氣炮相比，氣體壓縮驅(qū)動氣炮的最突出優(yōu)點就是可減小安全顧慮和降低安全管理成本，此外還給實驗室的環(huán)保工作和氣炮清潔工作帶來了不少方便。國際上至今很少見到使用壓縮氣體驅(qū)動的多級氣炮，所見國外氣體壓縮驅(qū)動的二級氣炮發(fā)射彈速也只達到6 km/s[2]，其主要原因是壓縮氣體的能量密度遠小于發(fā)射藥驅(qū)動的。盡管提高彈速上限是所有多級氣炮建造者共同追求的目標，但提高彈速技術(shù)難度大、風險高，因而研究人員在實際實驗中盡量避開使用上限彈速。

圖1 三級壓縮氣炮結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 A sketch of the three-stage gas gun

圖2 西北核技術(shù)研究所氣炮 Fig.2 The gas gun in the Northwest Institute of Nuclear Technology

從提高彈速考慮，單級“輕氣炮”采用了輕質(zhì)氣體（氫氣或氦氣）壓縮驅(qū)動，其發(fā)射彈速為1～1.7 km/s?？紤]到高壓氫氣的使用存在嚴重安全問題，幾乎所有國內(nèi)外的高速單級輕氣炮采用壓縮氦氣作為驅(qū)動能源。氦氣的市場價格是氮氣的30～50 倍，這將大大增加氣炮使用成本。因此，我們的氣體壓縮驅(qū)動多級氣炮選擇氮氣作為驅(qū)動源。

針對氫氣/氦氣，氮氣壓縮的驅(qū)動能源比較小，因此多級氣炮需采取一些特殊措施來提高級間能量傳遞效率：第一個措施是適當加大泵管長度和適當降低泵管初充氣壓，取57/10 二級氣炮的泵管長徑比為200，泵管初充氣壓為0.08～0.1 MPa；第二個措施是增大高壓氣室的緩沖錐角，以減小活塞的入錐能耗，取57/10 二級氣炮的高壓氣室錐角為20°（國內(nèi)外多數(shù)二級氣炮的氣室錐角小于10°），57 /37/10 三級氣炮的高壓氣室錐角取為60°。

采用高速閥門發(fā)射的氣體壓縮驅(qū)動氣炮的技術(shù)準備工作比雙破膜氣炮簡便，運行效率更高。西北核技術(shù)研究所的57 /10 高速閥門二級氣炮曾經(jīng)有過1 天進行6 次發(fā)射實驗的記錄；意大利閥門式二級氣炮[2]具有每天進行10 次以上發(fā)射的實驗?zāi)芰Γ哼@有助于降低實驗邊際成本。降低實驗成本和提高發(fā)射實驗頻度是氣炮實驗技術(shù)的又一個重要課題，這對于需要依靠大量實驗數(shù)據(jù)才能充分揭示現(xiàn)象背后內(nèi)在規(guī)律的空間碎片防護基礎(chǔ)性研究工作尤為重要。

2 活塞質(zhì)量與發(fā)射質(zhì)量（彈丸質(zhì)量）對發(fā) 射效果的影響

二級氣炮活塞的功能是把一級氣室的氣壓能轉(zhuǎn)化為二級（高壓）氣室的氣壓能，活塞質(zhì)量越大，能量傳遞效率越高。但是，二級氣炮的破膜發(fā)射彈丸是在活塞還沒有把全部能量轉(zhuǎn)化給高壓氣室時就已開始，而且在彈丸離開發(fā)射管時，二級氣室仍然保留部分氣壓能，活塞能量對彈丸的傳遞總效率是兩步能量傳遞效率的綜合。因此，二級氣室對彈丸的能量傳遞效率是隨活塞質(zhì)量的增大而下降的，活塞質(zhì)量的設(shè)計需要考慮兩步能量傳遞效率的折中優(yōu)化：隨氣炮結(jié)構(gòu)參數(shù)（炮管口徑與長度等）和發(fā)射參數(shù)（驅(qū)動氣壓、泵管初壓及破膜氣壓等）的不同，設(shè)計應(yīng)有所不同。合理的設(shè)計可以使活塞傳遞給彈丸的能量達到活塞總能量的1/5～1/3。

計算表明，彈速對活塞質(zhì)量的變化并不十分敏感，因而活塞質(zhì)量的優(yōu)化設(shè)計不必太嚴格。圖3是壓縮氮氣驅(qū)動的57/10 二級氣炮在同一發(fā)射條件下、使用不同活塞質(zhì)量發(fā)射0.6 g 彈丸時的氣室壓力和彈丸速度變化過程。氣室壓力隨活塞質(zhì)量的增大而增加，彈速則是采用1 kg 活塞時最高，這已反映出上述兩步能量傳遞效果的影響。在57 /10 二級氣炮上進行0.7～2.0 kg 活塞質(zhì)量的對比發(fā)射實驗，結(jié)果證明：在這個活塞質(zhì)量范圍里，彈速隨活塞質(zhì)量的變化不大。

圖3 不同活塞質(zhì)量的57/10 二級氣炮發(fā)射效果 Fig.3 The launch effect of the 57/10 two-stage gas gun for variable mass of piston

發(fā)射管燒蝕隨二級氣室壓力的增大而嚴重，而氣室壓力隨活塞質(zhì)量的增加而增大。因此，減小活塞質(zhì)量有利于延長發(fā)射管使用壽命，通常情況下我們采用1 kg 活塞。

圖4是57/10 二級氣炮在同一發(fā)射條件下、使用不同質(zhì)量彈丸的發(fā)射效果，0.4、0.6 和0.8 g 三種質(zhì)量彈丸的發(fā)射彈速差異很小，彈丸后端氣壓隨彈丸質(zhì)量的增大而近乎正比升高。在高速彈丸發(fā)射中，彈后氣壓與氣溫的高低直接影響到發(fā)射管的燒蝕擴孔速度。因此只要不妨礙實驗?zāi)康模▽τ诳臻g碎片研究，實驗?zāi)康囊话闶亲非蟾邚椝伲?，?yīng)當盡可能采用小質(zhì)量彈丸。

圖4 不同彈丸質(zhì)量的57/10 二級氣炮發(fā)射效果 Fig.4 The launch effect of variable mass of projectile for the 57/10 two-stage gas gun

3 驅(qū)動氣壓與泵管初充氣壓的選擇

原則上，改變驅(qū)動氣壓與泵管初充氣壓都可以改變壓縮氮氣驅(qū)動的多級氣炮發(fā)射彈速，但是發(fā)射效果不盡相同，有必要進行優(yōu)化組合。

圖5是57/10 二級氣炮在不同驅(qū)動氣壓和泵管初壓之下的發(fā)射彈速變化情況，數(shù)據(jù)是根據(jù)57/10二級氣炮的實驗結(jié)果編制的經(jīng)驗程序計算的。曲線1、2、3 是泵管充氫氣，曲線4 是泵管充氮氣。曲線1 的活塞質(zhì)量為1 kg，破膜氣壓為50 MPa；曲線2、3、4 的活塞質(zhì)量為0.5 kg，破膜氣壓為5 MPa。

從圖5看到，可以采用多種驅(qū)動氣壓和泵管初壓的組合方式獲得同一彈速：在彈速＞6 km/s 時，從減小彈丸破碎風險和延長發(fā)射管壽命考慮，采用曲線1 的發(fā)射組合比較好；對于2～6 km/s 彈速，選擇的自由度比較大，傾向于采用曲線2 和曲線3的發(fā)射組合；當彈速＜2 km/s 時，只能采用泵管充氮氣的發(fā)射曲線4。

圖5 57/10 氣炮彈速隨驅(qū)動氣壓和泵管初壓的變化 Fig.5 Effects of pressure of chamber and pressure of pump tube on the velocity of projectile for 57/10 two-stage gas gun

4 制約提高彈速上限的主要因素

空間碎片撞擊航天器的最大相對速度可以達到14 km/s，平均撞擊速度約9 km/s[3]。超高速撞擊產(chǎn)生的物理力學現(xiàn)象隨撞擊速度的變化十分復(fù)雜，空間碎片對航天器撞擊破壞效果是隨碎片質(zhì)量、碎片材料、碎片形態(tài)、撞擊角度和撞擊速度而變化的，評估難度很大。為了提高空間碎片對航天器撞擊損傷評價的可信度，需要大量地面超高速撞擊模擬實驗數(shù)據(jù)來支持。

雖然國外擁有不少彈速上限達到8～10 km/s的氣炮，但超高速撞擊實驗研究文獻中卻很少報道8 km/s 以上的撞擊實驗數(shù)據(jù)，這說明能夠提供撞擊實驗研究的實際彈速比聲稱的設(shè)備能力要小許多；國內(nèi)在20 多年前就曾有彈速超過8 km/s 氣炮的相關(guān)報道[4]，但是至今尚未見到7 km/s 的超高速撞擊實驗研究的數(shù)據(jù)。因此提高氣炮彈速特別是實驗服務(wù)彈速仍然是空間碎片防護研究工作的一個重要目標。

根據(jù)57/10 二級氣炮和57/37/10 三級氣炮的發(fā)射實踐經(jīng)驗，制約氣炮發(fā)射彈速上限的主要因素有2 個：一個是彈丸（彈托）的燒蝕和破碎，一個是發(fā)射管的燒蝕擴孔。

對57/10 二級氣炮和57/37/10 三級氣炮的發(fā)射計算表明：當彈速達到8 km/s 時，彈丸后端的驅(qū)動氣壓超過70 MPa，高于彈托材料的強度極限；氣溫超過700 K，高于彈托材料的熔化溫度；加上彈 丸的圓柱面與發(fā)射管壁面存在強烈的摩擦，彈丸表面必然出現(xiàn)燒蝕和磨損，高壓高溫氣體通過燒蝕磨損彈丸與發(fā)射管壁面的配合環(huán)隙高速流出，導致彈丸表面環(huán)隙的不斷增大和彈丸后端氣體的流失，致使彈速迅速下降。圖6是57/37/10 三級氣炮實驗的鋼靶彈坑：圖6(a)是φ10 mm×7 mm 聚碳酸酯彈丸以7.8 km/s 速度撞擊鋼靶的正常彈坑，(b)是發(fā)射彈丸表面嚴重燒蝕時出現(xiàn)的6 km/s 速度撞擊彈坑，(c)是破碎彈丸撞擊的彈坑。這3 次實驗的條件基本相同，但實際速度都沒有達到8 km/s 的理論計算彈速值，發(fā)射效果的巨大差異原因尚不清楚，可能是一些容易被忽略的技術(shù)細節(jié)造成的。經(jīng)驗表明：隨著發(fā)射彈速的增大，發(fā)射效果對活塞、膜片、彈丸的設(shè)計與工藝都變得敏感起來，對發(fā)射設(shè)備的清潔工作質(zhì)量也提出了更高要求，對于某一種發(fā)射條件，彈速達到某個數(shù)值時發(fā)射成功率就迅速下降。

圖6 彈丸不同破碎情況下撞擊的鋼靶彈坑 Fig.6 The craters on the steel target formed by various ruptured projectiles

計算還表明，高壓氣室的氣壓和氣溫隨彈速的增大而迅速上升，當彈速到達某個數(shù)值之后，發(fā)射管壁面就會出現(xiàn)熔化燒蝕現(xiàn)象。我們曾經(jīng)在57/10氣炮上安排一個實驗，在發(fā)射管入口段鑲嵌3 個金屬環(huán)，它們的材料分別是硬鋁（熔點660 ℃）、黃銅（熔點840 ℃）和鑄鐵（熔點1200 ℃），在彈速約為6 km/s 的發(fā)射實驗（計算的高壓氣室氣壓峰值為120 MPa，氣溫峰值為2200 K）中，鋁環(huán)內(nèi)孔嚴重燒蝕，孔徑增大0.1 mm，黃銅環(huán)內(nèi)孔直徑?jīng)]有變化，但是表面光潔度明顯下降，鑄鐵環(huán)內(nèi)孔表面沒有任何變化。

發(fā)射管燒蝕擴孔初期會使彈速下降；當燒蝕擴孔達到一定程度之后，氣炮便會完全喪失發(fā)射功能。圖7是57/10 二級氣炮報廢發(fā)射管的入口段剖面照片及其孔徑隨孔口距變化的曲線，入口孔徑增大了近0.6 mm，燒蝕擴孔段長度超過1 m。

圖7 嚴重燒蝕擴孔的57/10 氣炮發(fā)射管入口段 Fig.7 The ablative and bearizing performance at the entrance of transmitting tube on 57/10 two-stage gas gun

當彈速超過7～8 km/s 時，高壓氣室的峰值氣壓將超過1 GPa，氣溫超過3000 K，發(fā)射管入口部位的表面燒蝕和孔徑增大現(xiàn)象不可避免。經(jīng)過數(shù)次發(fā)射實驗之后，就需要把發(fā)射管送到工廠進行修復(fù)，或者更換新發(fā)射管，使實驗工作效率急劇下降，實驗成本猛增。因此，即便撇開高彈速發(fā)射的技術(shù)難度問題，僅從工作效率和實驗成本考慮，人們對于超過7 km/s 特別是8 km/s 以上彈速的實驗也會“三思而后行”，這可能就是文獻資料中缺少彈速超過7～8 km/s 實驗數(shù)據(jù)的重要原因。

5 氮氣壓縮驅(qū)動多級氣炮的應(yīng)用

氮氣壓縮驅(qū)動的57/10 二級氣炮可以開展1～7 km/s 彈速的實驗，用于進行高速彈丸侵徹現(xiàn)象研究、空間碎片防護模擬實驗研究和超高速撞擊爆炸沖擊波荷載研究。

圖8是一組高速彈丸侵徹木板防護層的實驗，其中尼龍彈托直徑10 mm，鋼質(zhì)彈丸直徑7～8 mm，發(fā)射速度1～3.3 km/s，彈重（彈托+彈丸）1～8 g，測量靶面的侵徹孔徑和彈丸侵徹深度，可以看到：在1～3.3 km/s 彈速區(qū)域里，3 種彈丸的表面侵徹孔徑都隨彈速的增大而增加，且彈重越重，則侵徹孔徑增加越快；彈丸侵徹深度呈現(xiàn)駝峰式變化過程， 造成最大侵深的彈丸速度隨彈重的增大而減小，1 g彈丸的最大侵深出現(xiàn)在2.5 km/s 彈速附近，4 g 彈丸出現(xiàn)在1.5～2.0 km/s 區(qū)域，8 g 彈丸出現(xiàn)在1.0～1.5 km/s 區(qū)域。

圖8 木板靶的高速彈丸侵徹孔徑與侵徹深度 Fig.8 Aperture and depth of penetration on the timber plank by high speed projectiles

圖9是在經(jīng)典Whipple 防護結(jié)構(gòu)中插入泡沫鋁板的空間碎片撞擊模擬實驗裝置，為了便于同經(jīng)典Whipple 防護結(jié)構(gòu)對比，通過改變艙板厚度的方式使兩種結(jié)構(gòu)的面密度相等。經(jīng)典Whipple 防護結(jié)構(gòu)的前板和后板分別為厚度1 mm 和2 mm 的鋁板，防護結(jié)構(gòu)的總厚度為100 mm，孔隙率65.2%的泡沫鋁板的面密度相當于1 mm 厚的鋁板。

圖9 面密度相同的兩種空間碎片防護結(jié)構(gòu) Fig.9 Two kinds of space debris protection structure with the same surface density

圖10是直徑2～7 mm 鋁球以1.95～5.33 km/s速度撞擊圖9(b)防護結(jié)構(gòu)的實驗結(jié)果。計算表明，將泡沫鋁板插入Whipple 結(jié)構(gòu)可以提高防護能力和降低最大破壞彈速；實驗結(jié)果驗證了計算結(jié)論。

圖11是一個在壓縮氮氣驅(qū)動57/37/10三級氣炮上進行的φ10 mm×7 mm 聚碳酸酯彈丸以2.1～ 8.0 km/s 的速度撞擊厚度為(2 +8+10 mm)多層LY12鋁板的裝置。圖12是聚碳酸酯彈丸以8.0km/s 的速度撞擊鋁板靶的照片。實驗結(jié)果表明，強度遠小于LY12 鋁的塑料彈丸在高速度下可以對多層鋁板造成嚴重破壞，并且與通常Whipple 防護結(jié)構(gòu)的彈道極限曲線不同，φ10 mm×7 mm 聚碳酸酯彈丸撞擊的彈道極限曲線不呈現(xiàn)駝峰形，第二層鋁板的破壞程度隨彈速的增加而單調(diào)增大。

圖10 插入泡沫鋁板的Whipple 防護結(jié)構(gòu)的彈道極限曲線 Fig.10 Ballistic limit curve of Whipple structure with foamed aluminum plate inserted

圖11 塑料彈丸撞擊鋁板靶 Fig.11 A sketch of the plastic projectile impacting aluminum target

圖12 8 km/s 速度聚碳酸酯彈丸撞擊鋁板靶效果 Fig.12 Effect of aluminum target impacted by polycarbonate projectile with velocity of 8km /s

可以看到，壓縮氮氣驅(qū)動的多級氣炮技術(shù)開發(fā)和實驗工作取得了長足進展，已經(jīng)可提供8 km/s彈速之內(nèi)的實驗服務(wù)。

6 結(jié)束語

超高速撞擊實驗是建立空間碎片撞擊效應(yīng)評價方法不可缺少的一環(huán)，是研究開發(fā)新型防護技術(shù)的重要技術(shù)基礎(chǔ)之一，在提高空間碎片防護技術(shù)工程水平上可發(fā)揮不可替代的作用。

空間碎片撞擊效應(yīng)的氣炮實驗可以分為兩類： 一類是7 km/s 彈速以下的實驗。現(xiàn)在看來，這部分實驗技術(shù)已經(jīng)相對成熟，工作效率高，實驗成本低，適合于開展成百上千次的系列性實驗，通過這些實驗，建立起服務(wù)于開發(fā)計算技術(shù)和工程設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

另一類是8～10 km/s 彈速的撞擊實驗。國內(nèi)諸多單位的多年技術(shù)探索表明，該彈速范圍的撞擊實驗確實是一項高難度、高成本的實驗技術(shù)，超高速撞擊的物理力學現(xiàn)象十分復(fù)雜，若缺少8～ 10 km/s 彈速的地面實驗數(shù)據(jù)，則對空間碎片撞擊效應(yīng)的認識顯然不可能是完整的。

致謝

參加本研究工作的還有劉冠蘭、譚書舜、景吉勇等同志。

（References）

[1] 林俊德.非火藥驅(qū)動的二級輕氣炮的發(fā)射參數(shù)分析[J].爆炸與沖擊,1995,15(3): 229-239 Lin Junde.A analysis of launching parameters for a two stage light gas gun not driven by power[J].Explosion and Shock Waves,1995,15(3): 229-239

[2] Pavarin D,Franceseconi A.Improvement of the CISAS high-shot-frequency light-gas gun[J].International Journal of Impact Engrineering,2003,29: 549-562

[3] 黃本誠,馬有禮.航天器空間環(huán)境試驗技術(shù)[M].北京: 國防工業(yè)出版社,2002

[4] 王金貴.二級輕氣炮超高速彈丸發(fā)射技術(shù)[J].高壓物理學報,1992,6(4): 264-272 Wang Jingui.The launching technique of hypervelocity projectiles in two-stage light gas gun[J].Chinese Journal of High Pressure Physics,1992,6(4): 264-272