超高速撞擊實驗的三級壓縮氣炮技術＊

林俊德，張向榮，朱玉榮，劉文祥

（西北核技術研究所，陜西 西安 710024）

氣炮是一種通過發射高速彈體撞擊靶面實現沖擊荷載的力學實驗設備。當前被廣泛應用的氣炮是一級氣炮和二級氣炮，一級氣炮采用壓縮氮氣或壓縮氦氣驅動彈體，最大彈速可達1.5km／s左右，主要用于材料的動力學性能實驗和各種彈體的動能侵徹實驗；二級氣炮由兩座一級炮串聯而成，通過活塞把第1級氣炮的驅動能量傳遞給第2級氣炮，最大彈速可以達到8～10km／s，主要用于空間科學研究的超高速撞擊實驗和動高壓物理研究的物質狀態方程實驗。

二級氣炮的第1級通常采用火藥爆燃驅動方式，火藥的能量密度大，以火藥作為驅動能源的二級氣炮結構比較緊湊，但是存在環境污染和火工品安全管理問題。十多年前，西北核技術研究所成功建立了以壓縮氮氣代替火藥驅動的二級氣炮驅動技術［1］，改善了應用二級氣炮的環保和安全條件，此技術先后在大學與兵器工業研究所的5座二級氣炮建造中得到了應用。

與火藥驅動的二級氣炮相比，在彈速超過6km／s的發射實驗中，壓縮氮氣驅動的二級氣炮存在驅動能量不足的缺點，雖然通過提高驅動氣壓、增大氣室容積和改用氦氣驅動的方法可以提高壓縮氣炮的驅動能量，但是設備建造費用和實驗運行成本都會因此迅速提高，推廣應用仍有困難。西北核技術研究所曾經在氣炮的活塞設計、彈丸設計和發射參數優化等方面開展研究工作，使氮氣驅動的57－10二級壓縮氣炮的發射彈速達到8km／s以上，但是付出了發射管嚴重燒蝕擴孔的沉重代價，因此至今57－10二級壓縮氣炮還未能提供彈速到達8km／s的實驗服務。

空間碎片撞擊航天器的最大速度可以達到14km／s，平均撞擊速度約9km／s［1］?？臻g碎片對航天器的破壞效果是隨碎片質量、碎片材料、碎片形態、撞擊角度和撞擊速度而變化的，航天器的防護層設計及其防護能力的科學考核是一個十分復雜的課題，需要依靠深入的超高速撞擊現象學基礎研究來支持，提高超高速撞擊實驗水平變成了一個不可回避的課題。2009年的第五屆全國空間碎片安全研討會提供的信息資料表明，與先進國家相比，在我國的航天科學數據庫里，超高速撞擊實驗數據幾乎還是一片空白。在國外，20世紀60年代就普遍建立起了8～10km／s的超高速撞擊實驗技術，而我國至今尚未具備進行彈速超過7km／s的撞擊實驗能力，因此，研制高水平的超高速撞擊實驗裝備仍然是擺在我國航天器安全研究面前的一個緊迫課題。

2005年，西北核技術研究所啟動了三級壓縮氣炮研制工作，目標是改進拓展氮氣驅動的多級壓縮氣炮發射技術，使之能夠成為彈速達到8km／s的撞擊實驗服務平臺，本文中，對57－37－10三級壓縮氣炮的設計與實驗情況進行具體討論。

1 物理設計

三級壓縮氣炮技術是在二級壓縮氣炮技術的基礎上進行開發的，研制目的是擴展二級壓縮氣炮的上限彈速，實現彈速達8km／s的超高速撞擊。

三級壓縮氣炮主要用于研究超高速撞擊和空間防護結構實驗，了解不同材料、不同形狀的彈丸在不同速度下撞擊不同材料與結構靶板時產生的物理效應和力學破壞問題。氣炮的規模和造價基本上與彈徑呈3次冪關系，即彈徑增大1倍，氣炮的重量和造價需要增大7倍左右?？臻g碎片撞擊航天器的速度很高，毫米級碎片就具有很大的殺傷力。為了減小氣炮的建造成本和運行成本，空間碎片的撞擊實驗通常都采用小彈徑氣炮，上限彈速超過8km／s的氣炮發射管口徑基本上都在5.6～12.7mm之間，三級壓縮氣炮彈丸直徑也按此選取。

圖1是三級壓縮氣炮的結構簡圖。為節省經費和充分利用已有的57－10二級壓縮氣炮［2］，三級壓縮氣炮的發射管口徑選為10mm，一級氣室、一級泵管以及一級活塞與現在運行中的57－10二級壓縮氣炮共用，需要新設計的就剩下二級氣室、二級泵管、二級活塞、三級氣室和發射管。

圖1 三級壓縮氣炮的原理結構圖Fig.1 The structure of three－stage compressed－gas gun

三級壓縮氣炮由2座二級壓縮氣炮串聯組成，1～2級是一門特殊設計的二級壓縮氣炮。與通常的二級氣炮設計要求不同，第2級的優化設計目標不是獲得最大彈速（二級活塞速度），而是為2～3級組成的二級氣炮輸送盡可能大的彈丸發射能，改變57－10二級氣炮能量傳遞效率不高的缺點。使在既定的57－10氣炮0.01m3一級氣室容積氮氣驅動氣壓下，三級氣炮能發射出比二級氣炮更高速度的彈丸。

計算表明，發射彈速超過8km／s彈丸的三級氣室氣壓峰值需要超過1GPa，減小二級泵管的直徑不但可以提高2～3級的能量傳遞效率，還可以減小三級氣室的強度設計負擔，有利于減小氣炮發射實驗中的沖擊震動和噪聲干擾。但是，在采用壓縮氮氣驅動一級活塞的條件下，隨著二級泵管直徑的減小，1～2級的傳送能量的效率也下降，不利于提高發射彈速，因此二級泵管口徑、長度的優選必須考慮到多種因素之間的平衡。

表1是在原有57mm一級泵管口徑和10mm發射管口徑條件下，采用37mm和25mm兩種二級泵管口徑計算的發射效果。表中d為二級泵管口徑，M為二級活塞質量，p1為驅動氣壓，p2為二級泵管初壓，u2為二級活塞速度，x為二級活塞入錐量，p3為三級氣室峰壓，p為彈底峰壓，u為彈丸速度。計算中彈丸速度采用57－10二級氣炮研制運行中建立起來的經驗程序，由1～2級計算出二級活塞速度，再以二級活塞速度作為2～3級二級氣炮的驅動能源計算出彈丸速度。

影響三級氣炮計算結果的可變參數很多，計算中只采用經過對比分析之后認為具有良好工程可行性的一組計算條件：一級泵管長12m，二級泵管長7.4m，發射管長4m，氣室錐角20°，壓縮氮氣驅動一級活塞，一級泵管初充0.4MPa氫氣，二級泵管初充0.2～0.4MPa氫氣，一級破膜氣壓10MPa，二級破膜氣壓50MPa，一級活塞質量1kg，二級活塞質量250g，彈丸質量0.5g。

圖2是根據表1中數據繪制的57－25－10三級氣炮和57－37－10三級氣炮彈底氣壓峰值隨彈速的變化曲線?？梢钥吹?，在同一彈速下，57－37－10三級氣炮彈底氣壓峰值低于57－25－10三級氣炮，而降低彈底氣壓峰值是提高彈速上限的一個重要措施，采用37mm二級泵管口徑顯然更有利于提高三級氣炮彈速上限。這與彈速超過8km／s的二級氣炮泵管口徑皆為發射管口徑的4～8倍［3］的情況也基本一致，因此采用了37mm口徑二級泵管的三級壓縮氣炮方案。

圖3是57－37－10三級氣炮中1～2級和2～3級發射參數變化過程的典型計算結果（計算參數同表1，二級泵管初壓0.3MPa，t＝0為破膜發射的起始時刻）。

圖3表明，在彈速約8km／s的發射中，計算的三級氣室的氣壓峰值約1.4GPa，對應的氣溫峰值達到3 000℃，彈底氣壓峰值約90MPa，相應的二級活塞速度峰值約700m／s，二級氣室與活塞底端的氣壓峰值約32MPa。

圖2 彈底氣壓隨彈速的變化Fig.2 The change of pressure behind projectile due to rising velocity of projectile

表1 57－25－10三級氣炮和57－37－10三級氣炮的發射效果差異Table1 The difference between launching projects on 57－25－10three－stage gas gun and 57－37－10three－stage gas gun

圖3 57－37－10三級氣炮的發射參數變化過程Fig.3 The changing course of parameters on 57－37－10three－stage gas gun

2 結構設計

57－37－10三級氣炮的第1級采用西北核技術研究所1984年研制的57mm口徑單級輕氣炮［4］，該氣炮氣室容積0.01m3，最大驅動氣壓30MPa，發射管長12m，氮氣驅動的最大彈速800m／s，氫氣驅動的最大彈速1 400m／s。

圖4 57氣炮的氣室與發射裝置Fig.4 The pressure chamber and the launching equipment of 57gas gun

與大部分高速輕氣炮的破膜發射方式不同，57氣炮采用西北核技術研究所研制的高速錐閥發射［5］，操作更方便。圖4是57－37－10三級氣炮的一級氣室與發射裝置外觀。

57－37－10三級氣炮的二級氣室沿用西北核技術研究所2002年研制的57－10二級氣炮的二級氣室結構形式，由于三級氣炮的二級氣室氣壓不到50MPa，比57－10二級氣炮低5～10倍，級間的口徑比值也小很多，沒有必要采用錐面過渡，因而采用圓柱氣室形式，外部結構尺寸完全沿襲57－10氣炮設計。圖5是57－37－10三級氣炮的二級氣室工程圖與外觀照片。

圖5 57－37－10三級氣炮的二級氣室Fig.5 The pressure chamber 2of 57－37－10gas gun

圖6是57－37－10三級氣炮的三級氣室結構圖與外觀照片。根據表1計算數據，當彈速超過8km／s時，三級氣室的氣壓峰值超過1GPa，氣室的強度按照3GPa氣壓抗力設計。出于發射實驗后清理活塞和膜片的需要，三級氣室成為一個便于裝卸的直徑和長度都為160mm的圓柱體。圖7是57－37－10三級氣炮的工作場景。

圖6 57－37－10三級氣炮的三級氣室Fig.6 The pressure chamber 3of 57－37－10gas gun

圖7 57－37－10三級壓縮氣炮Fig.7 The 57－37－10compressed－gas gun

3 調試實驗

壓縮氮氣驅動的57－37－10三級氣炮是57－10二級壓縮氣炮技術的延伸，目的是通過減小級間口徑比改善多級壓縮氣炮能量傳遞效率，從而提高氮氣驅動壓縮氣炮的彈速上限。因此，57－37－10三級壓縮氣炮調試實驗的首要任務是通過實驗評估57－37－10三級壓縮氣炮的彈速開發潛力，考察其設計思想的正確性。

10～12MPa氮氣驅動實驗結果已經表明，57－37－10三級氣炮的設計思路方向是正確的。如表2數據所示，與同一驅動氣壓的57－10二級氣炮相比，57－37－10的彈速顯著提高了，高壓氣室的計算氣溫峰值明顯下降了。彈速的增大說明級間的能量傳遞效率得到改善，高壓氣室氣溫峰值的下降說明發射管與彈丸的燒蝕風險在減小，而發射管與彈丸的燒蝕是提高彈速的最終障礙。因此，57－37－10三級氣炮具備比57－10二級氣炮發射更高彈速的潛力。表中pN為氮氣驅動氣壓，pp為二級泵管氫氣初壓，m為彈丸質量，ue為實測彈速，T為計算氣室氣溫。

表2 57－37－10三級氣炮與57－10二級氣炮的實驗彈速對比Table2 The velocities of projects launching on 57－37－10three－stage gas gun and on 57－10two－stage gas gun

調試實驗的第2個任務是優化發射參數組合，使得能夠以最小的發射成本（多級氣炮的高彈速發射成本主要來自發射管燒蝕）進行高彈速實驗。三級氣炮的發射參數構成比二級氣炮復雜，包括驅動氣壓、一級活塞質量、一級泵管初壓，一級膜片破裂氣壓、二級活塞質量、二級泵管初壓、二級膜片破裂氣壓和彈丸質量8個變量，同一彈速發射可以由不同的發射參數組合來完成，但是效率和成本各不相同，需要在實踐中進行科學優化。

調試實驗的第3個任務是對一級活塞、二級活塞、一級膜片、二級膜片和彈丸進行三級優化，以提高57－37－10三級氣炮的發射彈速上限。實踐表明，二級活塞和彈丸的優化設計最重要，表2中57－10二級氣炮（4m發射管）與57－37－10三級氣炮的3個15.0MPa發射實驗彈速存在明顯差異就是因為使用了3個不同活塞設計造成的。

圖8是表2中彈速為7 730m／s發射實驗后的活塞、膜片與靶板外觀照片。一級活塞變形不大，金屬圓柱體可以重復使用，二級活塞在發射中出現嚴重塑性變形，厚25mm的鋼質靶板被0.41g彈丸迎面撞擊出一個直徑25mm的彈坑，背面出現直徑40mm的材料層裂性破壞凸起。

圖8 發射實驗后的活塞、膜片與彈坑Fig.8 The pistons and diaphragms after launching and the crater produced by impact of projectile

［1］黃本誠，馬有禮.航天器空間環境試驗技術［M］.北京：國防工業出版社，2002.

［2］林俊德.非火藥驅動的二級輕氣炮的發射參數分析［J］.爆炸與沖擊，1995，15（3）：229－239.LIN Jun－de.A analysis of launching parameters for a two－stage light gas gun not driving by powder［J］.Explosion and Shock Waves，1995，15（3）：229－239.

［3］王金貴.氣體炮原理及技術［M］.北京：國防工業出版社，2001：65－70.

［4］楊伯全，曹述生，林俊德.口徑57mm單級壓縮氫氣炮［J］.爆炸與沖擊，1985，5（4）：54－59.YANG Bo－quan，CAO Shu－sheng，LIN Jun－de.A single－stage light gas gun of 57mm caliber［J］.Explosion and Shock Waves，1985，5（4）：54－59.

［5］林俊德.彈速1 400m／s的57mm氣炮閥門［J］.爆炸與沖擊，1985，5（3）：61－66.LIN Jun－de.A valve for a 57mm caliber gas gun launching projects to velocity of 1 400m／s［J］.Explosion and Shock Waves，1985，5（3）：61－66.