超高速撞击实验的三级压缩气炮技术＊

林俊德，张向荣，朱玉荣，刘文祥

（西北核技术研究所，陕西 西安 710024）

气炮是一种通过发射高速弹体撞击靶面实现冲击荷载的力学实验设备。当前被广泛应用的气炮是一级气炮和二级气炮，一级气炮采用压缩氮气或压缩氦气驱动弹体，最大弹速可达1.5km／s左右，主要用于材料的动力学性能实验和各种弹体的动能侵彻实验；二级气炮由两座一级炮串联而成，通过活塞把第1级气炮的驱动能量传递给第2级气炮，最大弹速可以达到8～10km／s，主要用于空间科学研究的超高速撞击实验和动高压物理研究的物质状态方程实验。

二级气炮的第1级通常采用火药爆燃驱动方式，火药的能量密度大，以火药作为驱动能源的二级气炮结构比较紧凑，但是存在环境污染和火工品安全管理问题。十多年前，西北核技术研究所成功建立了以压缩氮气代替火药驱动的二级气炮驱动技术［1］，改善了应用二级气炮的环保和安全条件，此技术先后在大学与兵器工业研究所的5座二级气炮建造中得到了应用。

与火药驱动的二级气炮相比，在弹速超过6km／s的发射实验中，压缩氮气驱动的二级气炮存在驱动能量不足的缺点，虽然通过提高驱动气压、增大气室容积和改用氦气驱动的方法可以提高压缩气炮的驱动能量，但是设备建造费用和实验运行成本都会因此迅速提高，推广应用仍有困难。西北核技术研究所曾经在气炮的活塞设计、弹丸设计和发射参数优化等方面开展研究工作，使氮气驱动的57－10二级压缩气炮的发射弹速达到8km／s以上，但是付出了发射管严重烧蚀扩孔的沉重代价，因此至今57－10二级压缩气炮还未能提供弹速到达8km／s的实验服务。

空间碎片撞击航天器的最大速度可以达到14km／s，平均撞击速度约9km／s［1］。空间碎片对航天器的破坏效果是随碎片质量、碎片材料、碎片形态、撞击角度和撞击速度而变化的，航天器的防护层设计及其防护能力的科学考核是一个十分复杂的课题，需要依靠深入的超高速撞击现象学基础研究来支持，提高超高速撞击实验水平变成了一个不可回避的课题。2009年的第五届全国空间碎片安全研讨会提供的信息资料表明，与先进国家相比，在我国的航天科学数据库里，超高速撞击实验数据几乎还是一片空白。在国外，20世纪60年代就普遍建立起了8～10km／s的超高速撞击实验技术，而我国至今尚未具备进行弹速超过7km／s的撞击实验能力，因此，研制高水平的超高速撞击实验装备仍然是摆在我国航天器安全研究面前的一个紧迫课题。

2005年，西北核技术研究所启动了三级压缩气炮研制工作，目标是改进拓展氮气驱动的多级压缩气炮发射技术，使之能够成为弹速达到8km／s的撞击实验服务平台，本文中，对57－37－10三级压缩气炮的设计与实验情况进行具体讨论。

1 物理设计

三级压缩气炮技术是在二级压缩气炮技术的基础上进行开发的，研制目的是扩展二级压缩气炮的上限弹速，实现弹速达8km／s的超高速撞击。

三级压缩气炮主要用于研究超高速撞击和空间防护结构实验，了解不同材料、不同形状的弹丸在不同速度下撞击不同材料与结构靶板时产生的物理效应和力学破坏问题。气炮的规模和造价基本上与弹径呈3次幂关系，即弹径增大1倍，气炮的重量和造价需要增大7倍左右。空间碎片撞击航天器的速度很高，毫米级碎片就具有很大的杀伤力。为了减小气炮的建造成本和运行成本，空间碎片的撞击实验通常都采用小弹径气炮，上限弹速超过8km／s的气炮发射管口径基本上都在5.6～12.7mm之间，三级压缩气炮弹丸直径也按此选取。

图1是三级压缩气炮的结构简图。为节省经费和充分利用已有的57－10二级压缩气炮［2］，三级压缩气炮的发射管口径选为10mm，一级气室、一级泵管以及一级活塞与现在运行中的57－10二级压缩气炮共用，需要新设计的就剩下二级气室、二级泵管、二级活塞、三级气室和发射管。

图1 三级压缩气炮的原理结构图Fig.1 The structure of three－stage compressed－gas gun

三级压缩气炮由2座二级压缩气炮串联组成，1～2级是一门特殊设计的二级压缩气炮。与通常的二级气炮设计要求不同，第2级的优化设计目标不是获得最大弹速（二级活塞速度），而是为2～3级组成的二级气炮输送尽可能大的弹丸发射能，改变57－10二级气炮能量传递效率不高的缺点。使在既定的57－10气炮0.01m3一级气室容积氮气驱动气压下，三级气炮能发射出比二级气炮更高速度的弹丸。

计算表明，发射弹速超过8km／s弹丸的三级气室气压峰值需要超过1GPa，减小二级泵管的直径不但可以提高2～3级的能量传递效率，还可以减小三级气室的强度设计负担，有利于减小气炮发射实验中的冲击震动和噪声干扰。但是，在采用压缩氮气驱动一级活塞的条件下，随着二级泵管直径的减小，1～2级的传送能量的效率也下降，不利于提高发射弹速，因此二级泵管口径、长度的优选必须考虑到多种因素之间的平衡。

表1是在原有57mm一级泵管口径和10mm发射管口径条件下，采用37mm和25mm两种二级泵管口径计算的发射效果。表中d为二级泵管口径，M为二级活塞质量，p1为驱动气压，p2为二级泵管初压，u2为二级活塞速度，x为二级活塞入锥量，p3为三级气室峰压，p为弹底峰压，u为弹丸速度。计算中弹丸速度采用57－10二级气炮研制运行中建立起来的经验程序，由1～2级计算出二级活塞速度，再以二级活塞速度作为2～3级二级气炮的驱动能源计算出弹丸速度。

影响三级气炮计算结果的可变参数很多，计算中只采用经过对比分析之后认为具有良好工程可行性的一组计算条件：一级泵管长12m，二级泵管长7.4m，发射管长4m，气室锥角20°，压缩氮气驱动一级活塞，一级泵管初充0.4MPa氢气，二级泵管初充0.2～0.4MPa氢气，一级破膜气压10MPa，二级破膜气压50MPa，一级活塞质量1kg，二级活塞质量250g，弹丸质量0.5g。

图2是根据表1中数据绘制的57－25－10三级气炮和57－37－10三级气炮弹底气压峰值随弹速的变化曲线。可以看到，在同一弹速下，57－37－10三级气炮弹底气压峰值低于57－25－10三级气炮，而降低弹底气压峰值是提高弹速上限的一个重要措施，采用37mm二级泵管口径显然更有利于提高三级气炮弹速上限。这与弹速超过8km／s的二级气炮泵管口径皆为发射管口径的4～8倍［3］的情况也基本一致，因此采用了37mm口径二级泵管的三级压缩气炮方案。

图3是57－37－10三级气炮中1～2级和2～3级发射参数变化过程的典型计算结果（计算参数同表1，二级泵管初压0.3MPa，t＝0为破膜发射的起始时刻）。

图3表明，在弹速约8km／s的发射中，计算的三级气室的气压峰值约1.4GPa，对应的气温峰值达到3 000℃，弹底气压峰值约90MPa，相应的二级活塞速度峰值约700m／s，二级气室与活塞底端的气压峰值约32MPa。

图2 弹底气压随弹速的变化Fig.2 The change of pressure behind projectile due to rising velocity of projectile

表1 57－25－10三级气炮和57－37－10三级气炮的发射效果差异Table1 The difference between launching projects on 57－25－10three－stage gas gun and 57－37－10three－stage gas gun

图3 57－37－10三级气炮的发射参数变化过程Fig.3 The changing course of parameters on 57－37－10three－stage gas gun

2 结构设计

57－37－10三级气炮的第1级采用西北核技术研究所1984年研制的57mm口径单级轻气炮［4］，该气炮气室容积0.01m3，最大驱动气压30MPa，发射管长12m，氮气驱动的最大弹速800m／s，氢气驱动的最大弹速1 400m／s。

图4 57气炮的气室与发射装置Fig.4 The pressure chamber and the launching equipment of 57gas gun

与大部分高速轻气炮的破膜发射方式不同，57气炮采用西北核技术研究所研制的高速锥阀发射［5］，操作更方便。图4是57－37－10三级气炮的一级气室与发射装置外观。

57－37－10三级气炮的二级气室沿用西北核技术研究所2002年研制的57－10二级气炮的二级气室结构形式，由于三级气炮的二级气室气压不到50MPa，比57－10二级气炮低5～10倍，级间的口径比值也小很多，没有必要采用锥面过渡，因而采用圆柱气室形式，外部结构尺寸完全沿袭57－10气炮设计。图5是57－37－10三级气炮的二级气室工程图与外观照片。

图5 57－37－10三级气炮的二级气室Fig.5 The pressure chamber 2of 57－37－10gas gun

图6是57－37－10三级气炮的三级气室结构图与外观照片。根据表1计算数据，当弹速超过8km／s时，三级气室的气压峰值超过1GPa，气室的强度按照3GPa气压抗力设计。出于发射实验后清理活塞和膜片的需要，三级气室成为一个便于装卸的直径和长度都为160mm的圆柱体。图7是57－37－10三级气炮的工作场景。

图6 57－37－10三级气炮的三级气室Fig.6 The pressure chamber 3of 57－37－10gas gun

图7 57－37－10三级压缩气炮Fig.7 The 57－37－10compressed－gas gun

3 调试实验

压缩氮气驱动的57－37－10三级气炮是57－10二级压缩气炮技术的延伸，目的是通过减小级间口径比改善多级压缩气炮能量传递效率，从而提高氮气驱动压缩气炮的弹速上限。因此，57－37－10三级压缩气炮调试实验的首要任务是通过实验评估57－37－10三级压缩气炮的弹速开发潜力，考察其设计思想的正确性。

10～12MPa氮气驱动实验结果已经表明，57－37－10三级气炮的设计思路方向是正确的。如表2数据所示，与同一驱动气压的57－10二级气炮相比，57－37－10的弹速显著提高了，高压气室的计算气温峰值明显下降了。弹速的增大说明级间的能量传递效率得到改善，高压气室气温峰值的下降说明发射管与弹丸的烧蚀风险在减小，而发射管与弹丸的烧蚀是提高弹速的最终障碍。因此，57－37－10三级气炮具备比57－10二级气炮发射更高弹速的潜力。表中pN为氮气驱动气压，pp为二级泵管氢气初压，m为弹丸质量，ue为实测弹速，T为计算气室气温。

表2 57－37－10三级气炮与57－10二级气炮的实验弹速对比Table2 The velocities of projects launching on 57－37－10three－stage gas gun and on 57－10two－stage gas gun

调试实验的第2个任务是优化发射参数组合，使得能够以最小的发射成本（多级气炮的高弹速发射成本主要来自发射管烧蚀）进行高弹速实验。三级气炮的发射参数构成比二级气炮复杂，包括驱动气压、一级活塞质量、一级泵管初压，一级膜片破裂气压、二级活塞质量、二级泵管初压、二级膜片破裂气压和弹丸质量8个变量，同一弹速发射可以由不同的发射参数组合来完成，但是效率和成本各不相同，需要在实践中进行科学优化。

调试实验的第3个任务是对一级活塞、二级活塞、一级膜片、二级膜片和弹丸进行三级优化，以提高57－37－10三级气炮的发射弹速上限。实践表明，二级活塞和弹丸的优化设计最重要，表2中57－10二级气炮（4m发射管）与57－37－10三级气炮的3个15.0MPa发射实验弹速存在明显差异就是因为使用了3个不同活塞设计造成的。

图8是表2中弹速为7 730m／s发射实验后的活塞、膜片与靶板外观照片。一级活塞变形不大，金属圆柱体可以重复使用，二级活塞在发射中出现严重塑性变形，厚25mm的钢质靶板被0.41g弹丸迎面撞击出一个直径25mm的弹坑，背面出现直径40mm的材料层裂性破坏凸起。

图8 发射实验后的活塞、膜片与弹坑Fig.8 The pistons and diaphragms after launching and the crater produced by impact of projectile

［1］黄本诚，马有礼.航天器空间环境试验技术［M］.北京：国防工业出版社，2002.

［2］林俊德.非火药驱动的二级轻气炮的发射参数分析［J］.爆炸与冲击，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］王金贵.气体炮原理及技术［M］.北京：国防工业出版社，2001：65－70.

［4］杨伯全，曹述生，林俊德.口径57mm单级压缩氢气炮［J］.爆炸与冲击，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.弹速1 400m／s的57mm气炮阀门［J］.爆炸与冲击，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.