压缩氮气驱动的高速气炮实验技术

张向荣，朱玉荣，，刘文祥

（西北核技术研究所，西安 710024）

0 引言

作为航天器安全防护技术研究的一个重要手段，早在20世纪60年代，多级气炮发射技术已在国外被广泛应用；十多年后，我国也建立了二级气炮发射技术。为了减小使用火工品带来的技术安全与管理方面的负担，降低气炮运行成本，西北核技术研究所成功地建立了以压缩氮气代替发射药驱动的二级气炮技术[1]，近年来又开发了压缩氮气驱动的三级气炮技术，使发射弹速提高到8 km/s，此间还开展了一系列高速撞击效应方面的实验研究。本文就采用压缩氮气驱动的二级气炮和三级气炮实验技术进行系统性介绍与讨论。

1 压缩氮气驱动的多级气炮技术特点

图1是西北核技术研究所研制的压缩氮气驱 动的57/37/10 三级气炮的结构简图，图2是实物照片。该三级气炮是从57 单级气炮和57/10 二级气炮发展过来的，可以根据不同实验内容和实验技术指标的变化来调整其结构配置，进行一级气炮、二级气炮或三级气炮实验。

同国际上流行的发射药驱动的多级气炮相比，气体压缩驱动气炮的最突出优点就是可减小安全顾虑和降低安全管理成本，此外还给实验室的环保工作和气炮清洁工作带来了不少方便。国际上至今很少见到使用压缩气体驱动的多级气炮，所见国外气体压缩驱动的二级气炮发射弹速也只达到6 km/s[2]，其主要原因是压缩气体的能量密度远小于发射药驱动的。尽管提高弹速上限是所有多级气炮建造者共同追求的目标，但提高弹速技术难度大、风险高，因而研究人员在实际实验中尽量避开使用上限弹速。

图1 三级压缩气炮结构示意图 Fig.1 A sketch of the three-stage gas gun

图2 西北核技术研究所气炮 Fig.2 The gas gun in the Northwest Institute of Nuclear Technology

从提高弹速考虑，单级“轻气炮”采用了轻质气体（氢气或氦气）压缩驱动，其发射弹速为1～1.7 km/s。考虑到高压氢气的使用存在严重安全问题，几乎所有国内外的高速单级轻气炮采用压缩氦气作为驱动能源。氦气的市场价格是氮气的30～50 倍，这将大大增加气炮使用成本。因此，我们的气体压缩驱动多级气炮选择氮气作为驱动源。

针对氢气/氦气，氮气压缩的驱动能源比较小，因此多级气炮需采取一些特殊措施来提高级间能量传递效率：第一个措施是适当加大泵管长度和适当降低泵管初充气压，取57/10 二级气炮的泵管长径比为200，泵管初充气压为0.08～0.1 MPa；第二个措施是增大高压气室的缓冲锥角，以减小活塞的入锥能耗，取57/10 二级气炮的高压气室锥角为20°（国内外多数二级气炮的气室锥角小于10°），57 /37/10 三级气炮的高压气室锥角取为60°。

采用高速阀门发射的气体压缩驱动气炮的技术准备工作比双破膜气炮简便，运行效率更高。西北核技术研究所的57 /10 高速阀门二级气炮曾经有过1 天进行6 次发射实验的记录；意大利阀门式二级气炮[2]具有每天进行10 次以上发射的实验能力：这有助于降低实验边际成本。降低实验成本和提高发射实验频度是气炮实验技术的又一个重要课题，这对于需要依靠大量实验数据才能充分揭示现象背后内在规律的空间碎片防护基础性研究工作尤为重要。

2 活塞质量与发射质量（弹丸质量）对发 射效果的影响

二级气炮活塞的功能是把一级气室的气压能转化为二级（高压）气室的气压能，活塞质量越大，能量传递效率越高。但是，二级气炮的破膜发射弹丸是在活塞还没有把全部能量转化给高压气室时就已开始，而且在弹丸离开发射管时，二级气室仍然保留部分气压能，活塞能量对弹丸的传递总效率是两步能量传递效率的综合。因此，二级气室对弹丸的能量传递效率是随活塞质量的增大而下降的，活塞质量的设计需要考虑两步能量传递效率的折中优化：随气炮结构参数（炮管口径与长度等）和发射参数（驱动气压、泵管初压及破膜气压等）的不同，设计应有所不同。合理的设计可以使活塞传递给弹丸的能量达到活塞总能量的1/5～1/3。

计算表明，弹速对活塞质量的变化并不十分敏感，因而活塞质量的优化设计不必太严格。图3是压缩氮气驱动的57/10 二级气炮在同一发射条件下、使用不同活塞质量发射0.6 g 弹丸时的气室压力和弹丸速度变化过程。气室压力随活塞质量的增大而增加，弹速则是采用1 kg 活塞时最高，这已反映出上述两步能量传递效果的影响。在57 /10 二级气炮上进行0.7～2.0 kg 活塞质量的对比发射实验，结果证明：在这个活塞质量范围里，弹速随活塞质量的变化不大。

图3 不同活塞质量的57/10 二级气炮发射效果 Fig.3 The launch effect of the 57/10 two-stage gas gun for variable mass of piston

发射管烧蚀随二级气室压力的增大而严重，而气室压力随活塞质量的增加而增大。因此，减小活塞质量有利于延长发射管使用寿命，通常情况下我们采用1 kg 活塞。

图4是57/10 二级气炮在同一发射条件下、使用不同质量弹丸的发射效果，0.4、0.6 和0.8 g 三种质量弹丸的发射弹速差异很小，弹丸后端气压随弹丸质量的增大而近乎正比升高。在高速弹丸发射中，弹后气压与气温的高低直接影响到发射管的烧蚀扩孔速度。因此只要不妨碍实验目的（对于空间碎片研究，实验目的一般是追求高弹速），应当尽可能采用小质量弹丸。

图4 不同弹丸质量的57/10 二级气炮发射效果 Fig.4 The launch effect of variable mass of projectile for the 57/10 two-stage gas gun

3 驱动气压与泵管初充气压的选择

原则上，改变驱动气压与泵管初充气压都可以改变压缩氮气驱动的多级气炮发射弹速，但是发射效果不尽相同，有必要进行优化组合。

图5是57/10 二级气炮在不同驱动气压和泵管初压之下的发射弹速变化情况，数据是根据57/10二级气炮的实验结果编制的经验程序计算的。曲线1、2、3 是泵管充氢气，曲线4 是泵管充氮气。曲线1 的活塞质量为1 kg，破膜气压为50 MPa；曲线2、3、4 的活塞质量为0.5 kg，破膜气压为5 MPa。

从图5看到，可以采用多种驱动气压和泵管初压的组合方式获得同一弹速：在弹速＞6 km/s 时，从减小弹丸破碎风险和延长发射管寿命考虑，采用曲线1 的发射组合比较好；对于2～6 km/s 弹速，选择的自由度比较大，倾向于采用曲线2 和曲线3的发射组合；当弹速＜2 km/s 时，只能采用泵管充氮气的发射曲线4。

图5 57/10 气炮弹速随驱动气压和泵管初压的变化 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 制约提高弹速上限的主要因素

空间碎片撞击航天器的最大相对速度可以达到14 km/s，平均撞击速度约9 km/s[3]。超高速撞击产生的物理力学现象随撞击速度的变化十分复杂，空间碎片对航天器撞击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，评估难度很大。为了提高空间碎片对航天器撞击损伤评价的可信度，需要大量地面超高速撞击模拟实验数据来支持。

虽然国外拥有不少弹速上限达到8～10 km/s的气炮，但超高速撞击实验研究文献中却很少报道8 km/s 以上的撞击实验数据，这说明能够提供撞击实验研究的实际弹速比声称的设备能力要小许多；国内在20 多年前就曾有弹速超过8 km/s 气炮的相关报道[4]，但是至今尚未见到7 km/s 的超高速撞击实验研究的数据。因此提高气炮弹速特别是实验服务弹速仍然是空间碎片防护研究工作的一个重要目标。

根据57/10 二级气炮和57/37/10 三级气炮的发射实践经验，制约气炮发射弹速上限的主要因素有2 个：一个是弹丸（弹托）的烧蚀和破碎，一个是发射管的烧蚀扩孔。

对57/10 二级气炮和57/37/10 三级气炮的发射计算表明：当弹速达到8 km/s 时，弹丸后端的驱动气压超过70 MPa，高于弹托材料的强度极限；气温超过700 K，高于弹托材料的熔化温度；加上弹 丸的圆柱面与发射管壁面存在强烈的摩擦，弹丸表面必然出现烧蚀和磨损，高压高温气体通过烧蚀磨损弹丸与发射管壁面的配合环隙高速流出，导致弹丸表面环隙的不断增大和弹丸后端气体的流失，致使弹速迅速下降。图6是57/37/10 三级气炮实验的钢靶弹坑：图6(a)是φ10 mm×7 mm 聚碳酸酯弹丸以7.8 km/s 速度撞击钢靶的正常弹坑，(b)是发射弹丸表面严重烧蚀时出现的6 km/s 速度撞击弹坑，(c)是破碎弹丸撞击的弹坑。这3 次实验的条件基本相同，但实际速度都没有达到8 km/s 的理论计算弹速值，发射效果的巨大差异原因尚不清楚，可能是一些容易被忽略的技术细节造成的。经验表明：随着发射弹速的增大，发射效果对活塞、膜片、弹丸的设计与工艺都变得敏感起来，对发射设备的清洁工作质量也提出了更高要求，对于某一种发射条件，弹速达到某个数值时发射成功率就迅速下降。

图6 弹丸不同破碎情况下撞击的钢靶弹坑 Fig.6 The craters on the steel target formed by various ruptured projectiles

计算还表明，高压气室的气压和气温随弹速的增大而迅速上升，当弹速到达某个数值之后，发射管壁面就会出现熔化烧蚀现象。我们曾经在57/10气炮上安排一个实验，在发射管入口段镶嵌3 个金属环，它们的材料分别是硬铝（熔点660 ℃）、黄铜（熔点840 ℃）和铸铁（熔点1200 ℃），在弹速约为6 km/s 的发射实验（计算的高压气室气压峰值为120 MPa，气温峰值为2200 K）中，铝环内孔严重烧蚀，孔径增大0.1 mm，黄铜环内孔直径没有变化，但是表面光洁度明显下降，铸铁环内孔表面没有任何变化。

发射管烧蚀扩孔初期会使弹速下降；当烧蚀扩孔达到一定程度之后，气炮便会完全丧失发射功能。图7是57/10 二级气炮报废发射管的入口段剖面照片及其孔径随孔口距变化的曲线，入口孔径增大了近0.6 mm，烧蚀扩孔段长度超过1 m。

图7 严重烧蚀扩孔的57/10 气炮发射管入口段 Fig.7 The ablative and bearizing performance at the entrance of transmitting tube on 57/10 two-stage gas gun

当弹速超过7～8 km/s 时，高压气室的峰值气压将超过1 GPa，气温超过3000 K，发射管入口部位的表面烧蚀和孔径增大现象不可避免。经过数次发射实验之后，就需要把发射管送到工厂进行修复，或者更换新发射管，使实验工作效率急剧下降，实验成本猛增。因此，即便撇开高弹速发射的技术难度问题，仅从工作效率和实验成本考虑，人们对于超过7 km/s 特别是8 km/s 以上弹速的实验也会“三思而后行”，这可能就是文献资料中缺少弹速超过7～8 km/s 实验数据的重要原因。

5 氮气压缩驱动多级气炮的应用

氮气压缩驱动的57/10 二级气炮可以开展1～7 km/s 弹速的实验，用于进行高速弹丸侵彻现象研究、空间碎片防护模拟实验研究和超高速撞击爆炸冲击波荷载研究。

图8是一组高速弹丸侵彻木板防护层的实验，其中尼龙弹托直径10 mm，钢质弹丸直径7～8 mm，发射速度1～3.3 km/s，弹重（弹托+弹丸）1～8 g，测量靶面的侵彻孔径和弹丸侵彻深度，可以看到：在1～3.3 km/s 弹速区域里，3 种弹丸的表面侵彻孔径都随弹速的增大而增加，且弹重越重，则侵彻孔径增加越快；弹丸侵彻深度呈现驼峰式变化过程， 造成最大侵深的弹丸速度随弹重的增大而减小，1 g弹丸的最大侵深出现在2.5 km/s 弹速附近，4 g 弹丸出现在1.5～2.0 km/s 区域，8 g 弹丸出现在1.0～1.5 km/s 区域。

图8 木板靶的高速弹丸侵彻孔径与侵彻深度 Fig.8 Aperture and depth of penetration on the timber plank by high speed projectiles

图9是在经典Whipple 防护结构中插入泡沫铝板的空间碎片撞击模拟实验装置，为了便于同经典Whipple 防护结构对比，通过改变舱板厚度的方式使两种结构的面密度相等。经典Whipple 防护结构的前板和后板分别为厚度1 mm 和2 mm 的铝板，防护结构的总厚度为100 mm，孔隙率65.2%的泡沫铝板的面密度相当于1 mm 厚的铝板。

图9 面密度相同的两种空间碎片防护结构 Fig.9 Two kinds of space debris protection structure with the same surface density

图10是直径2～7 mm 铝球以1.95～5.33 km/s速度撞击图9(b)防护结构的实验结果。计算表明，将泡沫铝板插入Whipple 结构可以提高防护能力和降低最大破坏弹速；实验结果验证了计算结论。

图11是一个在压缩氮气驱动57/37/10三级气炮上进行的φ10 mm×7 mm 聚碳酸酯弹丸以2.1～ 8.0 km/s 的速度撞击厚度为(2 +8+10 mm)多层LY12铝板的装置。图12是聚碳酸酯弹丸以8.0km/s 的速度撞击铝板靶的照片。实验结果表明，强度远小于LY12 铝的塑料弹丸在高速度下可以对多层铝板造成严重破坏，并且与通常Whipple 防护结构的弹道极限曲线不同，φ10 mm×7 mm 聚碳酸酯弹丸撞击的弹道极限曲线不呈现驼峰形，第二层铝板的破坏程度随弹速的增加而单调增大。

图10 插入泡沫铝板的Whipple 防护结构的弹道极限曲线 Fig.10 Ballistic limit curve of Whipple structure with foamed aluminum plate inserted

图11 塑料弹丸撞击铝板靶 Fig.11 A sketch of the plastic projectile impacting aluminum target

图12 8 km/s 速度聚碳酸酯弹丸撞击铝板靶效果 Fig.12 Effect of aluminum target impacted by polycarbonate projectile with velocity of 8km /s

可以看到，压缩氮气驱动的多级气炮技术开发和实验工作取得了长足进展，已经可提供8 km/s弹速之内的实验服务。

6 结束语

超高速撞击实验是建立空间碎片撞击效应评价方法不可缺少的一环，是研究开发新型防护技术的重要技术基础之一，在提高空间碎片防护技术工程水平上可发挥不可替代的作用。

空间碎片撞击效应的气炮实验可以分为两类： 一类是7 km/s 弹速以下的实验。现在看来，这部分实验技术已经相对成熟，工作效率高，实验成本低，适合于开展成百上千次的系列性实验，通过这些实验，建立起服务于开发计算技术和工程设计的基础数据库。

另一类是8～10 km/s 弹速的撞击实验。国内诸多单位的多年技术探索表明，该弹速范围的撞击实验确实是一项高难度、高成本的实验技术，超高速撞击的物理力学现象十分复杂，若缺少8～ 10 km/s 弹速的地面实验数据，则对空间碎片撞击效应的认识显然不可能是完整的。

致谢

参加本研究工作的还有刘冠兰、谭书舜、景吉勇等同志。

（References）

[1] 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 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] 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

[4] 王金贵.二级轻气炮超高速弹丸发射技术[J].高压物理学报,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