宋光明,李明,龔自正,武強(qiáng),徐坤博

(1.可靠性與環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,北京100094;2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,北京100094;3.中國(guó)空間技術(shù)研究院,北京100094)

1 引言

超高速發(fā)射技術(shù)是將物體加速到每秒幾公里至十幾公里甚至更高的實(shí)驗(yàn)技術(shù),具備超高速發(fā)射實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ情_(kāi)展超高速碰撞現(xiàn)象和機(jī)理研究的前提條件之一[1]。超高速碰撞所產(chǎn)生的沖擊壓力遠(yuǎn)大于彈丸和靶的強(qiáng)度,超高速碰撞過(guò)程往往伴隨著材料的多形性變化、熔化、氣化甚至等離子體化等復(fù)雜物理化學(xué)過(guò)程的發(fā)生[2],為深入研究超高速碰撞現(xiàn)象和機(jī)理,必須發(fā)展具備重復(fù)加速任意形狀物體到超高速的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

空間碎片與航天器的碰撞是典型的超高速碰撞研究范疇。在近地軌道,空間碎片和航天器的相對(duì)撞擊速度高達(dá)15km/s,平均撞擊速度近10km/s[3]。超高速撞擊產(chǎn)生的沖擊壓力超過(guò)航天器材料屈服強(qiáng)度的數(shù)十到數(shù)百倍,毫米級(jí)尺寸碎片即可對(duì)航天器結(jié)構(gòu)和載荷造成嚴(yán)重的機(jī)械損傷。此外,毫米級(jí)尺寸空間碎片數(shù)量眾多,且無(wú)法對(duì)其進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和預(yù)警,嚴(yán)重威脅航天器安全[4-7]。為保障航天器安全,必須發(fā)展毫米級(jí)尺寸空間碎片地面模擬超高速發(fā)射技術(shù),從而開(kāi)展航天器空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

由文獻(xiàn) [8]可知,在航天器空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中,彈道極限方程的獲取至關(guān)重要。彈道極限方程的獲取主要通過(guò)開(kāi)展大量的超高速撞擊實(shí)驗(yàn)獲得,為方便重復(fù)實(shí)驗(yàn)和研究,幾乎所有彈道極限方程均將不規(guī)則形狀空間碎片作為球形處理,因此超高速發(fā)射球形彈丸就成為了航天器空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究的關(guān)鍵條件之一。二級(jí)輕氣炮技術(shù)具備發(fā)射彈丸的質(zhì)量、尺寸、形狀和材料選擇范圍廣,且彈丸能夠在承受較低加速度和應(yīng)力的情況下獲得較高的速度等優(yōu)勢(shì),因此在空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)彈道極限方程研究中得以廣泛應(yīng)用[9]。但是,目前二級(jí)輕氣炮對(duì)數(shù)量眾多、危害較大的毫米級(jí)空間碎片的模擬速度基本在8km/s以下,低于近地軌道空間碎片和航天器的平均撞擊速度,僅能夠模擬近地軌道上40%數(shù)量的空間碎片撞擊威脅[10]。對(duì)于更高撞擊速度范圍的彈道極限方程研究,目前主要通過(guò)數(shù)值仿真和分析方法開(kāi)展,缺乏有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證和修正,使得防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)存在一定的風(fēng)險(xiǎn),因此迫切需要開(kāi)展毫米級(jí)球形彈丸8km/s以上超高速發(fā)射實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究。

本文首先簡(jiǎn)述了能夠?qū)椡杓铀僦脸咚俚陌l(fā)射技術(shù),重點(diǎn)介紹了近幾年來(lái)美國(guó)、法國(guó)和德國(guó)等國(guó)家在8km/s以上毫米級(jí)球形彈丸發(fā)射實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究中所取得的最新進(jìn)展,相關(guān)進(jìn)展可為我國(guó)毫米級(jí)球形彈丸發(fā)射實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展提供良好的借鑒。

2 超高速發(fā)射技術(shù)簡(jiǎn)述

近幾十年來(lái),研究人員依據(jù)不同的加速原理,發(fā)展出了靜電加速技術(shù)、電磁加速技術(shù)、等離子體加速技術(shù)、激光驅(qū)動(dòng)加速技術(shù)、爆炸驅(qū)動(dòng)技術(shù)和輕氣炮技術(shù)等多種可將物體加速至超高速的超高速發(fā)射實(shí)驗(yàn)技術(shù)?？捎糜诳臻g碎片地面模擬的幾種常用超高速發(fā)射實(shí)驗(yàn)裝置性能范圍如圖1所示[11],下面將對(duì)常用的超高速發(fā)射技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

圖1 常用超高速發(fā)射實(shí)驗(yàn)裝置性能范圍[11]Fig.1 Performance range of hypervelocity launch test devices[11]

2.1 靜電加速技術(shù)

使用靜電加速原理加速微粒子至超高速的概念首先由Shelton于1960年提出[12],1978年德國(guó)Max-Plank研究所設(shè)計(jì)研制了第一臺(tái)粉塵靜電加速器[13],目前國(guó)際上已經(jīng)利用靜電加速裝置開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)[14]。

圖2 靜電式微小碎片加速器結(jié)構(gòu)示意圖[16]Fig.2 Structure diagram of electrostatic micro-debris accelerator[16]

靜電加速技術(shù)可將尺寸為0.1～10μm的球形帶電粒子加速至近100km/s,可見(jiàn)靜電加速技術(shù)可發(fā)射彈丸直徑小,為微米級(jí)及以下量級(jí),適用于宇宙塵埃、空間微流星體等微小粒子的超高速碰撞效應(yīng)研究。

2.2 電磁加速技術(shù)

電磁加速技術(shù)是指利用洛倫茲力加速金屬或者等離子體電樞,金屬或者等離子體電樞是磁場(chǎng)中電路的可移動(dòng)部分。通過(guò)對(duì)移動(dòng)的電樞進(jìn)行合理設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)加速?gòu)椡璧哪康摹ｋ姶跑壍琅谑前l(fā)展利用電磁加速技術(shù)的主要形式,主要由兩條平行的金屬導(dǎo)軌、一個(gè)沿導(dǎo)軌軸線方向滑動(dòng)的電樞和大功率脈沖發(fā)生器等組成,其基本工作原理示意圖如圖3所示[15]。

圖3 電磁軌道炮工作原理示意圖[15]Fig.3 Schematic diagram of working principle of electromagnetic railgun[15]

目前利用電磁加速技術(shù)已經(jīng)可以將質(zhì)量0.3～300g的彈丸加速至2～10km/s以上的速度[17-21]。在應(yīng)用過(guò)程中,電磁軌道炮的一個(gè)最有趣的特征是它具備助推加速的能力,由于等離子體電樞的速度可以高達(dá)14km/s以上,因此電磁軌道炮可以用作二級(jí)輕氣炮的第三級(jí),從而進(jìn)一步提高彈丸速度[20,21]。此時(shí),二級(jí)輕氣炮所發(fā)射的彈丸后部的相當(dāng)部分推進(jìn)劑將被電弧激勵(lì)形成導(dǎo)軌炮的移動(dòng)導(dǎo)電等離子體電樞。電弧激勵(lì)與主軌道炮的電流觸發(fā)同時(shí)發(fā)生,使得等離子體電樞可以繼續(xù)加速?gòu)椡柚翗O高的速度。

電磁加速技術(shù)具備較好的工程應(yīng)用前景,目前的主要問(wèn)題在于無(wú)法控制8km/s以上速度時(shí)所發(fā)射彈丸的完整性,此外超高速條件下導(dǎo)軌的燒蝕和磨損導(dǎo)致的壽命問(wèn)題也待解決。

2.3 等離子體加速技術(shù)

等離子體加速是指采用大容量充電電容器組脈沖觸發(fā)氣體放電產(chǎn)生等離子體,通過(guò)同軸電極加速等離子體,利用磁壓縮線圈進(jìn)一步壓縮等離子體,形成高速等離子體團(tuán)從噴嘴處以大約1GPa的壓力噴射出,從而驅(qū)動(dòng)放置于噴嘴處的微粒,使微粒達(dá)到超高速的加速技術(shù)[22]。

利用等離子體加速技術(shù)可以將10-8～10-4g質(zhì)量的微粒加速至20km/s的速度[23],可以將直徑為1mm的鋁球形彈丸加速至10～100m/s[24]。等離子體加速器的原理圖如圖4所示[25]。

圖4 等離子體加速器原理圖[25]Fig.4 Schematic diagram of plasma accelerator[25]

通過(guò)對(duì)磁壓縮線圈中等離子體流熱量的測(cè)試和分析發(fā)現(xiàn),其最大動(dòng)壓出現(xiàn)在磁壓縮線圈內(nèi)靠近狹窄的一端。因此同上文電磁軌道炮作為次級(jí)助推器類似,可以使用一個(gè)預(yù)先加速設(shè)備將彈丸在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)發(fā)射至磁壓縮線圈內(nèi)等離子體流動(dòng)壓最大的位置,再由等離子體加速器作為第二級(jí)加速器,將彈丸進(jìn)一步加速。已有研究表明,通過(guò)將輕氣炮與等離子體加速器的合理結(jié)合可將0.6mm直徑的玻璃彈丸加速至16～20km/s[26]。

等離子體加速技術(shù)具有如下特點(diǎn):所發(fā)射微粒直徑小、速度快,微粒的運(yùn)動(dòng)路徑不確定 (速度方向存在一個(gè)發(fā)散立體角),微粒速度不固定(存在一個(gè)分布)。利用等離子體加速技術(shù)可以模擬研究10～1000μm尺寸的微小空間碎片超高速撞擊,無(wú)法開(kāi)展毫米級(jí)及以上尺寸空間碎片超高速碰撞防護(hù)設(shè)計(jì)研究。

2.4 激光驅(qū)動(dòng)加速技術(shù)

激光驅(qū)動(dòng)加速技術(shù)是20世紀(jì)80年代末發(fā)展起來(lái)的一種新型動(dòng)高壓加載技術(shù)。1989年美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室利用大氣傳輸方式進(jìn)行了激光驅(qū)動(dòng)飛片的實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)利用激光器將厚2～10μm、直徑400～1000μm的鋁和銅飛片加速至5km/s以上速度[27]。與其他技術(shù)相比,激光驅(qū)動(dòng)加速技術(shù)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、容易與其他環(huán)境因素儀器組成綜合環(huán)境模擬設(shè)備、無(wú)化學(xué)污染和電磁干擾、便于實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)量和結(jié)果分析等特點(diǎn)。激光驅(qū)動(dòng)加速技術(shù)的基本原理示意圖如圖5所示[9]。

圖5 激光驅(qū)動(dòng)技術(shù)基本原理示意圖[9]Fig.5 Schematic diagram of basic principles of laser drive technology[9]

通過(guò)在透明約束基底材料上粘接或淀積一層金屬或非金屬薄膜,制備成飛片靶,將一束高強(qiáng)度脈沖激光透過(guò)基底材料入射到薄膜表面,使薄膜內(nèi)表面瞬間蒸發(fā)、氣化和電離,產(chǎn)生高溫高壓的等離子體。由于受到基底材料的約束,等離子體產(chǎn)生的高壓沖擊波作用在入射區(qū)前面的薄膜上,將作用部分薄膜剪切下來(lái)并高速驅(qū)動(dòng)出去,形成超高速飛片[28]。目前國(guó)際上通過(guò)激光驅(qū)動(dòng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)將8μm厚的三層飛片靶加速至23.6km/s[29]。

影響激光驅(qū)動(dòng)加速技術(shù)性能的因素主要有以下幾點(diǎn):激光能量、光束質(zhì)量和包括約束層、燒蝕涂層的飛片靶制備工藝,其中飛片靶的制備是關(guān)鍵技術(shù)。激光驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以發(fā)射微米級(jí)尺寸微小飛片至10km/s以上速度,可應(yīng)用于微流星體和微小空間碎片的地面實(shí)驗(yàn)?zāi)M,對(duì)于毫米級(jí)及以上尺寸飛片或球形彈丸的超高速發(fā)射以目前的技術(shù)發(fā)展水平還較為困難。

2.5 爆炸驅(qū)動(dòng)加速技術(shù)

爆炸驅(qū)動(dòng)加速技術(shù)是指直接或間接利用炸藥爆炸能量驅(qū)動(dòng)彈丸至超高速的加速技術(shù)。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于高壓科學(xué)領(lǐng)域的研究,具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低、工作可靠等特點(diǎn)。

直接利用爆炸能量驅(qū)動(dòng)彈丸是指直接利用高能炸藥爆炸能量驅(qū)動(dòng)與之接觸的粒子或平板至超高速,這種方式炸藥爆炸能量直接作用于彈丸,存在作用于彈丸上的爆轟壓力過(guò)高而導(dǎo)致彈丸破碎的情況發(fā)生,并且這種結(jié)構(gòu)一般只能使彈丸速度達(dá)到3～5km/s[2]。為進(jìn)一步提高速度,一般采用聚能裝藥結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

聚能裝藥結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。聚能裝藥結(jié)構(gòu)使用圓柱形炸藥塊,炸藥塊一端有一個(gè)同軸形狀的空腔 (通常是圓錐形),內(nèi)襯金屬(錐形金屬藥型罩)。炸藥的爆炸使得錐形金屬藥型罩沿軸線會(huì)聚而形成金屬射流并噴射出去[30-32]。

圖6 聚能裝藥結(jié)構(gòu)示意圖[11]Fig.6 Structure diagram of shaped charge[11]

通過(guò)使用聚能裝藥結(jié)構(gòu),可以將數(shù)克重量的彈丸加速至12km/s,但是由于該結(jié)構(gòu)所發(fā)射的金屬射流各部分之間存在速度梯度,金屬射流在飛行過(guò)程中不斷拉伸,最終形成不穩(wěn)定的質(zhì)量、形狀各異的高速粒子。聚能裝藥結(jié)構(gòu)的這種特性使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析變得十分復(fù)雜,且較難獲可重復(fù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,因此較少應(yīng)用于空間碎片模擬實(shí)驗(yàn)研究,一般僅可用于實(shí)驗(yàn)校驗(yàn),無(wú)法獲取與彈丸形狀密切相關(guān)的彈道極限方程[33]。

此外還有間接利用爆炸能量的爆炸驅(qū)動(dòng)加速技術(shù)。其中一種間接利用爆炸能量的驅(qū)動(dòng)加速技術(shù)通過(guò)使用爆炸透鏡技術(shù)實(shí)現(xiàn),該技術(shù)通過(guò)兩個(gè)階段加速?gòu)椡?第一級(jí)為一個(gè)線性爆炸驅(qū)動(dòng)器,由含有氦氣的金屬管及周圍的高爆炸藥組成。高爆炸藥的爆炸使得金屬管向內(nèi)坍塌,壓縮氦氣產(chǎn)生一個(gè)虛擬活塞,以爆炸速度向彈丸移動(dòng)。彈丸和驅(qū)動(dòng)氣體被加速進(jìn)入第二級(jí),點(diǎn)燃爆炸透鏡同樣產(chǎn)生一個(gè)虛擬錐形活塞,從而將彈丸加速到最終速度。通過(guò)正確選擇爆炸速度和透鏡幾何結(jié)構(gòu),虛擬活塞可以遠(yuǎn)高于最高爆炸速度的速度運(yùn)動(dòng)。目前采用該方法,已實(shí)現(xiàn)將0.2g的彈丸發(fā)射至高于12km/s的速度[11],但是該技術(shù)還不能夠發(fā)射球形彈丸。

2.6 輕氣炮加速技術(shù)

輕氣炮加速技術(shù)是目前發(fā)展最成熟和應(yīng)用最廣泛的一種地面高速/超高速加速試驗(yàn)技術(shù)。輕氣炮分為一級(jí)輕氣炮、二級(jí)輕氣炮和多級(jí)輕氣炮,其中一級(jí)輕氣炮所能達(dá)到的最高速度一般不超過(guò)3km/s,因此對(duì)于超高速碰撞領(lǐng)域的研究,一般采用二級(jí)輕氣炮及多級(jí)輕氣炮[34-36]。下面以二級(jí)輕氣炮為例對(duì)其基本原理結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

世界上第一臺(tái)二級(jí)輕氣炮是由新墨西哥礦業(yè)學(xué)校的Crozler和Hume設(shè)計(jì)建造[37]。二級(jí)輕氣炮具有火藥驅(qū)動(dòng)和非火藥驅(qū)動(dòng)兩種形式,以火藥驅(qū)動(dòng)二級(jí)輕氣炮為例,其系統(tǒng)組成及工作原理圖分別如圖7和圖8所示。

圖7 火藥驅(qū)動(dòng)二級(jí)輕氣炮系統(tǒng)組成示意圖[38]Fig.7 System composition diagram of a two-stage light gasgun driven by gunpowder[38]

火藥驅(qū)動(dòng)二級(jí)輕氣炮系統(tǒng)主要由火藥室、泵管、高壓段、發(fā)射管、靶室以及真空系統(tǒng)和控制測(cè)量系統(tǒng)組成。發(fā)射時(shí),由控制系統(tǒng)點(diǎn)燃火藥,借助火藥燃燒所生成的高壓氣體驅(qū)動(dòng)活塞使其壓縮泵管內(nèi)的輕氣體 (氫氣或氦氣),當(dāng)活塞壓縮輕氣體運(yùn)動(dòng)至高壓段的錐形入口處時(shí),此時(shí)高壓段中受壓縮的輕氣體壓強(qiáng)超過(guò)高壓段阻隔膜片所能承受壓強(qiáng)而破裂,此時(shí)高壓輕氣體進(jìn)入發(fā)射管驅(qū)動(dòng)彈丸高速飛行。高壓輕氣體進(jìn)入發(fā)射管后壓力會(huì)急劇下降,但錐形設(shè)計(jì)的高壓段可以使壓力的下降得到很好的補(bǔ)償,活塞進(jìn)入錐形設(shè)計(jì)的高壓段后每前進(jìn)一步均使氣室體積急劇減小,導(dǎo)致壓力迅速上升,從而良好地補(bǔ)償了由于輕氣體驅(qū)動(dòng)彈丸體積膨脹所帶來(lái)的壓力減小損失,這種補(bǔ)償是二級(jí)輕氣炮最大的優(yōu)點(diǎn)[39]。

相比其他加速技術(shù),輕氣炮加速技術(shù)所具備的突出優(yōu)點(diǎn)是其所發(fā)射的彈丸的質(zhì)量、尺寸、形狀和材料具有更為寬廣的選擇范圍,且彈丸能夠在承受較低的加速度和較小的應(yīng)力情況下獲得較高的速度。因此輕氣炮技術(shù),尤其是二級(jí)輕氣炮技術(shù)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外開(kāi)展空間碎片地面超高速碰撞模擬研究最為重要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段之一。

3 8km/s以上毫米級(jí)球形彈丸超高速發(fā)射實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究進(jìn)展

上文簡(jiǎn)述了幾種常用的超高速發(fā)射技術(shù),然而對(duì)于8km/s以上毫米級(jí)空間碎片的地面模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù),特別是8km/s以上毫米級(jí)球形彈丸發(fā)射技術(shù)的研究還存在一系列的技術(shù)難題。按照施加到彈丸上的沖量 (或能量)函數(shù)對(duì)前述超高速加速技術(shù)進(jìn)行分類,目前有四種方法可以實(shí)現(xiàn)8km/s以上的超高速發(fā)射技術(shù)。

(1)靜電或電磁效應(yīng)

該方法基于高強(qiáng)度磁場(chǎng)所產(chǎn)生的洛倫茲力,目前對(duì)于8km/s以上超高速發(fā)射的主要困難是無(wú)法保持彈丸的性質(zhì)和完整性。

(2)動(dòng)量轉(zhuǎn)換

基于此方法原理的是等離子體驅(qū)動(dòng)和激光沖擊技術(shù),基于動(dòng)量轉(zhuǎn)換原理的加速技術(shù)可以將粒子速度加速到數(shù)十公里每秒的速度,但是目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)單個(gè)毫米級(jí)粒子的發(fā)射。

(3)材料相變 (固—?dú)廪D(zhuǎn)變)

利用該原理的典型技術(shù)是爆炸驅(qū)動(dòng)技術(shù),但是該技術(shù)無(wú)法保證彈丸的完整性。

(4)壓力氣體的絕熱壓縮和膨脹

二級(jí)輕氣炮是利用該方法的強(qiáng)有力工具,通過(guò)合理的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)8km/s以上速度并能夠保證彈丸的完整性。目前在8km/s以上毫米級(jí)球形彈丸發(fā)射技術(shù)的研究中基于二級(jí)輕氣炮技術(shù)的研究受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

目前國(guó)內(nèi)外發(fā)射超高速球形彈丸所采用的二級(jí)輕氣炮所能夠達(dá)到的速度一般在8km/s以下,提高發(fā)射速度不光受限于彈丸特性,還受限于輕氣炮發(fā)射組件的耐久性。在每個(gè)加速周期,高壓組件和發(fā)射管均要經(jīng)受極高載荷,當(dāng)進(jìn)一步提高發(fā)射速度至發(fā)射系統(tǒng)性能極限時(shí),這些組件會(huì)遭到破壞,需要修理才能再次使用[40]。因此,為提高輕氣炮的球形彈丸發(fā)射速度和發(fā)射質(zhì)量,需要在現(xiàn)有二級(jí)輕氣炮發(fā)射技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)展研究,通過(guò)增加第三級(jí)的方式或改進(jìn)現(xiàn)有的二級(jí)輕氣炮性能實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)。

3.1 三級(jí)輕氣炮發(fā)射技術(shù)研究

在二級(jí)輕氣炮的技術(shù)上進(jìn)一步提高發(fā)射技術(shù)的其中一種方法是在第二級(jí)炮的基礎(chǔ)上增加第三級(jí)炮。目前美國(guó)代頓大學(xué)使用改進(jìn)的三級(jí)輕氣炮技術(shù)實(shí)現(xiàn)了毫米級(jí)球形彈丸的8km/s以上超高速發(fā)射[41]。

美國(guó)代頓大學(xué)對(duì)于8km/s以上毫米級(jí)球形彈丸發(fā)射技術(shù)的研究始于1998年,所采用的方案是通過(guò)對(duì)已有的75/30mm二級(jí)輕氣炮增加第三級(jí)實(shí)現(xiàn),第三級(jí)發(fā)射管口徑8.1mm,使用修正的點(diǎn)火循環(huán)。實(shí)驗(yàn)中,施加于發(fā)射組件和彈丸上的載荷和應(yīng)力是極端的,三級(jí)組件通?；虺霈F(xiàn)兩種損傷模式:(1)炮管的燒蝕、磨損;(2)膨脹和永久變形。圖9給出了代頓大學(xué)所研制的三級(jí)輕氣炮獲得不同發(fā)射速度時(shí)對(duì)發(fā)射器的損傷程度評(píng)分,由圖可知,三級(jí)輕氣炮實(shí)現(xiàn)了8km/s以上球形彈丸發(fā)射目標(biāo),但是大部分獲得較高彈丸速度的實(shí)驗(yàn)也對(duì)發(fā)射器造成了不可接受的損傷。因此后續(xù)還需通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)三級(jí)炮系統(tǒng)使得在獲得更高彈丸速度的同時(shí)優(yōu)化炮的加載條件,減少對(duì)炮的損傷。

圖9 發(fā)射器損傷與發(fā)射彈丸速度關(guān)系示意圖(10=無(wú)損傷)[41]Fig.9 Diagram of relation between launcher damage and projectile velocity(10=no damage)[41]

2006年至今美國(guó)代頓大學(xué)持續(xù)開(kāi)展8km/s以上毫米級(jí)球形彈丸發(fā)射實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ρ芯?并在發(fā)射技術(shù)研究的基礎(chǔ)上開(kāi)展了8km/s以上球形彈丸撞擊Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)的超高速撞擊特性研究。在最新的實(shí)驗(yàn)中成功實(shí)現(xiàn)了1.4mm直徑鋁球形彈丸9.89km/s的超高速發(fā)射[42]。

在新的三級(jí)輕氣炮試驗(yàn)中,代頓大學(xué)開(kāi)展了8km/s以上鋁球形彈丸超高速撞擊特性試驗(yàn)研究[42-44],研究發(fā)現(xiàn)8km/s以上速度撞擊下Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)后墻損傷形貌明顯和8km/s以下速度不同,典型形貌如下圖10所示。

圖10 相同直徑彈丸7.28km/s和9.29km/s超高速撞擊防護(hù)結(jié)構(gòu)后墻形貌[42]Fig.10 Back wall morphology of 7.28km/s and 9.29km/s hypervelocity impact protection structures with the projectiles of the same diameter[42]

由圖中可以清晰地看出由于碎片云中材料物態(tài)的變化對(duì)后墻撞擊損傷模式的影響。7.28km/s速度試驗(yàn)的防護(hù)結(jié)構(gòu)后墻損傷模式可以看出,在由固體彈丸碎片撞擊形成的撞擊坑 (圓周邊界內(nèi))和固體緩沖屏碎片撞擊形成的撞擊坑 (邊界外)之間存在非常清晰的邊界。在后墻表面中心很小區(qū)域存在少許明顯熔化現(xiàn)象。9.29km/s速度試驗(yàn)得出的后墻損傷模式有幾個(gè)大致圓形的同心圓區(qū)域,并且不同區(qū)域呈現(xiàn)不同的紋理。同樣明顯的是,此時(shí)后墻表面存在大量 “射線”,或者說(shuō)由于熔化態(tài)的鋁液滴從后墻的中心向外流出時(shí)留下的痕跡。

圖11 9.29km/s速度球形彈丸撞擊防護(hù)結(jié)構(gòu)后墻不同區(qū)域損傷模式[42]Fig.11 Damage modes in different regions of the protection structure back wall hit by spherial projectiles with the velocity of 9.29km/s[42]

由撞擊速度≥9km/s的鋁彈丸正撞擊鋁緩沖屏而形成的碎片云對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)后墻造成的損傷模式可以看出后墻存在大量熔化態(tài)的鋁。對(duì)該表面使用顯微鏡進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)至少三個(gè)明顯不同的區(qū)域,這些區(qū)域構(gòu)成了后墻的損傷模式,如圖11所示。圖11(a)和 (b)中所示區(qū)域表面覆蓋了熔化態(tài)的鋁;圖11(c)中沒(méi)有覆蓋。

由圖11(a)中的區(qū)域特征可以判斷撞擊該區(qū)域后墻的碎片云材料是以近似正撞擊后墻表面的軌跡運(yùn)動(dòng)的。不規(guī)則形狀的 “撞擊坑”更接近圓形,多個(gè)撞擊坑的疊加形態(tài)顯示它們的形成是在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的。

圖11(b)區(qū)域具有很少的 “撞擊坑”和非常明顯的流型,這表明有大量熔化態(tài)的球形彈丸、緩沖屏和后墻材料沿著遠(yuǎn)離碎片云撞擊中心的徑向路徑流動(dòng)。這種流動(dòng)模式的一個(gè)有趣的特征是該區(qū)域的凝結(jié)物質(zhì)具有類似 “疊瓦作用”的明顯方向性。流型外邊界處的 “舌狀”熔融材料最先凝固,最接近撞擊中心的材料最后凝固。

圖11(c)所顯示的后墻區(qū)域表明該區(qū)域存在大量熔化材料。該區(qū)域存在的明顯的小的撞擊坑毫無(wú)疑問(wèn)是有固態(tài)緩沖屏碎片撞擊形成。這些撞擊坑的邊緣頻繁地改變了撞擊坑形成后到來(lái)的熔融態(tài)材料的流向。該區(qū)域還包含許多熔融態(tài)材料沿著后墻表面運(yùn)動(dòng)所形成的軌跡。在某些情況下,通常在撞擊速度低于9km/s時(shí),形成這些軌跡的熔融材料凝結(jié)在后墻上?？拷Ｊ街行牡募?xì)長(zhǎng)液滴的末端從后墻脫落卷曲,使后墻看起來(lái)存在 “胡須”。以更高的速度撞擊的防護(hù)結(jié)構(gòu)后墻并不常見(jiàn)這些 “胡須”,顯然這是因?yàn)橐旱胃鼰?且以更高的速度運(yùn)動(dòng),在它們凝固之前已經(jīng)從后墻表面離開(kāi)。

目前實(shí)驗(yàn)設(shè)備8km/s以上速度段所能發(fā)射的鋁球彈丸直徑小于同速度段下常用Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)臨界彈丸直徑,因此代頓大學(xué)開(kāi)展了縮比模型超高速撞擊彈道極限特性研究[42,43]?？s比采用幾何等比例縮比技術(shù),分別開(kāi)展了全尺寸模型、0.46比例模型和0.25比例模型彈道極限特性研究。試驗(yàn)結(jié)果同Christiansen彈道極限曲線進(jìn)行比較,如圖12所示。

由圖12可知,隨著縮放比例因子的減小,0.46比例防護(hù)結(jié)構(gòu)基本與Christiansen彈道極限曲線相符,而0.25比例防護(hù)結(jié)構(gòu)則隨著速度的增大明顯與Christiansen彈道極限曲線存在顯著差異。因此基于幾何等比例縮放技術(shù)并不能開(kāi)展防護(hù)結(jié)構(gòu)彈道極限特性研究。

3.2 改進(jìn)的二級(jí)輕氣炮發(fā)射技術(shù)研究

圖12 彈道極限方程曲線與三種比例Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)彈道極限曲線[43]Fig.12 Ballistic limit equation curve and three proportional Whipple protective structures’experimental ballistic limit curves[43]

除開(kāi)展三級(jí)輕氣炮技術(shù)研究以提高毫米級(jí)球形彈丸發(fā)射速度外,還可以通過(guò)對(duì)現(xiàn)有二級(jí)輕氣炮結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)提高發(fā)射速度的目的。由于二級(jí)輕氣炮在進(jìn)一步提高發(fā)射速度時(shí)所需要承受的極端載荷非現(xiàn)有二級(jí)輕氣炮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所能夠承受,因此需要在現(xiàn)有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)二級(jí)輕氣炮極限載荷承壓能力進(jìn)行改進(jìn)。同時(shí),隨著發(fā)射速度的提高,需要對(duì)原有的彈丸彈托分離技術(shù)進(jìn)行改進(jìn),以保證在更短的飛行時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)彈丸彈托的有效分離,以確保實(shí)驗(yàn)的成功。

目前對(duì)二級(jí)輕氣炮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)研究方向:(1)現(xiàn)有二級(jí)輕氣炮高壓組件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),提高承壓能力;(2)設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu)二級(jí)輕氣炮,實(shí)現(xiàn)承壓能力不變的同時(shí)提高發(fā)射速度。

3.2.1 二級(jí)輕氣炮優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

法國(guó)國(guó)家空間研究中心2017年在其現(xiàn)有二級(jí)輕氣炮的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化設(shè)計(jì)提高了高壓組件的抗高壓能力,通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證成功保證了發(fā)射過(guò)程中彈丸的完整性,并且實(shí)現(xiàn)了彈丸彈托的氣動(dòng)分離,通過(guò)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)測(cè)得的彈丸速度,改進(jìn)后的二級(jí)輕氣炮實(shí)現(xiàn)了將1mm直徑鋁球彈丸發(fā)射至9.85km/s的超高速度,且彈丸彈托分離良好,最高曾獲得超過(guò)11.0km/s的速度,2mm直徑鋁合金彈丸所獲取的峰值速度為9.0km/s[45]。

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)法國(guó)國(guó)家空間研究中心改進(jìn)了其現(xiàn)有二級(jí)輕氣炮的高壓組件和發(fā)射管的承壓能力。首先,法國(guó)宇航局改進(jìn)升級(jí)了其二級(jí)輕氣炮內(nèi)彈道分析軟件CESAR,以評(píng)估8～12km/s速度范圍內(nèi)高壓組件和炮管的應(yīng)力水平。研究發(fā)現(xiàn),在8～12km/s速度范圍內(nèi),高壓組件需承受15～25kbar壓強(qiáng),發(fā)射管需承受高達(dá)10kbar壓強(qiáng),以上承壓水平是通常水平的兩倍,因此為避免損壞輕氣炮結(jié)構(gòu),需對(duì)相關(guān)承壓部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

法國(guó)國(guó)家空間研究中心通過(guò)使用LS-OPTTM優(yōu)化軟件開(kāi)展了反復(fù)迭代優(yōu)化研究,通過(guò)使用改進(jìn)后的CESAR軟件與LS-OPTTM軟件間的接口,優(yōu)化了設(shè)備組件與彈丸的載荷條件。這些組件的強(qiáng)度和性能分析采用LS-DYNATM的FEA商業(yè)代碼,通過(guò)迭代優(yōu)化的高壓組件載荷動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果如圖13所示,由圖可知,優(yōu)化設(shè)計(jì)后高壓組件載荷特性 (中、右圖)相比優(yōu)化設(shè)計(jì)前高壓組件載荷特性 (左圖)有了大幅度的改善。

實(shí)驗(yàn)獲得優(yōu)化設(shè)計(jì)的二級(jí)輕氣炮發(fā)射1mm直徑鋁球形彈丸至9.5km/s與Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)撞擊后的穿孔照片如圖14所示,由圖可知,其穿孔周圍還散布著直徑不一的小撞擊坑,由此可以判斷其彈丸彈托分離技術(shù)目前仍然需要進(jìn)一步的完善改進(jìn)。

法國(guó)國(guó)家空間研究中心通過(guò)借助內(nèi)彈道分析軟件、CFD和FEM結(jié)構(gòu)分析軟件,對(duì)現(xiàn)有的二級(jí)輕氣炮進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),雖然彈丸彈托分離技術(shù)還需進(jìn)一步的改進(jìn),但已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了改進(jìn)的有效性,且發(fā)射器高壓組件得到了良好的保護(hù),可以多次重復(fù)使用。相關(guān)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)是在低于設(shè)備所能夠承受的極端條件下開(kāi)展,通過(guò)進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì),今后可以實(shí)現(xiàn)將毫米級(jí)鋁合金球形彈丸發(fā)射至10.0～12.0km/s速度的能力。

圖14 改進(jìn)的二級(jí)輕氣炮發(fā)射9.5km/s球形彈丸撞擊鋁靶板前表面損傷特征 (彈丸直徑1mm)[45]Fig.14 Damage characteristics of the front surface of aluminum target impacted by 9.5km/s spherical projectile launched by an improved two-stage light gas gun(projectile diameter 1mm)[45]

3.2.2 新概念二級(jí)輕氣炮設(shè)計(jì)研究

德國(guó)夫瑯和費(fèi)研究所 (Fraunhofer Institute)于2016年提出了一種不同于常規(guī)二級(jí)輕氣炮結(jié)構(gòu)的TwinGun新概念二級(jí)炮,TwinGun概念研究的初衷是嘗試在將發(fā)射器所承受的載荷控制在合理水平的同時(shí)最大可能地提高發(fā)射速度[40]。這種新概念發(fā)射器以二級(jí)輕氣炮原理為基礎(chǔ),其原理示意圖如圖15所示。

圖15 TwinGun新概念二級(jí)輕氣炮原理示意圖[40]Fig.15 Principle schematic diagram of Twin Gun new concept two-stage light gas gun[40]

如圖15所示,與通常的二級(jí)輕氣炮相比,TwinGun由兩個(gè)平行的泵并聯(lián)而成,每個(gè)泵均由一根泵管、一個(gè)加速存儲(chǔ)器和一個(gè)運(yùn)動(dòng)活塞組成,兩個(gè)泵均是由同一個(gè)藥室驅(qū)動(dòng)。在藥室的驅(qū)動(dòng)作用下,兩個(gè)泵中的活塞幾乎是同步加速的狀態(tài)。每個(gè)泵均會(huì)在其加速存儲(chǔ)器的出口處產(chǎn)生一個(gè)壓力脈沖。通過(guò)合理調(diào)整初始條件,一個(gè)活塞在另一個(gè)活塞到達(dá)加速存儲(chǔ)器后很短時(shí)間之后到達(dá)。加速存儲(chǔ)器合并段引導(dǎo)兩個(gè)脈沖進(jìn)入發(fā)射管將其組合疊加形成新的發(fā)射作用脈沖。兩個(gè)活塞之間的延遲經(jīng)過(guò)了仔細(xì)調(diào)整,延遲太大來(lái)不及作用到彈丸上,延遲太小會(huì)產(chǎn)生過(guò)強(qiáng)的壓力脈沖,對(duì)發(fā)射器部件造成不必要的磨損甚至損壞。傳統(tǒng)二級(jí)輕氣炮發(fā)射管作用壓力脈沖曲線與TwinGun新概念二級(jí)輕氣炮發(fā)射管作用壓力脈沖曲線如圖16所示。

圖16 傳統(tǒng)二級(jí)輕氣炮壓力脈沖 (左)與TwinGun新概念二級(jí)炮壓力脈沖 (右)[40]Fig.16 Pressure pulses of a traditional two-stage light gas gun(left)and the Twin Gun's new concept two-stage gun(right)[40]

如圖16所示,曲線下的面積能很好地預(yù)測(cè)所能得到的發(fā)射管出口速度,由上圖可知,相同的發(fā)射管出口速度時(shí),TwinGun新概念二級(jí)輕氣炮的壓力脈沖峰值更小,或者在相同的壓力脈沖峰值條件下,能夠使得TwinGun新概念二級(jí)輕氣炮的發(fā)射管出口速度更高。

該新概念二級(jí)輕氣炮的關(guān)鍵在于是否能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)兩個(gè)活塞運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)控制:(1)活塞運(yùn)動(dòng)需要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制以精確控制實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性;(2)精準(zhǔn)調(diào)控兩個(gè)活塞之間的延遲,以優(yōu)化脈沖壓力延遲。

德國(guó)夫瑯和費(fèi)研究所針對(duì)提出的新概念TwinGun二級(jí)輕氣炮開(kāi)展了可行性研究,研究采用數(shù)值仿真手段。首先驗(yàn)證數(shù)值仿真模型的合理性,通過(guò)傳統(tǒng)二級(jí)輕氣炮數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果同實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證模型合理性;其次采用相同的方法建立TwinGun數(shù)值模型并與傳統(tǒng)的二級(jí)輕氣炮數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如圖17所示,數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示,相同發(fā)射速度條件下,新概念輕氣炮所承載的最大壓力載荷降低約30%。

目前夫瑯和費(fèi)研究所對(duì)于新概念二級(jí)輕氣炮的工程設(shè)計(jì)階段尚未完成,僅開(kāi)展了初步的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),所用彈丸也僅為圓柱形聚碳酸酯彈托,未發(fā)射球形彈丸,驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)所獲取的發(fā)射器壓力脈沖曲線如圖18所示,驗(yàn)證了TwinGun概念的工程可行性。

德國(guó)夫瑯和費(fèi)研究所提出的TwinGun新概念二級(jí)輕氣炮從原理上對(duì)提高發(fā)射速度進(jìn)行了可行性研究,使得在不必優(yōu)化加強(qiáng)現(xiàn)有二級(jí)輕氣炮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下提高發(fā)射速度成為了可能,因此值得進(jìn)一步深入開(kāi)展研究。進(jìn)一步的研究應(yīng)該重點(diǎn)針對(duì)發(fā)射過(guò)程中的氣動(dòng)作用影響開(kāi)展研究,此外還應(yīng)針對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)的可復(fù)現(xiàn)性、活塞運(yùn)動(dòng)延遲的精確可控性開(kāi)展研究,以優(yōu)化活塞延遲、優(yōu)化發(fā)射器組件載荷特性。

圖18 TwinGun新概念二級(jí)輕氣炮實(shí)驗(yàn)壓力脈沖曲線[40]Fig.18 The experimental pressure pulse curve of the Twin Gun new concept two-stage light gas gun[40]

4 總結(jié)與建議

本文對(duì)空間碎片領(lǐng)域常用的幾種超高速發(fā)射技術(shù)進(jìn)行了綜述,重點(diǎn)針對(duì)8km/s以上速度段毫米級(jí)球形彈丸發(fā)射技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹。8km/s以上毫米級(jí)球形彈丸超高速發(fā)射技術(shù)研究對(duì)于航天器空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究意義重大,目前8km/s以上速度段空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均是通過(guò)分析方法和數(shù)值仿真計(jì)算進(jìn)行,無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,因此存在較大風(fēng)險(xiǎn)。但是8km/s以上速度毫米級(jí)球形彈丸發(fā)射技術(shù)存在諸如彈丸完整性、極端承壓載荷和彈丸彈托分離技術(shù)等諸多困難,鮮有相關(guān)研究進(jìn)展公開(kāi)報(bào)道。以目前國(guó)際上8km/s以上毫米級(jí)球形彈丸發(fā)射技術(shù)發(fā)展水平來(lái)看,已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)最高速度達(dá)10km/s鋁質(zhì)球形彈丸的發(fā)射,但還存在如下問(wèn)題需要進(jìn)一步開(kāi)展研究:

(1)發(fā)射技術(shù)的進(jìn)一步研究完善,目前的研究集中于三級(jí)輕氣炮的研究和二級(jí)輕氣炮的性能改進(jìn),相關(guān)技術(shù)還不夠成熟,需進(jìn)一步進(jìn)行完善。此外還可進(jìn)一步對(duì)新概念發(fā)射器的可行性進(jìn)行研究,諸如激光驅(qū)動(dòng)球形彈丸超高速發(fā)射技術(shù)的可行性進(jìn)行研究。

(2)現(xiàn)有發(fā)射技術(shù)水平所發(fā)射的鋁質(zhì)球形彈丸直徑小,可發(fā)射的直徑范圍僅為1～3mm,因此,如何實(shí)現(xiàn)在進(jìn)一步提高發(fā)射速度的同時(shí),增加球形彈丸直徑仍是難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題。

(3)現(xiàn)有的發(fā)射技術(shù)實(shí)現(xiàn)了球形彈丸的彈丸彈托分離,但是分離技術(shù)尚不完善,還需要對(duì)彈丸彈托分離的氣動(dòng)作用過(guò)程進(jìn)行深入研究,進(jìn)一步發(fā)展完善彈丸彈托分離技術(shù)。

(4)針對(duì)8km/s以上速度鋁球形彈丸發(fā)射直徑受限的現(xiàn)狀而開(kāi)展的縮比模型防護(hù)結(jié)構(gòu)彈道極限特性研究表明,現(xiàn)有的幾何等比例縮比技術(shù)并不能很好地開(kāi)展防護(hù)結(jié)構(gòu)彈道極限特性研究,在發(fā)射彈丸直徑受限的情況下,應(yīng)探討諸如量綱縮比技術(shù)等的可行性。