羅斌強，張旭平，郝 龍，莫建軍，王桂吉，宋振飛，譚福利，王 翔，趙劍衡

（1. 中國工程物理研究院流體物理研究所 四川 綿陽 621999；2. 中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所 四川 綿陽 621999）

在近地空間環(huán)境中，存在大量的天然微隕石以及人類探索宇宙和太空留下的數(shù)以百萬計的人造空間碎片。這些碎片的平均速度超過7.5 km/s，如果發(fā)生對撞，其碰撞速度可高達(dá)15 km/s，空間碎片的存在對在軌航天器和人類的航天活動構(gòu)成了巨大威脅。為提高在軌航天器的空間生存率，確保具有高風(fēng)險、高投入等特點的航天活動順利進(jìn)行，通過開展地面超高速撞擊實驗來驗證航天器防護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性成為必然的選擇?；鹋凇⒁患壿p氣炮和二級輕氣炮等加載手段可以較容易地實現(xiàn)毫克至百克彈丸幾百米/秒至幾公里/秒的發(fā)射速度，但7 km/s 以上彈丸的穩(wěn)定發(fā)射卻面臨較大的技術(shù)困難，主要原因是速度超過7 km/s 時炮管容易造成嚴(yán)重?zé)g。

為了實現(xiàn)毫克至克量級彈丸以7 km/s 以上超高速發(fā)射，研究人員發(fā)展了多種驅(qū)動技術(shù)，如三級輕氣炮技術(shù)、定向聚能加速技術(shù)以及多級爆轟驅(qū)動技術(shù)等。Piekutowski 等[1-2]在二級炮發(fā)射管末端附加一段高壓段和發(fā)射管,將原二級炮發(fā)射管作為二級泵管,從而組成傳統(tǒng)意義上的三級輕氣炮，成功實現(xiàn)了將直徑2.38 mm 的鋁球以9.1 km/s 的速度發(fā)射；林俊德等[3]采用類似的三級炮結(jié)構(gòu)，將直徑10 mm 的飛片以8 km/s 的速度成功發(fā)射；Walker 等[4]受聚能射流啟發(fā)，發(fā)展了基于錐形裝藥的定向聚能加速技術(shù)（inhibited shaped charge launcher），將0.5～1.0 g 鋁彈丸的發(fā)射速度提升至11.2 km/s。文尚剛等[5]、趙士操等[6]等分別提出了針對超高速撞擊的多級爆轟驅(qū)動技術(shù)，可使克量級飛片和球形彈丸的驅(qū)動速度達(dá)到10 km/s。此外，針對武器物理研究中超高壓加載需求，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）[7-8]發(fā)展了金屬箔電爆炸驅(qū)動超高速飛片技術(shù)，用100 kV 的電炮裝置驅(qū)動將9.5 mm×9.5 mm×0.3 mm 的Kapton飛片驅(qū)動至18 km/s；美國圣地亞國家實驗室(SNL)發(fā)展了基于阻抗梯度飛片的三級輕氣炮加載技術(shù)和基于電磁驅(qū)動的超高速飛片發(fā)射技術(shù)，其三級炮裝置將 ?6mm×0.56 mm 的鈦飛片的發(fā)射速度提升至15.6 km/s[9]，ZR 機器驅(qū)動初始尺寸為25 mm×13 mm×1.0 mm 的鋁飛片，在幾毫米的距離上將速度提升至45 km/s[10]。

國內(nèi)對航天器的防護(hù)研究起步相對較晚，主要發(fā)展了一級輕氣炮、二級輕氣炮和電炮技術(shù)，開展了柱形、球形彈丸以及飛片彈丸撞擊單層鋁板和Whipple 防護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞特性研究[11-16]。空氣動力研究與發(fā)展中心超高速空氣動力研究所通過優(yōu)化裝填參數(shù)，利用二級輕氣炮將球形彈丸以8 km/s 的速度進(jìn)行了穩(wěn)定發(fā)射[17]。總體而言，目前開展的超高速撞擊實驗尚無法滿足防護(hù)結(jié)構(gòu)在7 km/s 以上的高速彈丸撞擊下的設(shè)計驗證和考核需求；而且需要發(fā)展具備異形彈丸超高速發(fā)射能力的新型驅(qū)動技術(shù)，以實現(xiàn)對空間碎片形狀多樣性的真實情況模擬。

本文中將介紹7 km/s 以上超高速發(fā)射技術(shù)的研究進(jìn)展，重點介紹國內(nèi)在磁驅(qū)動超高速飛片發(fā)射、金屬箔電爆炸驅(qū)動超高速飛片以及三級炮驅(qū)動超高速飛片方面的研究進(jìn)展，展示相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于航天器防護(hù)結(jié)構(gòu)超高速撞擊特性研究的部分成果。這些超高速發(fā)射技術(shù)的進(jìn)步，將對航天器防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能優(yōu)化提供重要的參考。

1 磁驅(qū)動飛片發(fā)射技術(shù)

磁驅(qū)動高速度飛片發(fā)射的原理如圖1 所示。脈沖大電流流經(jīng)由兩個臨近的導(dǎo)電平板構(gòu)成的回路時，將在兩個電極板之間的間隙中感生脈沖強磁場。受趨膚效應(yīng)影響，電流集中在電極板內(nèi)表面流過，帶電極板在感生強磁場中承受的洛倫茲力集中在載流面附近，近似為面積力，即磁壓力。磁壓力波在電極板內(nèi)傳播至鏜孔自由面反射并使其加速形成高速飛片。當(dāng)磁壓力幅值達(dá)到數(shù)百吉帕甚至太帕?xí)r，可將宏觀金屬飛片發(fā)射至數(shù)十千米/秒的超高速度。圖2 給出了美國圣地亞實驗室ZR 裝置驅(qū)動超高速金屬飛片的典型實驗結(jié)果，磁驅(qū)動加載技術(shù)可將初始尺寸為25 mm×13 mm×1.0 mm 的鋁飛片在數(shù)百納秒內(nèi)和幾毫米的距離上加速至45 km/s[10]。

圖1 磁驅(qū)動高速飛片發(fā)射示意圖Fig. 1 Schematic diagram of a magnetically driven high-velocity flyer

圖2 ZR 裝置驅(qū)動超高速鋁飛片速度曲線[10]Fig. 2 Velocity profiles of aluminum flyers driven by the ZR machine[10]

磁驅(qū)動超高速飛片的發(fā)射能力（通過飛片質(zhì)量和速度體現(xiàn)）主要依賴于負(fù)載電極上的加載磁壓力，而磁壓力又正比于流經(jīng)金屬飛片的線電流密度（電流幅值與電極寬度之比）的平方。對線電流密度較小的情形，磁驅(qū)動飛片主要是磁壓力波的作用；對線電流密度較大的情形，磁驅(qū)動飛片是磁壓力波和燒蝕等離子體反推的共同作用。磁驅(qū)動飛片的長度可在十幾毫米至幾十毫米范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)，但飛片寬度可調(diào)節(jié)范圍相對較小，一般在幾毫米至十幾毫米，過大的飛片寬度將導(dǎo)致流經(jīng)飛片的線電流密度減小。磁驅(qū)動飛片的厚度選取一般要求磁壓力波能在飛片厚度方向多次反射來加速飛片并避免飛片層裂破壞，因此飛片厚度一般在1 mm 左右。用于磁驅(qū)動加載實驗的負(fù)載電流一般在數(shù)兆安培至幾十兆安培范圍內(nèi)，電流脈沖上升前沿為數(shù)百納秒。負(fù)載電流的大小取決于脈沖功率裝置的輸出能力，一般情況下，裝置規(guī)模越大驅(qū)動能力越強，但相應(yīng)的工程造價以及系統(tǒng)復(fù)雜性越高。美國圣地亞的ZR 裝置直徑約60 m，造價上億美元，驅(qū)動高速飛片負(fù)載時電流上升前沿約400 ns，幅值16 MA。

針對磁驅(qū)動準(zhǔn)等熵壓縮下材料的高壓物性研究需求，國內(nèi)先后建立了放電電流峰值1.5、4.0、7.0 MA 的磁驅(qū)動加載裝置CQ-1.5、CQ-4 和CQ-7，并開展了磁驅(qū)動超高速飛片發(fā)射實驗技術(shù)研究[18-22]。針對聚變能源研究建立的聚龍一號裝置，對其負(fù)載區(qū)進(jìn)行改造后也可以開展磁驅(qū)動高速飛片研究[23]。CQ-4 裝置磁驅(qū)動高飛片速度曲線如圖3～4 所示。對較厚的飛片，磁壓力光滑加速后期，飛片基本保持恒定的速度；對較薄的飛片，磁壓力加速后期，燒蝕等離子體反噴對飛片加速明顯。CQ-4 裝置可將初始尺寸為10 mm×6 mm×0.33 mm 的鋁飛片驅(qū)動至18 km/s 的超高速度，加載能力更強的CQ-7 裝置有望將大尺寸飛片驅(qū)動至超過20 km/s 的速度。圖5～6為CQ-4 裝置的照片和磁驅(qū)動銅飛片的實驗電極照片。

圖3 CQ-4 裝置驅(qū)動飛片速度曲線Fig. 3 Velocity curves of metallic flyer driven by the CQ-4

圖4 CQ-4 裝置驅(qū)動薄鋁飛片速度曲線Fig. 4 Ultra-high velocity curves of aluminum flyer driven by the CQ-4 device

圖5 CQ-4 裝置照片F(xiàn)ig. 5 A photo of the CQ-4 device

圖6 磁驅(qū)動飛片實驗電極照片F(xiàn)ig. 6 Photo of flyer accelerating electrode on the CQ-4 device

2 電炮驅(qū)動高速飛片發(fā)射技術(shù)

電炮的工作原理如圖7(a)所示,其電路結(jié)構(gòu)是一個典型的RLC 回路：當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通后，儲存在電容器里的能量瞬間釋放，回路產(chǎn)生脈沖大電流。當(dāng)大電流流經(jīng)橋箔區(qū)（見圖7(b)）時，橋區(qū)金屬箔由于焦耳熱的迅速沉積導(dǎo)致其狀態(tài)在極短的時間內(nèi)由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，橋區(qū)電阻急劇增大并導(dǎo)致橋區(qū)兩端產(chǎn)生高電壓，高電壓擊穿金屬蒸汽后形成高溫高壓等離子體，推動覆蓋其上的塑料薄膜（如Mylar 膜）沿加速腔鏜孔切割飛出。1970～1990 年間，美國利弗莫爾國家實驗室(LLNL)對電炮進(jìn)行了深入研究，將飛片直徑從數(shù)毫米發(fā)展到百毫米，并成功將9.5 mm×9.5 mm×0.3 mm 的Kapton 膜（約43 mg）以18 km/s 的超高速發(fā)射(見圖8)，撞擊壓力接近太帕量級[7-8,24-26]。

圖7 電炮加載原理圖Fig. 7 Schematic diagram of an electrical gun

電炮驅(qū)動飛片的過程一般在數(shù)百納秒至1 μs，此時絕緣砧板和加速腔在電爆炸應(yīng)力波作用下尚未發(fā)生破壞，爆炸金屬箔產(chǎn)生的高溫高壓（（1～3）×104K，1～10 GPa,）氣體被約束在加速腔的中心空腔并沿厚度方向膨脹，因此電炮對塑料飛片的驅(qū)動過程類似高壓氣體膨脹驅(qū)動固體活塞的過程，飛片所能獲得的最大速度不超過爆炸產(chǎn)物自由膨脹速度。對金屬箔電爆炸而言，由電能轉(zhuǎn)換的焦耳熱沉積速率越快，電爆炸時刻金屬箔的比內(nèi)能就越大，相應(yīng)的爆炸產(chǎn)物壓力和溫度越高，氣體膨脹驅(qū)動飛片的速度也就越高。壓縮電炮裝置放電電流上升前沿、提升流過金屬箔的電流面密度（電流與金屬箔橫截面之比）是此類實驗必須控制的因素，一般要求脈沖大電流上升前沿不超過1 μs，流經(jīng)金屬箔的電流面密度大于1012A/m2。當(dāng)脈沖電流足夠大時，爆炸等離子體將在后續(xù)電流和感生磁場作用下受電磁力二次加速，使得飛片被二次加速，這一點在圖8 中飛片加速后期有明顯的體現(xiàn)。

圖8 LLNL 實驗室100 kV 電炮驅(qū)動飛片速度曲線Fig. 8 Velocity profile of Mylar flyer driven by the 100-kV electrical gun in LLNL

國內(nèi)先后建立了14.4 kJ 電炮裝置（電流約400 kA）、98 kJ 電炮裝置（電流約1 MA）和200 kJ 電炮裝置（電流約3 MA），開展了金屬箔電爆炸驅(qū)動超高速飛片實驗研究[16,27-29]，并發(fā)展了一套完善的金屬箔電爆炸計算程序[30]。圖9～10 中給出了14.4 kJ 電炮裝置在不同充電電壓下的放電電流曲線和驅(qū)動飛片速度曲線，圖中還給出了電爆炸程序的計算結(jié)果。14.4 kJ 電炮裝置可將 ?10 mm×0.15 mm 的Mylar 飛片（16 mg）驅(qū)動至速度超過8 km/s，其對飛片的加速歷程是典型的氣體膨脹驅(qū)動。圖11～12 是98 kJ 和200 kJ 電炮裝置照片，圖13～14 分別是98 kJ 電炮驅(qū)動 ?10 mm×0.2 mm 的Mylar 飛片（22 mg）和200 kJ 的電炮驅(qū)動 ?2 1 mm×0.5 mm 的Mylar 飛片（242 mg）的速度曲線，飛片的終態(tài)速度達(dá)到10 km/s。98 kJ 和200 kJ 電炮裝置驅(qū)動飛片后期的速度走勢和14.4 kJ 電炮實驗有明顯的差異，飛片的二次加速是脈沖大電流作用下的電磁力造成的。采用磁流體計算程序?qū)虿瓍^(qū)參數(shù)優(yōu)化后，200 kJ 電炮裝置有望將飛片驅(qū)動至速度超過14 km/s。

圖9 14.4 kJ 電炮裝置在不同電壓下放電電流曲線Fig. 9 Current profiles of a 14.4 kJ electrical gun at different voltages

圖10 14.4 kJ 電炮裝置在不同電壓下的飛片速度曲線Fig. 10 Velocity profiles of a 14.4 kJ electrical gun at different voltages

圖11 98 kJ 電炮裝置Fig. 11 A photo of the 98-kJ electrical gun in IFP

圖12 200 kJ 電炮裝置Fig. 12 A photo of the 200-kJ electrical gun in IFP

圖13 98 kJ 電炮驅(qū)動飛片速度曲線Fig. 13 Velocity of a Mylar flyer driven by a 98-kJ electrical gun

圖14 200 kJ 電炮驅(qū)動飛片速度曲線Fig. 14 Velocity of a Mylar flyer driven by a 200-kJ electrical gun

3 三級炮驅(qū)動超高速飛片技術(shù)

氣炮發(fā)射彈丸的基本原理是高壓氣體膨脹驅(qū)動彈丸高速飛行，因此彈丸的最大速度不超過高壓氣體自由膨脹速度。理想情況下高壓氣體最大膨脹速度umax=2c0/(γ-1)，其中c0為高壓氣體初始聲速，其值與氣體壓力和密度相關(guān)，γ 為氣體材料常數(shù)。要獲得更高的彈丸速度，就要選用密度小、氣體常數(shù)小的驅(qū)動氣體并盡量提高驅(qū)動壓力。傳統(tǒng)的三級輕氣炮是在二級炮發(fā)射管末端附加一段高壓段和發(fā)射管，將原二級炮發(fā)射管作為二級泵管，通過二級活塞對工質(zhì)氣體（如氫氣）進(jìn)行進(jìn)一步壓縮來獲得更高的彈丸驅(qū)動氣壓。受炮管材料強度限制，傳統(tǒng)三級炮驅(qū)動彈丸的速度一般在8～10 km/s 范圍內(nèi)，而且高壓運行時三級炮管容易出現(xiàn)嚴(yán)重的燒蝕和塑性變形。

針對材料超高壓狀態(tài)方程研究需求，Chhabildas 等[31]發(fā)展了基于阻抗梯度飛片(graded density impactor，GDI)的三級輕氣炮技術(shù)，將阻抗梯度飛片作為一級飛片，由二級輕氣炮發(fā)射至較高的速度，然后利用GDI 撞擊二級飛片并對其加速。阻抗梯度飛片是一種波阻抗沿其厚度方向按一定規(guī)律連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)變化的多層組合飛片，在撞擊二級飛片時可產(chǎn)生準(zhǔn)等熵加載波，使得更多加載能量轉(zhuǎn)化為二級飛片的動能，并降低二級飛片的溫升?；贕DI 技術(shù)的三級炮結(jié)構(gòu)有匯聚型和非匯聚型兩種（見圖15）：非匯聚型加速裝置中，二級飛片直徑與一級梯度飛片直徑基本一致，在梯度飛片對二級飛片的加速過程中，不存在明顯的能量向二級飛片中心區(qū)域匯聚的現(xiàn)象，二級飛片姿態(tài)保持較好；匯聚型加速裝置中，二級飛片直徑小于一級阻抗梯度飛片直徑，在阻抗梯度飛片對二級飛片的加速過程中，存在明顯的能量向二級飛片中心區(qū)域匯聚的現(xiàn)象。匯聚型結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)更高的速度，但二級飛片的飛行姿態(tài)不易控制，二級飛片在加速過程中初始狀態(tài)可能會發(fā)生較大變化，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重變形乃至碎裂。圣地亞國家實驗室經(jīng)過近10 年的系統(tǒng)研究，解決了高質(zhì)量阻抗梯度飛片的制備工藝問題，開展了大量的計算模擬和實驗研究，利用這種超高速發(fā)射技術(shù)成功地將Al、TC4 等宏觀飛片發(fā)射至15 km/s 以上的超高速度[9,31-32]。

圖15 基于阻抗梯度飛片的三級炮結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 15 Schematic diagrams of three-stage light gas guns based on GDI

國內(nèi)自2003 年開始開展基于GDI 技術(shù)的三級輕氣炮研究，掌握了阻抗梯度飛片的設(shè)計、制備以及三級炮驅(qū)動超高速飛片實驗技術(shù)，成功將宏觀Al、TC4 飛片發(fā)射至10～15 km/s 的超高速度，而且將克級鉭飛片驅(qū)動到接近10 km/s 的速度[33-37]。圖16 和圖17 分別為非匯聚型三級炮驅(qū)動鋁合金飛片和匯聚型三級炮驅(qū)動鈦合金飛片實驗的速度曲線。從圖中可以看出，非匯聚型結(jié)構(gòu)的速度增益穩(wěn)定在1.6 左右，飛片最大速度接近12 km/s，匯聚型結(jié)構(gòu)的速度增益可超過2.3，飛片最大速度超過15 km/s。

圖16 三級炮發(fā)射的LY-12 鋁合金飛片速度曲線（非匯聚型）Fig. 16 Velocity curves of an LY-12 Al flyer driven by a nonconvergent configuration three-stage gas gun based on GDI

圖17 三級炮發(fā)射的TC4 鈦合金飛片速度曲線（匯聚型）Fig. 17 Velocity curves of TC4 titanium flyers driven by a convergent configuration three-stage gas gun based on GDI

4 應(yīng)用情況

在超過7 km/s 的高速撞擊過程中，由于彈丸和靶板材料狀態(tài)的變化（沖擊熔化、沖擊氣化），防護(hù)結(jié)構(gòu)的彈道極限特性與中低速的彈道極限存在顯著的差異，因此開展速度7 km/s 以上撞擊下防護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞特性研究十分重要。圖18 是速度9 km/s 的Mylar 飛片撞擊厚度5 mm 的單層鋁板的破壞情況。當(dāng)飛片速度足夠高時， ? 6 mm×0.15 mm（6 mg）的塑料飛片直接擊穿了5 mm 厚的防護(hù)鋁板。圖19 是速度9 km/s的Mylar 飛片撞擊Whipple 鋁板的破壞情況。 ? 11 mm×0.25 mm 的Mylar 飛片（33 mg）造成了Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)的失效。圖20 中給出了三級炮驅(qū)動?25 mm×1.0 mm 的鋁飛片以10.6 km/s 的速度撞擊鋁Whipple 結(jié)構(gòu)時的高速攝影結(jié)果。盡管在測試光路中增添了多個窄帶寬濾光片來抑制撞擊強發(fā)光對測試的影響，但在10.6 km/s 的速度撞擊下，鋁板沖擊氣化過程的強發(fā)光超出了預(yù)料。從不同時刻碎片云前端位置判斷其移動速度為13 km/s，超過了飛片撞擊速度。從Whipple 后板的破壞來看，?25mm 的鋁片以10.6 km/s 的速度撞擊Whipple 前板產(chǎn)生的碎片云，有超過10 mm 寬度的高動能區(qū)域并造成了后板的破壞。

圖18 單層鋁板被速度9 km/s 的Mylar 飛片正撞擊后的破壞情況Fig. 18 Failure characteristics of a single aluminum plate impacted by a 9-km/s Mylar flyer

圖19 ? 11 mm×0.25 mm 的Mylar 飛片以9 km/s 的速度撞擊鋁Whipple 結(jié)構(gòu)時后板的破壞情況Fig. 19 Failure characteristics of an aluminum Whipple impacted by a ? 11 mm×0.25 mm Mylar flyer at 9 km/s

圖20 速度10.6 km/s 的鋁片撞擊鋁Whipple 的破壞過程Fig. 20 Failure progress of an aluminum Whipple impacted by a 10.6-km/s aluminum flyer

5 展 望

目前已發(fā)展了多種實驗技術(shù)來實現(xiàn)毫克至克量級彈丸超過7 km/s 的超高速發(fā)射，表1 中給出了不同驅(qū)動技術(shù)的加載能力和技術(shù)特點之間的比較，但利用這些技術(shù)開展航天器防護(hù)結(jié)構(gòu)的超高速撞擊特性研究仍面臨著現(xiàn)實的困難。

表1 超過7 km/s 的超高速發(fā)射技術(shù)比較Table 1 Comparison of ultrahigh-velocity launch technologies above 7 km/s

從安全性和經(jīng)濟性角度考慮，目前適合在實驗室開展超高速撞擊實驗的技術(shù)途徑主要有基于小型脈沖功率裝置的磁驅(qū)動飛片（大裝置運行成本太高）、電炮驅(qū)動超高速飛片以及基于阻抗梯度飛片的三級炮技術(shù)。將上述技術(shù)應(yīng)用于超高速撞擊時，最重要的是要解決撞靶前飛片或彈丸狀態(tài)的準(zhǔn)確描述。具體來講，在磁驅(qū)動金屬飛片撞擊實驗中應(yīng)實現(xiàn)撞靶時刻飛片質(zhì)量和尺寸的定量描述，弄清楚焦耳熱燒蝕對飛片狀態(tài)的影響；在電炮驅(qū)動超高速飛片實驗中，需發(fā)展新的技術(shù)措施，避免飛片后續(xù)高壓高速等離子體對靶板的二次破壞；在基于阻抗梯度飛片的三級輕氣炮實驗技術(shù)中，需進(jìn)一步發(fā)展彈丸脫靶技術(shù)，以獲得干凈的彈丸撞擊防護(hù)結(jié)構(gòu)。