NASA二級輕氣炮設備簡介

王東方，肖偉科，龐寶君

（哈爾濱工業大學，哈爾濱 150080）

0 引 言

自1957年10月4日前蘇聯發射第一顆人造地球衛星Sputnik－1以來，人類的航天活動日益頻繁。50多年來，世界各國共進行了近5000次的航天活動，幾乎每次活動都會或多或少的產生一定數量的空間碎片。NASA近期發布的數據顯示，目前近地軌道直徑小于1cm的空間碎片總數已過千萬。

由于毫米級空間碎片尺寸小、數量多，難以逐個定軌，航天器無法實施機動策略躲避其碰撞，只能采取被動防護措施進行防護。航天器采取防護措施是需要付出代價的，增加厚度和增設屏蔽都會增加航天器的質量，提高建造和發射成本。航天器防護設計的任務是：在滿足航天任務可靠性需求的前提下，提出經濟、安全的防護方案。防護結構設計是被動防護任務的核心技術，是航天器空間碎片防護領域的研究重點［1］。

航天器空間碎片防護設計主要流程為：通過一系列超高速撞擊地面模擬實驗，收集分析實驗數據；基于實驗數據，建立彈道極限方程；研發航天器風險評估軟件；以航天器撞擊參數為輸入，利用風險評估軟件，評估微流星體、空間碎片對航天器造成的風險，即計算航天器在微流星體、空間碎片影響下的撞擊概率與失效率［2－3］。

其中超高速撞擊實驗在空間碎片防護技術中占有重要位置，其主要研究內容有：

（1）獲取航天器表面材料及結構的超高速撞擊特性和損傷模式，建立相應損傷方程和防護結構的彈道極限方程；

（2）實驗驗證航天器防護方案設計的有效性，以達到改進防護方案、篩選高性能防護材料和防護結構的目的；

（3）研究物體在超高速撞擊下破碎、解體模型，為空間碎片源模型的建立提供實驗數據；

（4）研究超高速碰撞理論和材料的損傷破壞特性并建立材料模型。

為支持航天事業的發展，各航天大國先后展開超高速撞擊地面模擬實驗技術研究，其中美國NASA的實驗能力處于世界領先水平。美國進行毫米級彈丸超高速撞擊的主要實驗設備為二級輕氣炮。本文對NASA及相關單位二級輕氣炮設備及其未來發展趨勢進行簡要介紹，對我國毫米級彈丸超高速撞擊實驗水平進行分析，并對未來發展趨勢進行討論。

1 NASA二級輕氣炮發射裝置

美國NASA負責超高速撞擊地面模擬實驗的單位主要有：HVIT（Hypervelocity Impact Technology）實驗室、白沙實驗場（White Sands Test Facility，WSTF）和Ames研究中心等。其中，HVIT負責分析空間碎片、微流星體對航天器的碰撞風險，進而開發新的防護方案及航天器構型設計，并研制先進的防護結構樣本。HVIT實驗室也具有獨立進行小規模超高速撞擊實驗技術的能力。白沙實驗場對防護樣本進行彈道極限測試，并分析實驗結果。其研究成果在國際空間站等航天器的防護措施設計及評估中起到不可忽視的作用。Ames研究中心在NASA展開的行星地質與地球物理計劃、阿波羅登月計劃、雙子星探測器設計等方面做出突出貢獻。下面分別對這些實驗室的二級輕氣炮發射裝置進行介紹。

圖1為HVIT實驗室給出的典型二級輕氣炮示意圖。腔體底端為火藥室，另一端為錐形泵管。泵管內為尼龍活塞。當火藥被點燃后，產生的氣體膨脹，推動活塞向前運動，壓縮活塞前部泵管中的輕質氣體，產生極高的氣壓。當輕質氣體氣壓達到一定程度后，沖破泵管與發射管之間的膜片，這時彈丸進入發射管。發射管原本接近真空，彈丸在高壓氣體的推動下進一步加速，撞擊靶板［4］。

圖1 典型二級輕氣炮示意圖Fig.1 Diagram of a typical two stage light gas gun

由以上分析可知，二級輕氣炮在發射過程中要承受巨大壓力。研究表明，二級輕氣炮關鍵結構最小屈服強度應為965.52MPa，而JSC空間中心二級輕氣炮相應結構屈服強度為1965.52MPa，為最小屈服強度的2倍［5］。

HVIT實驗室可進行較小規模的超高速撞擊地面模擬實驗，其加速裝置可將毫米級彈丸加速至7.2km／s，如圖2所示。

圖2 HVIT實驗室二級輕氣炮Fig.2 HVIT’s two stage light gas gun

白沙實驗場的RHTL（Remote Hypervelocity Test Laboratory）服務于NASA約翰遜空間中心。該實驗室擁有4臺二級輕氣炮，每年進行幾百次超高速撞擊實驗，可將Φ0.05～22.2mm的彈丸加速至7.5km／s以上。彈丸形狀可為球形、圓柱體、圓盤形、立方體或其它復雜形狀。由于地處偏遠，該實驗室可對有毒或易爆的材料（如電池、航空航天流體和高壓容器等）進行超高速撞擊地面模擬實驗，其密封靶艙可承受2.3kg TNT爆炸時釋放的能量［6］，圖3為白沙實驗場25.4mm口徑輕氣炮。

圖3 25.4mm口徑二級輕氣炮Fig.3 25.4mm caliber two stage light gas gun

由于大口徑二級輕氣炮打靶時能量較大，危險性大，因此實驗設備置于偏遠位置，且遠離地下燃料室，如圖4所示。

白沙實驗場此類二級輕氣炮相關信息如下：

圖4 WSTF超高速撞擊實驗室Fig.4 Hypervelocity Gun Lab at WSTF

（1）口徑：25.4mm；靶艙尺寸：直徑274.32cm，長度914.4cm；彈丸直徑：0.4～25.4mm；彈丸速度：1.5～7.0km／s；彈丸完整性檢驗設備：X射線閃光設備（6個）、超高速數字成像設備；測速設備：激光時間間隔計（4組）、光電二級管閃爍測試器（3個）、超高速數字成像設備。

（2）口徑：12.7mm；靶艙尺寸：直徑152.4cm，長度243.84cm；彈丸直徑：0.4～11mm；彈丸速度：1.5～7.0km／s；彈丸完整性檢驗設備：X射線閃光設備（3個）、超高速數字成像設備、Cordin超高速陰影攝像機；測速設備：激光時間間隔計、光電二級管閃爍測試器（3個）、超高速數字成像設備、Cordin攝像機。

（3）口徑：4.32mm；靶艙尺寸：直徑106.68cm，長度213.36cm；彈丸尺寸：0.05～3.6mm；彈丸速度：1.5～8.5km／s；彈丸完整性檢驗設備：超高速數字成像設備；測速設備：激光時間間隔計（3組）、光電二級管閃爍測試器（3個）、超高速數字成像設備。

白沙實驗場另有口徑1.778和4.32mm的二級輕氣炮，因相對安全，可在實驗室內操作。

美國Ames研究中心早在1968年就可將0.17g的鎂鋰彈丸發射到12.2km／s。該中心具有多座二級輕氣炮發射設備，其發射管口徑、發射彈丸質量及最高彈道速度如表1所示。

表1 Ames研究中心二級輕氣炮彈速指標Table 1 Two stage light gas gun indicators of Ames

美國擁有二級輕氣炮設備的單位另有Douglas道格拉斯公司、GM通用汽車公司、NOL海軍軍械研究室和NRL國立研究實驗室等。其二級輕氣炮設備發射口徑、彈丸質量、最高速度及設備所在單位如表2所示。這些設備開展的超高速撞擊實驗為美國軍事及民用方面的發展做出了不可忽視的貢獻。

表2 美國其他單位二級輕氣炮設備［7］Table 2 Two stage light gas guns in other American agencies

2 NASA二級輕氣炮測速方法

在超高速撞擊實驗中，為分析靶板材料防護能力，需要測量彈丸撞擊靶板速度［8］。NASA毫米級彈丸測速裝置有：激光測速裝置、X射線測速設備和超高速攝像設備等。

2.1 激光測速方法

即激光時間間隔計。在發射管處設置兩處激光光幕（見圖5）。實驗中測量彈丸通過兩個激光幕的時間間隔Δt，已知兩激光幕間距離為d，則可計算出彈丸速度v＝d／Δt。這種測速方法對氫氣驅動的二級輕氣炮不適用，因為由彈丸間隙飛到彈丸前端的氫氣持續長時間發光，光電管受到發光氫氣的照射，難以產生截止信號［9］。

圖5 激光測速裝置Fig.5 Laser diagnostic Tools

2.2 X射線測速方法

當彈丸進入第一個X光射線成相區時，X光管閃光，計時器記錄彈丸投影到底片上時的閃光時間。當彈丸到達第二個成相區時，計時器再次記錄閃光時間。通過時間間隔，結合底片上記錄的彈丸飛行距離，即可計算出彈丸飛行速度。

2.3 超高速攝像機測速方法

在撞擊處附近設置超高速攝像機。通過測量相鄰兩幀相片之間彈丸位移，結合相機拍攝速度，可求得彈丸飛行速度。關于超高速攝像機下文有詳細介紹。

2.4 其它常用測速方法

除以上介紹方法外，美國及其它國家超高速撞擊地面實驗設備中常采用的測速方法還有電探針法和磁感應法等。

電探針法：以速度v飛行的彈丸前端與接地探針接觸，然后依次通過間距為d的兩根探針。在彈丸碰撞板接觸每根探針時，會有信號輸出。通過時間間隔Δt即可計算出彈丸速度。該方法在一級輕氣炮上有較好的應用，采用特制探針也可應用于二級輕氣炮。

磁感應法［10］：在彈丸飛行路徑上設置磁環，磁環平面垂直于彈丸飛行方向。導體（彈丸）飛行時，穿過導體的磁通量發生變化，內部激發感生電流，感生電流方向與磁通量變化方向垂直。由電磁相互作用原理和場的疊加性，由感生電流產生的磁場改變原有的磁場強度，使磁環中磁通量發生變化。該變化發生的時刻即為導體通過磁環的時刻。通過在彈丸飛行路徑上設置多個磁環，記錄各感應信號，可計算出彈丸的飛行時間。該測量方法要求彈丸必須為導體材料，否則無法測速。這種測量方法適用于小口徑二級輕氣炮，此時磁環在發射過程中不易損壞，可多次重復使用。

對于大口徑輕氣炮，常常采用磁飛行體方法進行測速，即在彈丸內安裝小磁體，同時利用普通線圈代替磁環。當彈丸通過線圈時，同樣會在線圈中產生感應電信號。這種方法節約了實驗成本，但這樣便破壞了彈丸的整體性。

3 NASA二級輕氣炮碎片云記錄

3.1 X光閃光照相

超高速撞擊實驗中，有時會發生彈丸在發射過程中破裂的現象。X光閃光照相用于檢驗彈丸的完整性，同時用于記錄碎片云的演化過程。圖6為HVIT實驗室二級輕氣炮上安裝的X光閃光相機。該二級輕氣炮安裝了3個X射線發射裝置，一個工作電壓為100kV，與彈丸飛行方向垂直，用于測量彈丸撞擊前是否完整；另外2個工作電壓為300kV發射裝置探入撞擊腔內，用于記錄撞擊過程［11］。

圖6 X光閃光相機Fig.6 Flash X－Rays

圖7為白沙實驗場X光閃光照相裝置拍攝到的直徑6mm彈丸撞擊瞬間圖像［12］。該裝置成像速度為1億幀／s。

圖7 X光閃光相機拍攝圖像Fig.7 A laser－illuminated shadowgraph sequence

3.2 超高速攝像機

超高速攝相機成像速度可達數百萬幀／s。由于膠卷數量或存儲空間的限制，超高速攝像機往往只能連續拍照幾十張。但超高速撞擊過程往往發生在幾毫秒內，因此這樣的拍攝時間是足夠的。白沙實驗場超高速攝像機共有3種：Cinema相機，拍攝速度可達一萬幀／s；紅外相機，拍攝速度可達二百萬幀／s；數字相機，拍攝速度可達2億幀／s。

基于以上實驗設備，NASA JSC空間中心進行了大量的超高速撞擊地面模擬實驗，在美國ISS、航天飛機、EMU（Extravehicular Mobility Unit）和長期在軌暴露設備（Long Duration Exposure Facility）等的防護方案設計中起到了重要作用。

NASA目前正在對載人飛船登陸火星的可行性進行評估，此項任務中需要對速度未知的微流星體對航天器構成的威脅進行分析。據估計太陽系中微流星體速度可達70km／s，而來自宇宙深空的微流星體速度可達240km／s。其研究人員希望能對這樣的超高速撞擊情況進行分析。因此在未來的研究中，NASA將繼續發展超高速撞擊地面模擬實驗能力，從而為其航天任務的發展奠定基礎。

4 我國毫米級彈丸超高速撞擊實驗技術發展

隨著我國航天事業的飛速發展，航天器安全防護工作的重要性日益凸現［13］。航天器防護層設計及防護能力的評估需要依靠深入的超高速撞擊現象基礎研究提供支持，提高超高速撞擊實驗水平成為不可回避的問題。

輕氣炮是目前國內外最為常用的超高速發射設備。與其他發射技術相比，該技術對所發射的彈丸質量、尺寸、形狀和材料的限制較弱，并且彈丸能夠在較低的加速度和較小的應力下獲得較高的速度。因此，二級輕氣炮成為非常有效和實用的超高速實驗設備。

近年來，我國超高速撞擊地面模擬實驗能力不斷加強，中國空氣動力研究與發展中心、北京中科院力學所、中國工程物理研究院、四川大學、西北核技術研究所、哈爾濱工業大學以及中國空間技術研究院等多家單位陸續擁有二級輕氣炮等超高速撞擊地面模擬實驗設備。我國二級輕氣炮發射口徑大多在7.6～50mm之間，發射速度一般在8km／s以下［14］。然而目前我國超高速撞擊實驗設備與國外有較大差距，尚需進一步完善。超高速撞擊實驗能力有待提高。

根據當前的工程需求，cm／mm尺寸空間碎片的航天器防護工作是今后空間碎片防護技術的中心任務［15］。近年來，我國毫米級彈丸發射技術和測速技術穩步提升，測速手段也取得了較大進步。在未來發展中，我國應對現有的二級輕氣炮進行改進，通過優化設計提高輕氣炮的發射性能，旨在將其穩定發射速度提高至8.5km／s；開展大尺寸、速度10km／s以上彈丸發射技術研究；研制三級炮加載技術。配合超高速發射，同步發展診斷測試技術。研究對超高速彈丸形狀、姿態和速度等的測量技術［16］。

5 結 論

隨著人類航天活動日益頻繁，空間碎片總數持續增長，航天器防護方案設計受到進一步重視。其中，二級輕氣炮實驗技術的研究對提高地面超高速撞擊實驗能力有著重要作用。作為國際航天事業前沿單位，NASA的實驗能力處于該領域領先地位。對NASA二級輕氣炮設備進行調研分析，可為我國相關單位的發展提供重要參考價值。

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