8km/s以上毫米級空間碎片地面模擬實驗研究進展

宋光明,李明,龔自正,武強,徐坤博

(1.可靠性與環境工程重點實驗室,北京衛星環境工程研究所,北京100094;2.北京衛星環境工程研究所,北京100094;3.中國空間技術研究院,北京100094)

1 引言

超高速發射技術是將物體加速到每秒幾公里至十幾公里甚至更高的實驗技術,具備超高速發射實驗能力是開展超高速碰撞現象和機理研究的前提條件之一[1]。超高速碰撞所產生的沖擊壓力遠大于彈丸和靶的強度,超高速碰撞過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雜物理化學過程的發生[2],為深入研究超高速碰撞現象和機理,必須發展具備重復加速任意形狀物體到超高速的實驗能力。

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撞擊速度高達15km/s,平均撞擊速度近10km/s[3]。超高速撞擊產生的沖擊壓力超過航天器材料屈服強度的數十到數百倍,毫米級尺寸碎片即可對航天器結構和載荷造成嚴重的機械損傷。此外,毫米級尺寸空間碎片數量眾多,且無法對其進行有效的監測和預警,嚴重威脅航天器安全[4-7]。為保障航天器安全,必須發展毫米級尺寸空間碎片地面模擬超高速發射技術,從而開展航天器空間碎片防護結構設計。

由文獻 [8]可知,在航天器空間碎片防護結構設計的過程中,彈道極限方程的獲取至關重要。彈道極限方程的獲取主要通過開展大量的超高速撞擊實驗獲得,為方便重復實驗和研究,幾乎所有彈道極限方程均將不規則形狀空間碎片作為球形處理,因此超高速發射球形彈丸就成為了航天器空間碎片防護結構設計研究的關鍵條件之一。二級輕氣炮技術具備發射彈丸的質量、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力的情況下獲得較高的速度等優勢,因此在空間碎片防護結構彈道極限方程研究中得以廣泛應用[9]。但是,目前二級輕氣炮對數量眾多、危害較大的毫米級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%數量的空間碎片撞擊威脅[10]。對于更高撞擊速度范圍的彈道極限方程研究,目前主要通過數值仿真和分析方法開展,缺乏有效的實驗數據驗證和修正,使得防護結構的設計存在一定的風險,因此迫切需要開展毫米級球形彈丸8km/s以上超高速發射實驗技術研究。

本文首先簡述了能夠將彈丸加速至超高速的發射技術,重點介紹了近幾年來美國、法國和德國等國家在8km/s以上毫米級球形彈丸發射實驗技術研究中所取得的最新進展,相關進展可為我國毫米級球形彈丸發射實驗技術的發展提供良好的借鑒。

2 超高速發射技術簡述

近幾十年來,研究人員依據不同的加速原理,發展出了靜電加速技術、電磁加速技術、等離子體加速技術、激光驅動加速技術、爆炸驅動技術和輕氣炮技術等多種可將物體加速至超高速的超高速發射實驗技術。可用于空間碎片地面模擬的幾種常用超高速發射實驗裝置性能范圍如圖1所示[11],下面將對常用的超高速發射技術進行簡要介紹。

圖1 常用超高速發射實驗裝置性能范圍[11]Fig.1 Performance range of hypervelocity launch test devices[11]

2.1 靜電加速技術

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Max-Plank研究所設計研制了第一臺粉塵靜電加速器[13],目前國際上已經利用靜電加速裝置開展了大量的實驗[14]。

圖2 靜電式微小碎片加速器結構示意圖[16]Fig.2 Structure diagram of electrostatic micro-debris accelerator[16]

靜電加速技術可將尺寸為0.1～10μm的球形帶電粒子加速至近100km/s,可見靜電加速技術可發射彈丸直徑小,為微米級及以下量級,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研究。

2.2 電磁加速技術

電磁加速技術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中電路的可移動部分。通過對移動的電樞進行合理設計可以實現驅動加速彈丸的目的。電磁軌道炮是發展利用電磁加速技術的主要形式,主要由兩條平行的金屬導軌、一個沿導軌軸線方向滑動的電樞和大功率脈沖發生器等組成,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已經可以將質量0.3～300g的彈丸加速至2～10km/s以上的速度[17-21]。在應用過程中,電磁軌道炮的一個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14km/s以上,因此電磁軌道炮可以用作二級輕氣炮的第三級,從而進一步提高彈丸速度[20,21]。此時,二級輕氣炮所發射的彈丸后部的相當部分推進劑將被電弧激勵形成導軌炮的移動導電等離子體電樞。電弧激勵與主軌道炮的電流觸發同時發生,使得等離子體電樞可以繼續加速彈丸至極高的速度。

電磁加速技術具備較好的工程應用前景,目前的主要問題在于無法控制8km/s以上速度時所發射彈丸的完整性,此外超高速條件下導軌的燒蝕和磨損導致的壽命問題也待解決。

2.3 等離子體加速技術

等離子體加速是指采用大容量充電電容器組脈沖觸發氣體放電產生等離子體,通過同軸電極加速等離子體,利用磁壓縮線圈進一步壓縮等離子體,形成高速等離子體團從噴嘴處以大約1GPa的壓力噴射出,從而驅動放置于噴嘴處的微粒,使微粒達到超高速的加速技術[22]。

利用等離子體加速技術可以將10-8～10-4g質量的微粒加速至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]

通過對磁壓縮線圈中等離子體流熱量的測試和分析發現,其最大動壓出現在磁壓縮線圈內靠近狹窄的一端。因此同上文電磁軌道炮作為次級助推器類似,可以使用一個預先加速設備將彈丸在規定的時間內發射至磁壓縮線圈內等離子體流動壓最大的位置,再由等離子體加速器作為第二級加速器,將彈丸進一步加速。已有研究表明,通過將輕氣炮與等離子體加速器的合理結合可將0.6mm直徑的玻璃彈丸加速至16～20km/s[26]。

等離子體加速技術具有如下特點:所發射微粒直徑小、速度快,微粒的運動路徑不確定 (速度方向存在一個發散立體角),微粒速度不固定(存在一個分布)。利用等離子體加速技術可以模擬研究10～1000μm尺寸的微小空間碎片超高速撞擊,無法開展毫米級及以上尺寸空間碎片超高速碰撞防護設計研究。

2.4 激光驅動加速技術

激光驅動加速技術是20世紀80年代末發展起來的一種新型動高壓加載技術。1989年美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室利用大氣傳輸方式進行了激光驅動飛片的實驗研究,實驗利用激光器將厚2～10μm、直徑400～1000μm的鋁和銅飛片加速至5km/s以上速度[27]。與其他技術相比,激光驅動加速技術具備結構簡單、成本低、容易與其他環境因素儀器組成綜合環境模擬設備、無化學污染和電磁干擾、便于實驗參數測量和結果分析等特點。激光驅動加速技術的基本原理示意圖如圖5所示[9]。

圖5 激光驅動技術基本原理示意圖[9]Fig.5 Schematic diagram of basic principles of laser drive technology[9]

通過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,將一束高強度脈沖激光透過基底材料入射到薄膜表面,使薄膜內表面瞬間蒸發、氣化和電離,產生高溫高壓的等離子體。由于受到基底材料的約束,等離子體產生的高壓沖擊波作用在入射區前面的薄膜上,將作用部分薄膜剪切下來并高速驅動出去,形成超高速飛片[28]。目前國際上通過激光驅動技術可實現將8μm厚的三層飛片靶加速至23.6km/s[29]。

影響激光驅動加速技術性能的因素主要有以下幾點:激光能量、光束質量和包括約束層、燒蝕涂層的飛片靶制備工藝,其中飛片靶的制備是關鍵技術。激光驅動技術可以發射微米級尺寸微小飛片至10km/s以上速度,可應用于微流星體和微小空間碎片的地面實驗模擬,對于毫米級及以上尺寸飛片或球形彈丸的超高速發射以目前的技術發展水平還較為困難。

2.5 爆炸驅動加速技術

爆炸驅動加速技術是指直接或間接利用炸藥爆炸能量驅動彈丸至超高速的加速技術。該技術廣泛應用于高壓科學領域的研究,具備結構簡單、體積小、成本低、工作可靠等特點。

直接利用爆炸能量驅動彈丸是指直接利用高能炸藥爆炸能量驅動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高而導致彈丸破碎的情況發生,并且這種結構一般只能使彈丸速度達到3～5km/s[2]。為進一步提高速度,一般采用聚能裝藥結構實現。

聚能裝藥結構示意圖如圖6所示。聚能裝藥結構使用圓柱形炸藥塊,炸藥塊一端有一個同軸形狀的空腔 (通常是圓錐形),內襯金屬(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聚而形成金屬射流并噴射出去[30-32]。

圖6 聚能裝藥結構示意圖[11]Fig.6 Structure diagram of shaped charge[11]

通過使用聚能裝藥結構,可以將數克重量的彈丸加速至12km/s,但是由于該結構所發射的金屬射流各部分之間存在速度梯度,金屬射流在飛行過程中不斷拉伸,最終形成不穩定的質量、形狀各異的高速粒子。聚能裝藥結構的這種特性使得實驗數據分析變得十分復雜,且較難獲可重復的實驗結果,因此較少應用于空間碎片模擬實驗研究,一般僅可用于實驗校驗,無法獲取與彈丸形狀密切相關的彈道極限方程[33]。

此外還有間接利用爆炸能量的爆炸驅動加速技術。其中一種間接利用爆炸能量的驅動加速技術通過使用爆炸透鏡技術實現,該技術通過兩個階段加速彈丸:第一級為一個線性爆炸驅動器,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坍塌,壓縮氦氣產生一個虛擬活塞,以爆炸速度向彈丸移動。彈丸和驅動氣體被加速進入第二級,點燃爆炸透鏡同樣產生一個虛擬錐形活塞,從而將彈丸加速到最終速度。通過正確選擇爆炸速度和透鏡幾何結構,虛擬活塞可以遠高于最高爆炸速度的速度運動。目前采用該方法,已實現將0.2g的彈丸發射至高于12km/s的速度[11],但是該技術還不能夠發射球形彈丸。

2.6 輕氣炮加速技術

輕氣炮加速技術是目前發展最成熟和應用最廣泛的一種地面高速/超高速加速試驗技術。輕氣炮分為一級輕氣炮、二級輕氣炮和多級輕氣炮,其中一級輕氣炮所能達到的最高速度一般不超過3km/s,因此對于超高速碰撞領域的研究,一般采用二級輕氣炮及多級輕氣炮[34-36]。下面以二級輕氣炮為例對其基本原理結構進行簡要介紹。

世界上第一臺二級輕氣炮是由新墨西哥礦業學校的Crozler和Hume設計建造[37]。二級輕氣炮具有火藥驅動和非火藥驅動兩種形式,以火藥驅動二級輕氣炮為例,其系統組成及工作原理圖分別如圖7和圖8所示。

圖7 火藥驅動二級輕氣炮系統組成示意圖[38]Fig.7 System composition diagram of a two-stage light gasgun driven by gunpowder[38]

火藥驅動二級輕氣炮系統主要由火藥室、泵管、高壓段、發射管、靶室以及真空系統和控制測量系統組成。發射時,由控制系統點燃火藥,借助火藥燃燒所生成的高壓氣體驅動活塞使其壓縮泵管內的輕氣體 (氫氣或氦氣),當活塞壓縮輕氣體運動至高壓段的錐形入口處時,此時高壓段中受壓縮的輕氣體壓強超過高壓段阻隔膜片所能承受壓強而破裂,此時高壓輕氣體進入發射管驅動彈丸高速飛行。高壓輕氣體進入發射管后壓力會急劇下降,但錐形設計的高壓段可以使壓力的下降得到很好的補償,活塞進入錐形設計的高壓段后每前進一步均使氣室體積急劇減小,導致壓力迅速上升,從而良好地補償了由于輕氣體驅動彈丸體積膨脹所帶來的壓力減小損失,這種補償是二級輕氣炮最大的優點[39]。

相比其他加速技術,輕氣炮加速技術所具備的突出優點是其所發射的彈丸的質量、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力情況下獲得較高的速度。因此輕氣炮技術,尤其是二級輕氣炮技術是當前國內外開展空間碎片地面超高速碰撞模擬研究最為重要的實驗技術手段之一。

3 8km/s以上毫米級球形彈丸超高速發射實驗技術研究進展

上文簡述了幾種常用的超高速發射技術,然而對于8km/s以上毫米級空間碎片的地面模擬實驗技術,特別是8km/s以上毫米級球形彈丸發射技術的研究還存在一系列的技術難題。按照施加到彈丸上的沖量 (或能量)函數對前述超高速加速技術進行分類,目前有四種方法可以實現8km/s以上的超高速發射技術。

(1)靜電或電磁效應

該方法基于高強度磁場所產生的洛倫茲力,目前對于8km/s以上超高速發射的主要困難是無法保持彈丸的性質和完整性。

(2)動量轉換

基于此方法原理的是等離子體驅動和激光沖擊技術,基于動量轉換原理的加速技術可以將粒子速度加速到數十公里每秒的速度,但是目前無法實現單個毫米級粒子的發射。

(3)材料相變 (固—氣轉變)

利用該原理的典型技術是爆炸驅動技術,但是該技術無法保證彈丸的完整性。

(4)壓力氣體的絕熱壓縮和膨脹

二級輕氣炮是利用該方法的強有力工具,通過合理的設計可以實現8km/s以上速度并能夠保證彈丸的完整性。目前在8km/s以上毫米級球形彈丸發射技術的研究中基于二級輕氣炮技術的研究受到了國內外的廣泛關注。

目前國內外發射超高速球形彈丸所采用的二級輕氣炮所能夠達到的速度一般在8km/s以下,提高發射速度不光受限于彈丸特性,還受限于輕氣炮發射組件的耐久性。在每個加速周期,高壓組件和發射管均要經受極高載荷,當進一步提高發射速度至發射系統性能極限時,這些組件會遭到破壞,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射速度和發射質量,需要在現有二級輕氣炮發射技術的基礎上進一步開展研究,通過增加第三級的方式或改進現有的二級輕氣炮性能實現研究目標。

3.1 三級輕氣炮發射技術研究

在二級輕氣炮的技術上進一步提高發射技術的其中一種方法是在第二級炮的基礎上增加第三級炮。目前美國代頓大學使用改進的三級輕氣炮技術實現了毫米級球形彈丸的8km/s以上超高速發射[41]。

美國代頓大學對于8km/s以上毫米級球形彈丸發射技術的研究始于1998年,所采用的方案是通過對已有的75/30mm二級輕氣炮增加第三級實現,第三級發射管口徑8.1mm,使用修正的點火循環。實驗中,施加于發射組件和彈丸上的載荷和應力是極端的,三級組件通常或出現兩種損傷模式:(1)炮管的燒蝕、磨損;(2)膨脹和永久變形。圖9給出了代頓大學所研制的三級輕氣炮獲得不同發射速度時對發射器的損傷程度評分,由圖可知,三級輕氣炮實現了8km/s以上球形彈丸發射目標,但是大部分獲得較高彈丸速度的實驗也對發射器造成了不可接受的損傷。因此后續還需通過優化設計三級炮系統使得在獲得更高彈丸速度的同時優化炮的加載條件,減少對炮的損傷。

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

2006年至今美國代頓大學持續開展8km/s以上毫米級球形彈丸發射實驗能力研究,并在發射技術研究的基礎上開展了8km/s以上球形彈丸撞擊Whipple防護結構的超高速撞擊特性研究。在最新的實驗中成功實現了1.4mm直徑鋁球形彈丸9.89km/s的超高速發射[42]。

在新的三級輕氣炮試驗中,代頓大學開展了8km/s以上鋁球形彈丸超高速撞擊特性試驗研究[42-44],研究發現8km/s以上速度撞擊下Whipple防護結構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超高速撞擊防護結構后墻形貌[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的變化對后墻撞擊損傷模式的影響。7.28km/s速度試驗的防護結構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)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域存在少許明顯熔化現象。9.29km/s速度試驗得出的后墻損傷模式有幾個大致圓形的同心圓區域,并且不同區域呈現不同的紋理。同樣明顯的是,此時后墻表面存在大量 “射線”,或者說由于熔化態的鋁液滴從后墻的中心向外流出時留下的痕跡。

圖11 9.29km/s速度球形彈丸撞擊防護結構后墻不同區域損傷模式[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防護結構后墻造成的損傷模式可以看出后墻存在大量熔化態的鋁。對該表面使用顯微鏡進行檢查發現至少三個明顯不同的區域,這些區域構成了后墻的損傷模式,如圖11所示。圖11(a)和 (b)中所示區域表面覆蓋了熔化態的鋁;圖11(c)中沒有覆蓋。

由圖11(a)中的區域特征可以判斷撞擊該區域后墻的碎片云材料是以近似正撞擊后墻表面的軌跡運動的。不規則形狀的 “撞擊坑”更接近圓形,多個撞擊坑的疊加形態顯示它們的形成是在一段時間內發生的。

圖11(b)區域具有很少的 “撞擊坑”和非常明顯的流型,這表明有大量熔化態的球形彈丸、緩沖屏和后墻材料沿著遠離碎片云撞擊中心的徑向路徑流動。這種流動模式的一個有趣的特征是該區域的凝結物質具有類似 “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)所顯示的后墻區域表明該區域存在大量熔化材料。該區域存在的明顯的小的撞擊坑毫無疑問是有固態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的熔融態材料的流向。該區域還包含許多熔融態材料沿著后墻表面運動所形成的軌跡。在某些情況下,通常在撞擊速度低于9km/s時,形成這些軌跡的熔融材料凝結在后墻上。靠近模式中心的細長液滴的末端從后墻脫落卷曲,使后墻看起來存在 “胡須”。以更高的速度撞擊的防護結構后墻并不常見這些 “胡須”,顯然這是因為液滴更熱,且以更高的速度運動,在它們凝固之前已經從后墻表面離開。

目前實驗設備8km/s以上速度段所能發射的鋁球彈丸直徑小于同速度段下常用Whipple防護結構臨界彈丸直徑,因此代頓大學開展了縮比模型超高速撞擊彈道極限特性研究[42,43]。縮比采用幾何等比例縮比技術,分別開展了全尺寸模型、0.46比例模型和0.25比例模型彈道極限特性研究。試驗結果同Christiansen彈道極限曲線進行比較,如圖12所示。

由圖12可知,隨著縮放比例因子的減小,0.46比例防護結構基本與Christiansen彈道極限曲線相符,而0.25比例防護結構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并不能開展防護結構彈道極限特性研究。

3.2 改進的二級輕氣炮發射技術研究

圖12 彈道極限方程曲線與三種比例Whipple防護結構實驗彈道極限曲線[43]Fig.12 Ballistic limit equation curve and three proportional Whipple protective structures’experimental ballistic limit curves[43]

除開展三級輕氣炮技術研究以提高毫米級球形彈丸發射速度外,還可以通過對現有二級輕氣炮結構進行優化設計以實現提高發射速度的目的。由于二級輕氣炮在進一步提高發射速度時所需要承受的極端載荷非現有二級輕氣炮結構設計所能夠承受,因此需要在現有設計的基礎上對二級輕氣炮極限載荷承壓能力進行改進。同時,隨著發射速度的提高,需要對原有的彈丸彈托分離技術進行改進,以保證在更短的飛行時間內實現彈丸彈托的有效分離,以確保實驗的成功。

目前對二級輕氣炮結構的設計主要有兩個研究方向:(1)現有二級輕氣炮高壓組件的結構優化設計,提高承壓能力;(2)設計新型結構二級輕氣炮,實現承壓能力不變的同時提高發射速度。

3.2.1 二級輕氣炮優化設計研究

法國國家空間研究中心2017年在其現有二級輕氣炮的基礎上進行了進一步的優化設計,優化設計提高了高壓組件的抗高壓能力,通過實驗驗證成功保證了發射過程中彈丸的完整性,并且實現了彈丸彈托的氣動分離,通過驗證實驗測得的彈丸速度,改進后的二級輕氣炮實現了將1mm直徑鋁球彈丸發射至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]。

通過優化設計法國國家空間研究中心改進了其現有二級輕氣炮的高壓組件和發射管的承壓能力。首先,法國宇航局改進升級了其二級輕氣炮內彈道分析軟件CESAR,以評估8～12km/s速度范圍內高壓組件和炮管的應力水平。研究發現,在8～12km/s速度范圍內,高壓組件需承受15～25kbar壓強,發射管需承受高達10kbar壓強,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構,需對相關承壓部件結構進行優化設計。

法國國家空間研究中心通過使用LS-OPTTM優化軟件開展了反復迭代優化研究,通過使用改進后的CESAR軟件與LS-OPTTM軟件間的接口,優化了設備組件與彈丸的載荷條件。這些組件的強度和性能分析采用LS-DYNATM的FEA商業代碼,通過迭代優化的高壓組件載荷動力學計算結果如圖13所示,由圖可知,優化設計后高壓組件載荷特性 (中、右圖)相比優化設計前高壓組件載荷特性 (左圖)有了大幅度的改善。

實驗獲得優化設計的二級輕氣炮發射1mm直徑鋁球形彈丸至9.5km/s與Whipple防護結構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目前仍然需要進一步的完善改進。

法國國家空間研究中心通過借助內彈道分析軟件、CFD和FEM結構分析軟件,對現有的二級輕氣炮進行了優化設計,雖然彈丸彈托分離技術還需進一步的改進,但已經通過實驗證實了改進的有效性,且發射器高壓組件得到了良好的保護,可以多次重復使用。相關驗證實驗是在低于設備所能夠承受的極端條件下開展,通過進一步的優化設計,今后可以實現將毫米級鋁合金球形彈丸發射至10.0～12.0km/s速度的能力。

圖14 改進的二級輕氣炮發射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 新概念二級輕氣炮設計研究

德國夫瑯和費研究所 (Fraunhofer Institute)于2016年提出了一種不同于常規二級輕氣炮結構的TwinGun新概念二級炮,TwinGun概念研究的初衷是嘗試在將發射器所承受的載荷控制在合理水平的同時最大可能地提高發射速度[40]。這種新概念發射器以二級輕氣炮原理為基礎,其原理示意圖如圖15所示。

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

如圖15所示,與通常的二級輕氣炮相比,TwinGun由兩個平行的泵并聯而成,每個泵均由一根泵管、一個加速存儲器和一個運動活塞組成,兩個泵均是由同一個藥室驅動。在藥室的驅動作用下,兩個泵中的活塞幾乎是同步加速的狀態。每個泵均會在其加速存儲器的出口處產生一個壓力脈沖。通過合理調整初始條件,一個活塞在另一個活塞到達加速存儲器后很短時間之后到達。加速存儲器合并段引導兩個脈沖進入發射管將其組合疊加形成新的發射作用脈沖。兩個活塞之間的延遲經過了仔細調整,延遲太大來不及作用到彈丸上,延遲太小會產生過強的壓力脈沖,對發射器部件造成不必要的磨損甚至損壞。傳統二級輕氣炮發射管作用壓力脈沖曲線與TwinGun新概念二級輕氣炮發射管作用壓力脈沖曲線如圖16所示。

圖16 傳統二級輕氣炮壓力脈沖 (左)與TwinGun新概念二級炮壓力脈沖 (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測所能得到的發射管出口速度,由上圖可知,相同的發射管出口速度時,TwinGun新概念二級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新概念二級輕氣炮的發射管出口速度更高。

該新概念二級輕氣炮的關鍵在于是否能夠實現對兩個活塞運動的精準控制:(1)活塞運動需要實現精準控制以精確控制實驗的可重復性;(2)精準調控兩個活塞之間的延遲,以優化脈沖壓力延遲。

德國夫瑯和費研究所針對提出的新概念TwinGun二級輕氣炮開展了可行性研究,研究采用數值仿真手段。首先驗證數值仿真模型的合理性,通過傳統二級輕氣炮數值仿真計算結果同實驗進行對比驗證模型合理性;其次采用相同的方法建立TwinGun數值模型并與傳統的二級輕氣炮數值仿真結果進行對比。對比結果如圖17所示,數值計算結果顯示,相同發射速度條件下,新概念輕氣炮所承載的最大壓力載荷降低約30%。

目前夫瑯和費研究所對于新概念二級輕氣炮的工程設計階段尚未完成,僅開展了初步的驗證實驗,所用彈丸也僅為圓柱形聚碳酸酯彈托,未發射球形彈丸,驗證實驗所獲取的發射器壓力脈沖曲線如圖18所示,驗證了TwinGun概念的工程可行性。

德國夫瑯和費研究所提出的TwinGun新概念二級輕氣炮從原理上對提高發射速度進行了可行性研究,使得在不必優化加強現有二級輕氣炮結構強度的情況下提高發射速度成為了可能,因此值得進一步深入開展研究。進一步的研究應該重點針對發射過程中的氣動作用影響開展研究,此外還應針對活塞運動的可復現性、活塞運動延遲的精確可控性開展研究,以優化活塞延遲、優化發射器組件載荷特性。

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

4 總結與建議

本文對空間碎片領域常用的幾種超高速發射技術進行了綜述,重點針對8km/s以上速度段毫米級球形彈丸發射技術研究進展進行了介紹。8km/s以上毫米級球形彈丸超高速發射技術研究對于航天器空間碎片防護結構設計研究意義重大,目前8km/s以上速度段空間碎片防護結構設計均是通過分析方法和數值仿真計算進行,無法進行實驗驗證,因此存在較大風險。但是8km/s以上速度毫米級球形彈丸發射技術存在諸如彈丸完整性、極端承壓載荷和彈丸彈托分離技術等諸多困難,鮮有相關研究進展公開報道。以目前國際上8km/s以上毫米級球形彈丸發射技術發展水平來看,已經可以實現最高速度達10km/s鋁質球形彈丸的發射,但還存在如下問題需要進一步開展研究:

(1)發射技術的進一步研究完善,目前的研究集中于三級輕氣炮的研究和二級輕氣炮的性能改進,相關技術還不夠成熟,需進一步進行完善。此外還可進一步對新概念發射器的可行性進行研究,諸如激光驅動球形彈丸超高速發射技術的可行性進行研究。

(2)現有發射技術水平所發射的鋁質球形彈丸直徑小,可發射的直徑范圍僅為1～3mm,因此,如何實現在進一步提高發射速度的同時,增加球形彈丸直徑仍是難點和熱點問題。

(3)現有的發射技術實現了球形彈丸的彈丸彈托分離,但是分離技術尚不完善,還需要對彈丸彈托分離的氣動作用過程進行深入研究,進一步發展完善彈丸彈托分離技術。

(4)針對8km/s以上速度鋁球形彈丸發射直徑受限的現狀而開展的縮比模型防護結構彈道極限特性研究表明,現有的幾何等比例縮比技術并不能很好地開展防護結構彈道極限特性研究,在發射彈丸直徑受限的情況下,應探討諸如量綱縮比技術等的可行性。