內爆驅動式超高速發射技術的初步研究

王馬法，HIGGINS Andrew J，焦德志，黃 潔，柳 森

（1. 中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽 621000；2. 麥吉爾大學工程力學系，魁北克 蒙特利爾 H3A2K6，加拿大）

隨著空間科學研究的發展，為進一步開展空間碎片毀傷效應、防護結構以及超高速碰撞等研究工作，提出了10 km/s 以上的超高速發射需求。國內外常用的發射技術（設備）包括：二級/三級輕氣炮、磁驅動飛片、聚能射流、等離子體加速器、激光驅動飛片裝置等[1-6]。其中二級輕氣炮是目前應用最廣泛、技術最為成熟的發射設備。然而，受到炮體材料性能的限制，二級輕氣炮的穩定發射速度基本都低于8 km/s，如果超過該速度，發射管將發生嚴重的燒蝕破壞[7]。雖然有些發射技術能夠實現8 km/s 以上的超高速發射，但是這些發射技術要么難以控制彈丸的質量和形狀，要么只能發射很薄的飛片狀彈丸或質量很小的彈丸[8]，因此將其應用到超高速碰撞實驗研究中受到了一定的限制。在20 世紀60 年代，內爆驅動式超高速發射技術已經實現了2 g 彈丸12.2 km/s 的發射速度[9-10]；進入21 世紀后，加拿大麥吉爾大學[1,11-13]又實現了15 g 彈丸7.5 km/s 左右的發射速度，這是一項發射質量和速度都超過二級輕氣炮的超高速發射技術，能夠滿足空間碎片撞擊的研究需求。

內爆驅動式超高速發射技術（國外有Explosive hypervelocity launcher[9]、Explosively driven gun[10]、Implosion-driven launcher[11-13]等不同說法，國內也有炸藥爆轟驅動高速激波管發射技術[14]、炸藥驅動槍[15]等不同名稱，本文以Implosion-driven launcher 說法為準，簡稱內爆發射器）是一種利用炸藥爆炸線性擠壓壓縮管內輕質氣體，通過被壓縮的輕質氣體驅動彈丸的一種發射技術[11]，作用過程與二級輕氣炮中活塞壓縮高壓輕質氣體類似，不同的是其活塞速度為炸藥爆速。國內一些文獻中對該技術進行了相關介紹，但尚未見相關實驗和仿真研究報道[14-15]。

為了掌握內爆發射技術，獲得10 km/s 以上的發射能力，通過與加拿大麥吉爾大學的Higgins 教授合作，以8 mm 口徑內爆發射裝置為研究對象，對內爆發射器的發射能力和研究方法進行了初步探索，開展了內爆發射器內彈道分析和結構設計，并利用AUTODYN 軟件對設計結構進行了初步仿真分析，最終針對典型狀態開展了初步驗證實驗。

1 內爆發射器工作原理

內爆發射器主要由炸藥線性壓縮段、高壓段和發射管組成，其中炸藥線性壓縮段包括外殼、裝藥、壓縮管、驅動氣體等，發射器的結構如圖1 所示，作用過程如圖2 所示。左端炸藥起爆后，壓縮管向內塌縮，形成錐形結構，當炸藥爆轟波傳播時，錐形結構向右運動并壓縮驅動氣體。該過程與二級輕氣炮中活塞壓縮高壓輕質氣體類似，因此該錐形結構可看成虛擬活塞，當沖擊波到達彈丸底部時，高壓驅動氣體開始推動彈丸加速運動。

圖1 內爆式超高速發射器結構示意圖[11]Fig. 1 Structural diagram of implosion-driven hypervelocity launcher[11]

圖2 內爆式超高速發射器工作原理[11]Fig. 2 Working diagram of implosion launcher after ignition[11]

2 內爆發射過程的仿真分析

設計了內徑16 mm、長度500 mm 的壓縮管和內徑8 mm、長度300 mm 的發射管組成的內爆發射器，高壓段采用錐段連接壓縮管和發射管，錐段半錐角度為5°。采用AUTODYN 軟件對該內爆發射器的工作過程進行了仿真計算。

2.1 仿真模型及方法

采用有限元中的流固耦合方法進行仿真。將模型分為Euler 模型和Lagrange 模型兩個部分：Euler 模型包括填充的氦氣、壓縮管、裝藥以及周圍空氣介質；Lagrange 模型包括壓縮段外殼、高壓段、發射管以及彈丸。外殼、高壓段、壓縮管、發射管均采用4340 鋼。本構模型采用Johnson Cook 模型，狀態方程為Linear。裝藥采用爆速為7 km/s 左右的季戊四醇四硝酸酯（PETN），狀態方程為JWL；驅動氣體為氦氣，采用理想氣體狀態方程；彈丸本構模型為Steinberg Guinan，狀態方程為Shock。材料參數均選自AUTUDYN 數據庫。

為了使彈丸能夠約束初始狀態的高壓氦氣，在彈丸與高壓氣體交界處增加一層Lagrange 網格。該網格與高壓段和彈丸均采用共節點的方式固定，并將該部分的材料失效應變設置為0.5，當達到失效應變時自動刪除該部分的網格，使其不會對彈丸發射造成過大影響。

2.2 仿真計算相關參數

針對彈丸材料和充氣壓力兩個參數，共進行4 個狀態的仿真計算，相關參數以及各狀態下獲得的彈丸出炮口速度見表1。

表 1 不同彈丸材料和充氣壓力下仿真計算參數Table 1 Simulation parameters of launchers with different projectile materials and filling pressure

2.3 仿真結果

2.3.1 內爆發射器工作過程

圖3 給出了內爆式超高速發射裝置發射鋁彈丸的仿真結果，其中彈丸尺寸為 ?8 mm × 4 mm，質量為0.55 g。零時刻從裝藥的左端面開始點火，裝藥爆炸后開始擠壓壓縮管形成錐形活塞，并在氦氣（初始壓力5 MPa）中形成壓力達到500 MPa 左右的沖擊波向右傳播，外殼達到失效應變后被刪除，如圖3(b)所示，壓力超過1 GPa 時顯示為紅色；在55 μs 左右，沖擊波到達彈丸底部反射，形成峰值壓力高達5 GPa的氣體推動彈丸加速運動；70 μs 左右炸藥爆轟結束；在108 μs 左右彈丸離開發射管，達到最高發射速度。

圖3 8 mm 口徑內爆式發射裝置工作過程Fig. 3 Launch process of 8 mm caliber implosion launcher

2.3.2 不同初始充氣壓力下彈丸的發射速度

圖4 給出了充氣壓力分別為4、5 和6 MPa 狀態下鋁彈丸的速度-時間歷程。從速度-時間曲線上可以看到，彈丸加速過程有較為明顯的二次沖擊加載。初始沖擊加載是由先導沖擊波到達彈丸底部產生的；二次沖擊加載是彈丸底部反射的沖擊波到達左端后再次反射沖擊波，該沖擊波追趕上彈丸產生的。從表1 中的數據可知，4、5 和6 MPa 充氣壓力下彈丸的出炮口速度分別為8.62、9.17 和9.25 km/s。可以看到，炮口速度隨充氣壓力的增加而增加，但增加幅度縮小。可能是由于當充氣壓力從5 MPa 增加至6 MPa 時，壓縮管、高壓段內壁的膨脹顯著增加，削弱了驅動壓力增加的增速效果。

圖4 不同充氣壓力下鋁彈丸的速度-時間歷史Fig. 4 Velocity-time history of aluminum projectiles with different filling pressure

2.3.3 不同彈丸材料的發射速度

根據建立的仿真模型對尺寸為 ?8 mm × 4 mm的鋁合金彈丸和鎂合金彈丸進行發射過程的計算，初始填充5 MPa 氦氣，計算結果如圖5 所示。0.55 g 鋁合金彈丸的最終發射速度為9.17 km/s；0.37 g 鎂合金彈丸的發射速度為10.66 km/s，比鋁合金彈丸速度高1.49 km/s。

圖5 不同材料彈丸速度-時間歷史Fig. 5 Velocity-time history of projectiles with different materials

3 實驗設計及結果

3.1 發射器結構

發射器總長度為914 mm，最大部位直徑為81.4 mm，主要包括發射管、發射管護套、高壓段、外殼、壓縮管、彈丸和裝藥等。其中：發射管內徑為8 mm，長度為304 mm；壓縮管內徑為16 mm，長度為495 mm。裝藥為柱殼裝藥，厚度約為5 mm，裝藥量約為300 g，采用兩層以黑索金（RDX）為基底的片狀撓性炸藥包裹而成，撓性炸藥的爆速為7.1 km/s。彈丸直徑為8 mm，高度為4 mm。彈丸材料有兩種，分別是鋁合金和鎂合金，其中鋁合金彈丸質量約為0.55 g，鎂合金彈丸質量約為0.37 g，安裝完成后的發射器如圖6 所示。

圖6 內爆式超高速發射器實物Fig. 6 Image of implosion-driven hypervelocity launcher

3.2 實驗裝置總體布局

實驗裝置布局如圖7 所示。實驗裝置主要包括發射器、測試系統、真空系統和防護系統等。發射器放置在厚壁防護筒內，防止爆炸產生的碎片向外飛散，損傷實驗裝置和設備。采用激光測速系統和靶網測速裝置等測量彈丸的發射速度，并采用序列激光陰影成像儀拍攝模型的飛行姿態和形貌。實驗中發射器壓縮管內充5 MPa 氦氣，從端面起爆裝藥。

圖7 實驗裝置布局示意圖Fig. 7 Layout of experimental equipment

3.3 實驗結果與分析

共開展了7 次實驗，其中鋁合金彈丸實驗3 次，鎂合金彈丸實驗4 次，具體實驗參數如表2 所示。

表 2 內爆發射器實驗相關參數Table 2 Parameters of the implosion-driven launchers in tests

3.3.1 回收發射器

實驗后的發射器壓縮管和外殼完全碎裂，高壓段外殼明顯膨脹變形并出現裂紋，回收的典型發射器裝置如圖8 所示。

圖8 ILT08 實驗發射器裝置回收Fig. 8 Recycle launcher of test ILT08

3.3.2 鋁合金彈丸速度測試結果

3 次鋁合金彈丸實驗結果如圖9 所示，其中橫坐標為測點位置離炮口的距離，縱坐標為測得的速度，各次實驗測得的最大速度見表2。其中，實驗中測得的彈丸最高出炮口速度為7.95 km/s，比仿真預測速度9.17 km/s 低1.22 km/s，相對偏差為15.3%。實驗速度偏低可能是許多因素共同影響的結果，例如裝置加工誤差、裝藥松緊程度、發射管與彈丸有摩擦阻力等，而仿真狀態則相對理想，沒有考慮這些因素的影響。另外，實驗中彈丸的速度也有1 km/s 左右的偏差，撓性炸藥裝填、裝藥爆轟的圓周同步性、發射管與彈丸的配合程度等問題都會對實際發射速度造成一定影響，導致重復實驗出現一定的偏差。

圖9 0.55 g 鋁合金彈丸速度測試結果Fig. 9 Experimental muzzle velocities of 0.55 g aluminum projectile

3.3.3 鎂合金彈丸速度測試結果

4 次鎂合金有效實驗獲得的速度結果如圖10所示，實驗測得的最大速度見表2。4 次實驗獲得的最高發射速度與仿真預測速度10.66 km/s 非常接近，相對偏差為3.7%。鎂合金彈丸在實驗中的速度偏差為1 km/s左右，產生偏差的原因可能與鋁合金彈丸相同。

圖10 0.37 g 鎂合金彈丸速度測試結果Fig. 10 Experimental muzzle velocities of 0.37 g magnesium projectile

3.3.4 彈丸成像結果

通過超高速八序列激光陰影成像儀拍攝彈丸在實驗過程中的飛行情況，圖11 為3 次實驗拍攝的照片，其中ILT11、ILT12 為鎂合金彈丸，ILT14 為鋁合金彈丸。在圖11 中可以看到，實驗過程中的彈丸仍保持為一個整體彈丸，但存在一定程度變形，其中實驗ILT12 的彈丸變形非常明顯。發生變形的原因可能是材料強度不夠，也可能是發射器結構存在一定的缺陷，有待進一步深入研究。

圖11 彈丸序列激光陰影成像結果Fig. 11 Projectile photos shot by sequence laser shadowgraph imager

4 結 論

通過與加拿大麥吉爾大學合作，初步設計了8 mm 口徑內爆式超高速發射器結構，采用AUTODYN 軟件對內爆式超高速發射器內彈道進行數值模擬，所獲得的發射器作用過程中彈底壓力最高可達5 GPa，并計算了鋁合金彈丸和鎂合金彈丸的發射速度。最終通過開展驗證實驗，證明了設計的內爆發射技術能夠將尺寸為 ?8 mm × 4 mm、質量為0.37 g 的柱狀鎂合金彈丸發射到10.28 km/s，將尺寸為 ?8 mm × 4 mm、質量為0.55 g 的柱狀鋁合金彈丸發射到7.95 km/s。實驗獲得的發射速度與數值仿真結果吻合較好。實驗結果也證明了內爆式超高速發射技術的可行性，在空間碎片的撞擊與防護方面具有較強的應用前景。利用超高速八序列激光陰影成像儀拍攝彈丸的飛行情況，獲得了彈丸發射后的形狀，發現發射后的彈丸是一個整體彈丸，但與原始柱形結構相比，存在不同程度的變形。未來將深入探索提高內爆發射器速度的方法，分析彈丸發生變形的原因，并在保持彈丸初始形狀的發射器結構設計等方面開展進一步的研究工作。

感謝中國空氣動力研究與發展中心的羅慶、龍耀、宋強、周毅、覃金貴、李俊玲、姜林、鄒勝宇、李文光、廖強、劉曉龍、廖富強、丁建文等同事在實驗過程中提供的無私幫助。