8km/s以上毫米级空间碎片地面模拟实验研究进展

宋光明,李明,龚自正,武强,徐坤博

(1.可靠性与环境工程重点实验室,北京卫星环境工程研究所,北京100094;2.北京卫星环境工程研究所,北京100094;3.中国空间技术研究院,北京100094)

1 引言

超高速发射技术是将物体加速到每秒几公里至十几公里甚至更高的实验技术,具备超高速发射实验能力是开展超高速碰撞现象和机理研究的前提条件之一[1]。超高速碰撞所产生的冲击压力远大于弹丸和靶的强度,超高速碰撞过程往往伴随着材料的多形性变化、熔化、气化甚至等离子体化等复杂物理化学过程的发生[2],为深入研究超高速碰撞现象和机理,必须发展具备重复加速任意形状物体到超高速的实验能力。

空间碎片与航天器的碰撞是典型的超高速碰撞研究范畴。在近地轨道,空间碎片和航天器的相对撞击速度高达15km/s,平均撞击速度近10km/s[3]。超高速撞击产生的冲击压力超过航天器材料屈服强度的数十到数百倍,毫米级尺寸碎片即可对航天器结构和载荷造成严重的机械损伤。此外,毫米级尺寸空间碎片数量众多,且无法对其进行有效的监测和预警,严重威胁航天器安全[4-7]。为保障航天器安全,必须发展毫米级尺寸空间碎片地面模拟超高速发射技术,从而开展航天器空间碎片防护结构设计。

由文献 [8]可知,在航天器空间碎片防护结构设计的过程中,弹道极限方程的获取至关重要。弹道极限方程的获取主要通过开展大量的超高速撞击实验获得,为方便重复实验和研究,几乎所有弹道极限方程均将不规则形状空间碎片作为球形处理,因此超高速发射球形弹丸就成为了航天器空间碎片防护结构设计研究的关键条件之一。二级轻气炮技术具备发射弹丸的质量、尺寸、形状和材料选择范围广,且弹丸能够在承受较低加速度和应力的情况下获得较高的速度等优势,因此在空间碎片防护结构弹道极限方程研究中得以广泛应用[9]。但是,目前二级轻气炮对数量众多、危害较大的毫米级空间碎片的模拟速度基本在8km/s以下,低于近地轨道空间碎片和航天器的平均撞击速度,仅能够模拟近地轨道上40%数量的空间碎片撞击威胁[10]。对于更高撞击速度范围的弹道极限方程研究,目前主要通过数值仿真和分析方法开展,缺乏有效的实验数据验证和修正,使得防护结构的设计存在一定的风险,因此迫切需要开展毫米级球形弹丸8km/s以上超高速发射实验技术研究。

本文首先简述了能够将弹丸加速至超高速的发射技术,重点介绍了近几年来美国、法国和德国等国家在8km/s以上毫米级球形弹丸发射实验技术研究中所取得的最新进展,相关进展可为我国毫米级球形弹丸发射实验技术的发展提供良好的借鉴。

2 超高速发射技术简述

近几十年来,研究人员依据不同的加速原理,发展出了静电加速技术、电磁加速技术、等离子体加速技术、激光驱动加速技术、爆炸驱动技术和轻气炮技术等多种可将物体加速至超高速的超高速发射实验技术。可用于空间碎片地面模拟的几种常用超高速发射实验装置性能范围如图1所示[11],下面将对常用的超高速发射技术进行简要介绍。

图1 常用超高速发射实验装置性能范围[11]Fig.1 Performance range of hypervelocity launch test devices[11]

2.1 静电加速技术

使用静电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年德国Max-Plank研究所设计研制了第一台粉尘静电加速器[13],目前国际上已经利用静电加速装置开展了大量的实验[14]。

图2 静电式微小碎片加速器结构示意图[16]Fig.2 Structure diagram of electrostatic micro-debris accelerator[16]

静电加速技术可将尺寸为0.1～10μm的球形带电粒子加速至近100km/s,可见静电加速技术可发射弹丸直径小,为微米级及以下量级,适用于宇宙尘埃、空间微流星体等微小粒子的超高速碰撞效应研究。

2.2 电磁加速技术

电磁加速技术是指利用洛伦兹力加速金属或者等离子体电枢,金属或者等离子体电枢是磁场中电路的可移动部分。通过对移动的电枢进行合理设计可以实现驱动加速弹丸的目的。电磁轨道炮是发展利用电磁加速技术的主要形式,主要由两条平行的金属导轨、一个沿导轨轴线方向滑动的电枢和大功率脉冲发生器等组成,其基本工作原理示意图如图3所示[15]。

图3 电磁轨道炮工作原理示意图[15]Fig.3 Schematic diagram of working principle of electromagnetic railgun[15]

目前利用电磁加速技术已经可以将质量0.3～300g的弹丸加速至2～10km/s以上的速度[17-21]。在应用过程中,电磁轨道炮的一个最有趣的特征是它具备助推加速的能力,由于等离子体电枢的速度可以高达14km/s以上,因此电磁轨道炮可以用作二级轻气炮的第三级,从而进一步提高弹丸速度[20,21]。此时,二级轻气炮所发射的弹丸后部的相当部分推进剂将被电弧激励形成导轨炮的移动导电等离子体电枢。电弧激励与主轨道炮的电流触发同时发生,使得等离子体电枢可以继续加速弹丸至极高的速度。

电磁加速技术具备较好的工程应用前景,目前的主要问题在于无法控制8km/s以上速度时所发射弹丸的完整性,此外超高速条件下导轨的烧蚀和磨损导致的寿命问题也待解决。

2.3 等离子体加速技术

等离子体加速是指采用大容量充电电容器组脉冲触发气体放电产生等离子体,通过同轴电极加速等离子体,利用磁压缩线圈进一步压缩等离子体,形成高速等离子体团从喷嘴处以大约1GPa的压力喷射出,从而驱动放置于喷嘴处的微粒,使微粒达到超高速的加速技术[22]。

利用等离子体加速技术可以将10-8～10-4g质量的微粒加速至20km/s的速度[23],可以将直径为1mm的铝球形弹丸加速至10～100m/s[24]。等离子体加速器的原理图如图4所示[25]。

图4 等离子体加速器原理图[25]Fig.4 Schematic diagram of plasma accelerator[25]

通过对磁压缩线圈中等离子体流热量的测试和分析发现,其最大动压出现在磁压缩线圈内靠近狭窄的一端。因此同上文电磁轨道炮作为次级助推器类似,可以使用一个预先加速设备将弹丸在规定的时间内发射至磁压缩线圈内等离子体流动压最大的位置,再由等离子体加速器作为第二级加速器,将弹丸进一步加速。已有研究表明,通过将轻气炮与等离子体加速器的合理结合可将0.6mm直径的玻璃弹丸加速至16～20km/s[26]。

等离子体加速技术具有如下特点:所发射微粒直径小、速度快,微粒的运动路径不确定 (速度方向存在一个发散立体角),微粒速度不固定(存在一个分布)。利用等离子体加速技术可以模拟研究10～1000μm尺寸的微小空间碎片超高速撞击,无法开展毫米级及以上尺寸空间碎片超高速碰撞防护设计研究。

2.4 激光驱动加速技术

激光驱动加速技术是20世纪80年代末发展起来的一种新型动高压加载技术。1989年美国洛斯阿拉莫斯国家实验室利用大气传输方式进行了激光驱动飞片的实验研究,实验利用激光器将厚2～10μm、直径400～1000μm的铝和铜飞片加速至5km/s以上速度[27]。与其他技术相比,激光驱动加速技术具备结构简单、成本低、容易与其他环境因素仪器组成综合环境模拟设备、无化学污染和电磁干扰、便于实验参数测量和结果分析等特点。激光驱动加速技术的基本原理示意图如图5所示[9]。

图5 激光驱动技术基本原理示意图[9]Fig.5 Schematic diagram of basic principles of laser drive technology[9]

通过在透明约束基底材料上粘接或淀积一层金属或非金属薄膜,制备成飞片靶,将一束高强度脉冲激光透过基底材料入射到薄膜表面,使薄膜内表面瞬间蒸发、气化和电离,产生高温高压的等离子体。由于受到基底材料的约束,等离子体产生的高压冲击波作用在入射区前面的薄膜上,将作用部分薄膜剪切下来并高速驱动出去,形成超高速飞片[28]。目前国际上通过激光驱动技术可实现将8μm厚的三层飞片靶加速至23.6km/s[29]。

影响激光驱动加速技术性能的因素主要有以下几点:激光能量、光束质量和包括约束层、烧蚀涂层的飞片靶制备工艺,其中飞片靶的制备是关键技术。激光驱动技术可以发射微米级尺寸微小飞片至10km/s以上速度,可应用于微流星体和微小空间碎片的地面实验模拟,对于毫米级及以上尺寸飞片或球形弹丸的超高速发射以目前的技术发展水平还较为困难。

2.5 爆炸驱动加速技术

爆炸驱动加速技术是指直接或间接利用炸药爆炸能量驱动弹丸至超高速的加速技术。该技术广泛应用于高压科学领域的研究,具备结构简单、体积小、成本低、工作可靠等特点。

直接利用爆炸能量驱动弹丸是指直接利用高能炸药爆炸能量驱动与之接触的粒子或平板至超高速,这种方式炸药爆炸能量直接作用于弹丸,存在作用于弹丸上的爆轰压力过高而导致弹丸破碎的情况发生,并且这种结构一般只能使弹丸速度达到3～5km/s[2]。为进一步提高速度,一般采用聚能装药结构实现。

聚能装药结构示意图如图6所示。聚能装药结构使用圆柱形炸药块,炸药块一端有一个同轴形状的空腔 (通常是圆锥形),内衬金属(锥形金属药型罩)。炸药的爆炸使得锥形金属药型罩沿轴线会聚而形成金属射流并喷射出去[30-32]。

图6 聚能装药结构示意图[11]Fig.6 Structure diagram of shaped charge[11]

通过使用聚能装药结构,可以将数克重量的弹丸加速至12km/s,但是由于该结构所发射的金属射流各部分之间存在速度梯度,金属射流在飞行过程中不断拉伸,最终形成不稳定的质量、形状各异的高速粒子。聚能装药结构的这种特性使得实验数据分析变得十分复杂,且较难获可重复的实验结果,因此较少应用于空间碎片模拟实验研究,一般仅可用于实验校验,无法获取与弹丸形状密切相关的弹道极限方程[33]。

此外还有间接利用爆炸能量的爆炸驱动加速技术。其中一种间接利用爆炸能量的驱动加速技术通过使用爆炸透镜技术实现,该技术通过两个阶段加速弹丸:第一级为一个线性爆炸驱动器,由含有氦气的金属管及周围的高爆炸药组成。高爆炸药的爆炸使得金属管向内坍塌,压缩氦气产生一个虚拟活塞,以爆炸速度向弹丸移动。弹丸和驱动气体被加速进入第二级,点燃爆炸透镜同样产生一个虚拟锥形活塞,从而将弹丸加速到最终速度。通过正确选择爆炸速度和透镜几何结构,虚拟活塞可以远高于最高爆炸速度的速度运动。目前采用该方法,已实现将0.2g的弹丸发射至高于12km/s的速度[11],但是该技术还不能够发射球形弹丸。

2.6 轻气炮加速技术

轻气炮加速技术是目前发展最成熟和应用最广泛的一种地面高速/超高速加速试验技术。轻气炮分为一级轻气炮、二级轻气炮和多级轻气炮,其中一级轻气炮所能达到的最高速度一般不超过3km/s,因此对于超高速碰撞领域的研究,一般采用二级轻气炮及多级轻气炮[34-36]。下面以二级轻气炮为例对其基本原理结构进行简要介绍。

世界上第一台二级轻气炮是由新墨西哥矿业学校的Crozler和Hume设计建造[37]。二级轻气炮具有火药驱动和非火药驱动两种形式,以火药驱动二级轻气炮为例,其系统组成及工作原理图分别如图7和图8所示。

图7 火药驱动二级轻气炮系统组成示意图[38]Fig.7 System composition diagram of a two-stage light gasgun driven by gunpowder[38]

火药驱动二级轻气炮系统主要由火药室、泵管、高压段、发射管、靶室以及真空系统和控制测量系统组成。发射时,由控制系统点燃火药,借助火药燃烧所生成的高压气体驱动活塞使其压缩泵管内的轻气体 (氢气或氦气),当活塞压缩轻气体运动至高压段的锥形入口处时,此时高压段中受压缩的轻气体压强超过高压段阻隔膜片所能承受压强而破裂,此时高压轻气体进入发射管驱动弹丸高速飞行。高压轻气体进入发射管后压力会急剧下降,但锥形设计的高压段可以使压力的下降得到很好的补偿,活塞进入锥形设计的高压段后每前进一步均使气室体积急剧减小,导致压力迅速上升,从而良好地补偿了由于轻气体驱动弹丸体积膨胀所带来的压力减小损失,这种补偿是二级轻气炮最大的优点[39]。

相比其他加速技术,轻气炮加速技术所具备的突出优点是其所发射的弹丸的质量、尺寸、形状和材料具有更为宽广的选择范围,且弹丸能够在承受较低的加速度和较小的应力情况下获得较高的速度。因此轻气炮技术,尤其是二级轻气炮技术是当前国内外开展空间碎片地面超高速碰撞模拟研究最为重要的实验技术手段之一。

3 8km/s以上毫米级球形弹丸超高速发射实验技术研究进展

上文简述了几种常用的超高速发射技术,然而对于8km/s以上毫米级空间碎片的地面模拟实验技术,特别是8km/s以上毫米级球形弹丸发射技术的研究还存在一系列的技术难题。按照施加到弹丸上的冲量 (或能量)函数对前述超高速加速技术进行分类,目前有四种方法可以实现8km/s以上的超高速发射技术。

(1)静电或电磁效应

该方法基于高强度磁场所产生的洛伦兹力,目前对于8km/s以上超高速发射的主要困难是无法保持弹丸的性质和完整性。

(2)动量转换

基于此方法原理的是等离子体驱动和激光冲击技术,基于动量转换原理的加速技术可以将粒子速度加速到数十公里每秒的速度,但是目前无法实现单个毫米级粒子的发射。

(3)材料相变 (固—气转变)

利用该原理的典型技术是爆炸驱动技术,但是该技术无法保证弹丸的完整性。

(4)压力气体的绝热压缩和膨胀

二级轻气炮是利用该方法的强有力工具,通过合理的设计可以实现8km/s以上速度并能够保证弹丸的完整性。目前在8km/s以上毫米级球形弹丸发射技术的研究中基于二级轻气炮技术的研究受到了国内外的广泛关注。

目前国内外发射超高速球形弹丸所采用的二级轻气炮所能够达到的速度一般在8km/s以下,提高发射速度不光受限于弹丸特性,还受限于轻气炮发射组件的耐久性。在每个加速周期,高压组件和发射管均要经受极高载荷,当进一步提高发射速度至发射系统性能极限时,这些组件会遭到破坏,需要修理才能再次使用[40]。因此,为提高轻气炮的球形弹丸发射速度和发射质量,需要在现有二级轻气炮发射技术的基础上进一步开展研究,通过增加第三级的方式或改进现有的二级轻气炮性能实现研究目标。

3.1 三级轻气炮发射技术研究

在二级轻气炮的技术上进一步提高发射技术的其中一种方法是在第二级炮的基础上增加第三级炮。目前美国代顿大学使用改进的三级轻气炮技术实现了毫米级球形弹丸的8km/s以上超高速发射[41]。

美国代顿大学对于8km/s以上毫米级球形弹丸发射技术的研究始于1998年,所采用的方案是通过对已有的75/30mm二级轻气炮增加第三级实现,第三级发射管口径8.1mm,使用修正的点火循环。实验中,施加于发射组件和弹丸上的载荷和应力是极端的,三级组件通常或出现两种损伤模式:(1)炮管的烧蚀、磨损;(2)膨胀和永久变形。图9给出了代顿大学所研制的三级轻气炮获得不同发射速度时对发射器的损伤程度评分,由图可知,三级轻气炮实现了8km/s以上球形弹丸发射目标,但是大部分获得较高弹丸速度的实验也对发射器造成了不可接受的损伤。因此后续还需通过优化设计三级炮系统使得在获得更高弹丸速度的同时优化炮的加载条件,减少对炮的损伤。

图9 发射器损伤与发射弹丸速度关系示意图(10=无损伤)[41]Fig.9 Diagram of relation between launcher damage and projectile velocity(10=no damage)[41]

2006年至今美国代顿大学持续开展8km/s以上毫米级球形弹丸发射实验能力研究,并在发射技术研究的基础上开展了8km/s以上球形弹丸撞击Whipple防护结构的超高速撞击特性研究。在最新的实验中成功实现了1.4mm直径铝球形弹丸9.89km/s的超高速发射[42]。

在新的三级轻气炮试验中,代顿大学开展了8km/s以上铝球形弹丸超高速撞击特性试验研究[42-44],研究发现8km/s以上速度撞击下Whipple防护结构后墙损伤形貌明显和8km/s以下速度不同,典型形貌如下图10所示。

图10 相同直径弹丸7.28km/s和9.29km/s超高速撞击防护结构后墙形貌[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]

由图中可以清晰地看出由于碎片云中材料物态的变化对后墙撞击损伤模式的影响。7.28km/s速度试验的防护结构后墙损伤模式可以看出,在由固体弹丸碎片撞击形成的撞击坑 (圆周边界内)和固体缓冲屏碎片撞击形成的撞击坑 (边界外)之间存在非常清晰的边界。在后墙表面中心很小区域存在少许明显熔化现象。9.29km/s速度试验得出的后墙损伤模式有几个大致圆形的同心圆区域,并且不同区域呈现不同的纹理。同样明显的是,此时后墙表面存在大量 “射线”,或者说由于熔化态的铝液滴从后墙的中心向外流出时留下的痕迹。

图11 9.29km/s速度球形弹丸撞击防护结构后墙不同区域损伤模式[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]

由撞击速度≥9km/s的铝弹丸正撞击铝缓冲屏而形成的碎片云对防护结构后墙造成的损伤模式可以看出后墙存在大量熔化态的铝。对该表面使用显微镜进行检查发现至少三个明显不同的区域,这些区域构成了后墙的损伤模式,如图11所示。图11(a)和 (b)中所示区域表面覆盖了熔化态的铝;图11(c)中没有覆盖。

由图11(a)中的区域特征可以判断撞击该区域后墙的碎片云材料是以近似正撞击后墙表面的轨迹运动的。不规则形状的 “撞击坑”更接近圆形,多个撞击坑的叠加形态显示它们的形成是在一段时间内发生的。

图11(b)区域具有很少的 “撞击坑”和非常明显的流型,这表明有大量熔化态的球形弹丸、缓冲屏和后墙材料沿着远离碎片云撞击中心的径向路径流动。这种流动模式的一个有趣的特征是该区域的凝结物质具有类似 “叠瓦作用”的明显方向性。流型外边界处的 “舌状”熔融材料最先凝固,最接近撞击中心的材料最后凝固。

图11(c)所显示的后墙区域表明该区域存在大量熔化材料。该区域存在的明显的小的撞击坑毫无疑问是有固态缓冲屏碎片撞击形成。这些撞击坑的边缘频繁地改变了撞击坑形成后到来的熔融态材料的流向。该区域还包含许多熔融态材料沿着后墙表面运动所形成的轨迹。在某些情况下,通常在撞击速度低于9km/s时,形成这些轨迹的熔融材料凝结在后墙上。靠近模式中心的细长液滴的末端从后墙脱落卷曲,使后墙看起来存在 “胡须”。以更高的速度撞击的防护结构后墙并不常见这些 “胡须”,显然这是因为液滴更热,且以更高的速度运动,在它们凝固之前已经从后墙表面离开。

目前实验设备8km/s以上速度段所能发射的铝球弹丸直径小于同速度段下常用Whipple防护结构临界弹丸直径,因此代顿大学开展了缩比模型超高速撞击弹道极限特性研究[42,43]。缩比采用几何等比例缩比技术,分别开展了全尺寸模型、0.46比例模型和0.25比例模型弹道极限特性研究。试验结果同Christiansen弹道极限曲线进行比较,如图12所示。

由图12可知,随着缩放比例因子的减小,0.46比例防护结构基本与Christiansen弹道极限曲线相符,而0.25比例防护结构则随着速度的增大明显与Christiansen弹道极限曲线存在显著差异。因此基于几何等比例缩放技术并不能开展防护结构弹道极限特性研究。

3.2 改进的二级轻气炮发射技术研究

图12 弹道极限方程曲线与三种比例Whipple防护结构实验弹道极限曲线[43]Fig.12 Ballistic limit equation curve and three proportional Whipple protective structures’experimental ballistic limit curves[43]

除开展三级轻气炮技术研究以提高毫米级球形弹丸发射速度外,还可以通过对现有二级轻气炮结构进行优化设计以实现提高发射速度的目的。由于二级轻气炮在进一步提高发射速度时所需要承受的极端载荷非现有二级轻气炮结构设计所能够承受,因此需要在现有设计的基础上对二级轻气炮极限载荷承压能力进行改进。同时,随着发射速度的提高,需要对原有的弹丸弹托分离技术进行改进,以保证在更短的飞行时间内实现弹丸弹托的有效分离,以确保实验的成功。

目前对二级轻气炮结构的设计主要有两个研究方向:(1)现有二级轻气炮高压组件的结构优化设计,提高承压能力;(2)设计新型结构二级轻气炮,实现承压能力不变的同时提高发射速度。

3.2.1 二级轻气炮优化设计研究

法国国家空间研究中心2017年在其现有二级轻气炮的基础上进行了进一步的优化设计,优化设计提高了高压组件的抗高压能力,通过实验验证成功保证了发射过程中弹丸的完整性,并且实现了弹丸弹托的气动分离,通过验证实验测得的弹丸速度,改进后的二级轻气炮实现了将1mm直径铝球弹丸发射至9.85km/s的超高速度,且弹丸弹托分离良好,最高曾获得超过11.0km/s的速度,2mm直径铝合金弹丸所获取的峰值速度为9.0km/s[45]。

通过优化设计法国国家空间研究中心改进了其现有二级轻气炮的高压组件和发射管的承压能力。首先,法国宇航局改进升级了其二级轻气炮内弹道分析软件CESAR,以评估8～12km/s速度范围内高压组件和炮管的应力水平。研究发现,在8～12km/s速度范围内,高压组件需承受15～25kbar压强,发射管需承受高达10kbar压强,以上承压水平是通常水平的两倍,因此为避免损坏轻气炮结构,需对相关承压部件结构进行优化设计。

法国国家空间研究中心通过使用LS-OPTTM优化软件开展了反复迭代优化研究,通过使用改进后的CESAR软件与LS-OPTTM软件间的接口,优化了设备组件与弹丸的载荷条件。这些组件的强度和性能分析采用LS-DYNATM的FEA商业代码,通过迭代优化的高压组件载荷动力学计算结果如图13所示,由图可知,优化设计后高压组件载荷特性 (中、右图)相比优化设计前高压组件载荷特性 (左图)有了大幅度的改善。

实验获得优化设计的二级轻气炮发射1mm直径铝球形弹丸至9.5km/s与Whipple防护结构撞击后的穿孔照片如图14所示,由图可知,其穿孔周围还散布着直径不一的小撞击坑,由此可以判断其弹丸弹托分离技术目前仍然需要进一步的完善改进。

法国国家空间研究中心通过借助内弹道分析软件、CFD和FEM结构分析软件,对现有的二级轻气炮进行了优化设计,虽然弹丸弹托分离技术还需进一步的改进,但已经通过实验证实了改进的有效性,且发射器高压组件得到了良好的保护,可以多次重复使用。相关验证实验是在低于设备所能够承受的极端条件下开展,通过进一步的优化设计,今后可以实现将毫米级铝合金球形弹丸发射至10.0～12.0km/s速度的能力。

图14 改进的二级轻气炮发射9.5km/s球形弹丸撞击铝靶板前表面损伤特征 (弹丸直径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 新概念二级轻气炮设计研究

德国夫琅和费研究所 (Fraunhofer Institute)于2016年提出了一种不同于常规二级轻气炮结构的TwinGun新概念二级炮,TwinGun概念研究的初衷是尝试在将发射器所承受的载荷控制在合理水平的同时最大可能地提高发射速度[40]。这种新概念发射器以二级轻气炮原理为基础,其原理示意图如图15所示。

图15 TwinGun新概念二级轻气炮原理示意图[40]Fig.15 Principle schematic diagram of Twin Gun new concept two-stage light gas gun[40]

如图15所示,与通常的二级轻气炮相比,TwinGun由两个平行的泵并联而成,每个泵均由一根泵管、一个加速存储器和一个运动活塞组成,两个泵均是由同一个药室驱动。在药室的驱动作用下,两个泵中的活塞几乎是同步加速的状态。每个泵均会在其加速存储器的出口处产生一个压力脉冲。通过合理调整初始条件,一个活塞在另一个活塞到达加速存储器后很短时间之后到达。加速存储器合并段引导两个脉冲进入发射管将其组合叠加形成新的发射作用脉冲。两个活塞之间的延迟经过了仔细调整,延迟太大来不及作用到弹丸上,延迟太小会产生过强的压力脉冲,对发射器部件造成不必要的磨损甚至损坏。传统二级轻气炮发射管作用压力脉冲曲线与TwinGun新概念二级轻气炮发射管作用压力脉冲曲线如图16所示。

图16 传统二级轻气炮压力脉冲 (左)与TwinGun新概念二级炮压力脉冲 (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]

如图16所示,曲线下的面积能很好地预测所能得到的发射管出口速度,由上图可知,相同的发射管出口速度时,TwinGun新概念二级轻气炮的压力脉冲峰值更小,或者在相同的压力脉冲峰值条件下,能够使得TwinGun新概念二级轻气炮的发射管出口速度更高。

该新概念二级轻气炮的关键在于是否能够实现对两个活塞运动的精准控制:(1)活塞运动需要实现精准控制以精确控制实验的可重复性;(2)精准调控两个活塞之间的延迟,以优化脉冲压力延迟。

德国夫琅和费研究所针对提出的新概念TwinGun二级轻气炮开展了可行性研究,研究采用数值仿真手段。首先验证数值仿真模型的合理性,通过传统二级轻气炮数值仿真计算结果同实验进行对比验证模型合理性;其次采用相同的方法建立TwinGun数值模型并与传统的二级轻气炮数值仿真结果进行对比。对比结果如图17所示,数值计算结果显示,相同发射速度条件下,新概念轻气炮所承载的最大压力载荷降低约30%。

目前夫琅和费研究所对于新概念二级轻气炮的工程设计阶段尚未完成,仅开展了初步的验证实验,所用弹丸也仅为圆柱形聚碳酸酯弹托,未发射球形弹丸,验证实验所获取的发射器压力脉冲曲线如图18所示,验证了TwinGun概念的工程可行性。

德国夫琅和费研究所提出的TwinGun新概念二级轻气炮从原理上对提高发射速度进行了可行性研究,使得在不必优化加强现有二级轻气炮结构强度的情况下提高发射速度成为了可能,因此值得进一步深入开展研究。进一步的研究应该重点针对发射过程中的气动作用影响开展研究,此外还应针对活塞运动的可复现性、活塞运动延迟的精确可控性开展研究,以优化活塞延迟、优化发射器组件载荷特性。

图18 TwinGun新概念二级轻气炮实验压力脉冲曲线[40]Fig.18 The experimental pressure pulse curve of the Twin Gun new concept two-stage light gas gun[40]

4 总结与建议

本文对空间碎片领域常用的几种超高速发射技术进行了综述,重点针对8km/s以上速度段毫米级球形弹丸发射技术研究进展进行了介绍。8km/s以上毫米级球形弹丸超高速发射技术研究对于航天器空间碎片防护结构设计研究意义重大,目前8km/s以上速度段空间碎片防护结构设计均是通过分析方法和数值仿真计算进行,无法进行实验验证,因此存在较大风险。但是8km/s以上速度毫米级球形弹丸发射技术存在诸如弹丸完整性、极端承压载荷和弹丸弹托分离技术等诸多困难,鲜有相关研究进展公开报道。以目前国际上8km/s以上毫米级球形弹丸发射技术发展水平来看,已经可以实现最高速度达10km/s铝质球形弹丸的发射,但还存在如下问题需要进一步开展研究:

(1)发射技术的进一步研究完善,目前的研究集中于三级轻气炮的研究和二级轻气炮的性能改进,相关技术还不够成熟,需进一步进行完善。此外还可进一步对新概念发射器的可行性进行研究,诸如激光驱动球形弹丸超高速发射技术的可行性进行研究。

(2)现有发射技术水平所发射的铝质球形弹丸直径小,可发射的直径范围仅为1～3mm,因此,如何实现在进一步提高发射速度的同时,增加球形弹丸直径仍是难点和热点问题。

(3)现有的发射技术实现了球形弹丸的弹丸弹托分离,但是分离技术尚不完善,还需要对弹丸弹托分离的气动作用过程进行深入研究,进一步发展完善弹丸弹托分离技术。

(4)针对8km/s以上速度铝球形弹丸发射直径受限的现状而开展的缩比模型防护结构弹道极限特性研究表明,现有的几何等比例缩比技术并不能很好地开展防护结构弹道极限特性研究,在发射弹丸直径受限的情况下,应探讨诸如量纲缩比技术等的可行性。