Advances on the techniques of ultrahigh-velocity launch above 7 km/s
-
摘要: 介绍了毫克至克量级弹丸7 km/s以上超高速发射技术的国内外研究进展，并对各发射装置的工作原理和技术要素进行了简要阐述。基于电磁驱动准等熵加载，美国ZR装置驱动25 mm×13 mm×1.0 mm铝飞片至46 km/s速度，国内CQ系列磁驱动加载装置实现了10 mm×6 mm×0.33 mm铝飞片18 km/s的发射。借助于金属箔电爆炸产生高压气体驱动，美国利弗莫尔实验室100 kV电炮装置驱动9.5 mm×9.5 mm×0.3 mm 的Kapton 膜至18 km/s，国内流体物理研究所98 kJ和200 kJ电炮装置分别驱动
∅ 10 mm×0.2 mm Mylar飞片和∅ 21 mm×0.5 mm Mylar飞片到10 km/s。基于阻抗梯度飞片技术，采用汇聚型和非汇聚型结构三级轻气炮，实现了厘米量级铝飞片和TC4钛飞片12～15 km/s速度发射。这些超高速驱动技术的发展，为空间碎片防护研究提供了坚实的技术支持。Abstract: Advances on ultrahigh-velocity launch techniques were introduced, which involving magnetically-driven metallic flyer, metallic foil electrically explosion driven plastic flyer and three-stage light gas gun based on graded density impactor (GDI) driven flyer techniques. The magnetically-driven flyer technique utilizes the Lorentz force produced by the interact of intense current and strong magnetic field to accelerate a metallic flyer shocklessly, and a 25 mm×13 mm×1.0 mm aluminum flyer was launched to 46 km/s on the ZR machnine at Sandia National Laboratory (SNL). This technique has been developed in Institute of Fluid Physics (IFP) since 2008, series compact pulsed power generators such as CQ-1.5, CQ-4, CQ-7 with increasing loading capability in turn, were established and hypervelocity metallic flyer launching experiments were conducted. The shape of the loading electrode for launching a flyer was optimized by using a magnetic hydrodynamic code, and an aluminum flyer with the initial sizes of 10 mm×6 mm×0.33 mm was accelerated to 18 km/s within a distance of up to several millimeters. The metallic foil electrically-explosion driven flyer technique, usually named as electrical gun (EG), uses the high-pressure gas produced by electrical exploding of a metal foil to accelerate a plastic flyer. A Kapton flyer with the sizes of 9.5 mm×9.5 mm×0.3 mm was accelerated to 18 km/s in Lawrence Livermore National Laboratory. The electrical gun technique has been developed in IFP since 2006, series electrical guns with increasing loading capability were established, namely 14.4-kJ EG, 98-kJ EG and 200-kJ EG. A unified numerical simulation program was developed to give insight to the progress of metallic foil electrical explosion and to optimize the experimental designs. By using 98-kJ and 200-kJ electric guns, the Mylar flyers with the sizes of∅ 10 mm×0.2 mm and∅ 21 mm×0.5 mm and the mass of hundreds of milligrams were launched up to 10 km/s. A three-stage light gas gun based on GDI transfers the kinetic energy of a GDI to a metallic flyer shocklessly, and a centimeter-sized metallic flyer was launched to 15 km/s in SNL. This technique has been investigated in IFP since 2003, and the preparation of high-quality GDIs is mainly focused on. Numerical simulation on GDI-driven hypervelocity launch was carried out, convergent and non-convergent structures of the third-stage barrel muzzle were improved. By ultilizing the three-stage gas gun based on GDI, an aluminum flyer and a TC4 flyer were launched to 12−15 km/s. By using the ultrahigh-velocity launch techniques mentioned above, a protective structure of space aircraft was impacted at the velocity above 7 km/s to test its protection ability and ballistic limits. The results show that these ultrahigh-velocity launch technologies can provide reliable technical supports for space debris protection research. -
在近地空间环境中，存在大量的天然微陨石以及人类探索宇宙和太空留下的数以百万计的人造空间碎片。这些碎片的平均速度超过7.5 km/s，如果发生对撞，其碰撞速度可高达15 km/s，空间碎片的存在对在轨航天器和人类的航天活动构成了巨大威胁。为提高在轨航天器的空间生存率，确保具有高风险、高投入等特点的航天活动顺利进行，通过开展地面超高速撞击实验来验证航天器防护结构的可靠性成为必然的选择。火炮、一级轻气炮和二级轻气炮等加载手段可以较容易地实现毫克至百克弹丸几百米/秒至几公里/秒的发射速度，但7 km/s以上弹丸的稳定发射却面临较大的技术困难，主要原因是速度超过7 km/s时炮管容易造成严重烧蚀。
为了实现毫克至克量级弹丸以7 km/s以上超高速发射，研究人员发展了多种驱动技术，如三级轻气炮技术、定向聚能加速技术以及多级爆轰驱动技术等。Piekutowski等[1-2]在二级炮发射管末端附加一段高压段和发射管,将原二级炮发射管作为二级泵管,从而组成传统意义上的三级轻气炮，成功实现了将直径2.38 mm的铝球以9.1 km/s的速度发射；林俊德等[3]采用类似的三级炮结构，将直径10 mm的飞片以8 km/s的速度成功发射；Walker等[4]受聚能射流启发，发展了基于锥形装药的定向聚能加速技术（inhibited shaped charge launcher），将0.5～1.0 g铝弹丸的发射速度提升至11.2 km/s。文尚刚等[5]、赵士操等[6]等分别提出了针对超高速撞击的多级爆轰驱动技术，可使克量级飞片和球形弹丸的驱动速度达到10 km/s。此外，针对武器物理研究中超高压加载需求，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）[7-8]发展了金属箔电爆炸驱动超高速飞片技术，用100 kV的电炮装置驱动将9.5 mm×9.5 mm×0.3 mm的Kapton飞片驱动至18 km/s；美国圣地亚国家实验室(SNL)发展了基于阻抗梯度飞片的三级轻气炮加载技术和基于电磁驱动的超高速飞片发射技术，其三级炮装置将
∅ 6 mm×0.56 mm的钛飞片的发射速度提升至15.6 km/s[9]，ZR机器驱动初始尺寸为25 mm×13 mm×1.0 mm的铝飞片，在几毫米的距离上将速度提升至45 km/s[10]。国内对航天器的防护研究起步相对较晚，主要发展了一级轻气炮、二级轻气炮和电炮技术，开展了柱形、球形弹丸以及飞片弹丸撞击单层铝板和Whipple防护结构的破坏特性研究[11-16]。空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所通过优化装填参数，利用二级轻气炮将球形弹丸以8 km/s的速度进行了稳定发射[17]。总体而言，目前开展的超高速撞击实验尚无法满足防护结构在7 km/s以上的高速弹丸撞击下的设计验证和考核需求；而且需要发展具备异形弹丸超高速发射能力的新型驱动技术，以实现对空间碎片形状多样性的真实情况模拟。
本文中将介绍7 km/s以上超高速发射技术的研究进展，重点介绍国内在磁驱动超高速飞片发射、金属箔电爆炸驱动超高速飞片以及三级炮驱动超高速飞片方面的研究进展，展示相关技术应用于航天器防护结构超高速撞击特性研究的部分成果。这些超高速发射技术的进步，将对航天器防护结构设计与性能优化提供重要的参考。
1. 磁驱动飞片发射技术
磁驱动高速度飞片发射的原理如图1所示。脉冲大电流流经由两个临近的导电平板构成的回路时，将在两个电极板之间的间隙中感生脉冲强磁场。受趋肤效应影响，电流集中在电极板内表面流过，带电极板在感生强磁场中承受的洛伦兹力集中在载流面附近，近似为面积力，即磁压力。磁压力波在电极板内传播至镗孔自由面反射并使其加速形成高速飞片。当磁压力幅值达到数百吉帕甚至太帕时，可将宏观金属飞片发射至数十千米/秒的超高速度。图2给出了美国圣地亚实验室ZR装置驱动超高速金属飞片的典型实验结果，磁驱动加载技术可将初始尺寸为25 mm×13 mm×1.0 mm的铝飞片在数百纳秒内和几毫米的距离上加速至45 km/s[10]。
图 1 磁驱动高速飞片发射示意图Figure 1. Schematic diagram of a magnetically driven high-velocity flyer
磁驱动超高速飞片的发射能力（通过飞片质量和速度体现）主要依赖于负载电极上的加载磁压力，而磁压力又正比于流经金属飞片的线电流密度（电流幅值与电极宽度之比）的平方。对线电流密度较小的情形，磁驱动飞片主要是磁压力波的作用；对线电流密度较大的情形，磁驱动飞片是磁压力波和烧蚀等离子体反推的共同作用。磁驱动飞片的长度可在十几毫米至几十毫米范围内自由调节，但飞片宽度可调节范围相对较小，一般在几毫米至十几毫米，过大的飞片宽度将导致流经飞片的线电流密度减小。磁驱动飞片的厚度选取一般要求磁压力波能在飞片厚度方向多次反射来加速飞片并避免飞片层裂破坏，因此飞片厚度一般在1 mm左右。用于磁驱动加载实验的负载电流一般在数兆安培至几十兆安培范围内，电流脉冲上升前沿为数百纳秒。负载电流的大小取决于脉冲功率装置的输出能力，一般情况下，装置规模越大驱动能力越强，但相应的工程造价以及系统复杂性越高。美国圣地亚的ZR装置直径约60 m，造价上亿美元，驱动高速飞片负载时电流上升前沿约400 ns，幅值16 MA。
针对磁驱动准等熵压缩下材料的高压物性研究需求，国内先后建立了放电电流峰值1.5、4.0、7.0 MA的磁驱动加载装置CQ-1.5、CQ-4和CQ-7，并开展了磁驱动超高速飞片发射实验技术研究[18-22]。针对聚变能源研究建立的聚龙一号装置，对其负载区进行改造后也可以开展磁驱动高速飞片研究[23]。CQ-4装置磁驱动高飞片速度曲线如图3～4所示。对较厚的飞片，磁压力光滑加速后期，飞片基本保持恒定的速度；对较薄的飞片，磁压力加速后期，烧蚀等离子体反喷对飞片加速明显。CQ-4装置可将初始尺寸为10 mm×6 mm×0.33 mm的铝飞片驱动至18 km/s的超高速度，加载能力更强的CQ-7装置有望将大尺寸飞片驱动至超过20 km/s的速度。图5～6为CQ-4装置的照片和磁驱动铜飞片的实验电极照片。
图 3 CQ-4装置驱动飞片速度曲线Figure 3. Velocity curves of metallic flyer driven by the CQ-4 device
图 4 CQ-4装置驱动薄铝飞片速度曲线Figure 4. Ultra-high velocity curves of aluminum flyer driven by the CQ-4 device2. 电炮驱动高速飞片发射技术
电炮的工作原理如图7(a)所示,其电路结构是一个典型的RLC回路：当开关导通后，储存在电容器里的能量瞬间释放，回路产生脉冲大电流。当大电流流经桥箔区（见图7(b)）时，桥区金属箔由于焦耳热的迅速沉积导致其状态在极短的时间内由固态转变为气态，桥区电阻急剧增大并导致桥区两端产生高电压，高电压击穿金属蒸汽后形成高温高压等离子体，推动覆盖其上的塑料薄膜（如Mylar膜）沿加速腔镗孔切割飞出。1970～1990年间，美国利弗莫尔国家实验室(LLNL)对电炮进行了深入研究，将飞片直径从数毫米发展到百毫米，并成功将9.5 mm×9.5 mm×0.3 mm 的Kapton 膜（约43 mg）以18 km/s的超高速发射(见图8)，撞击压力接近太帕量级[7-8, 24-26]。
图 8 LLNL实验室100 kV电炮驱动飞片速度曲线Figure 8. Velocity profile of Mylar flyer driven by the 100-kV electrical gun in LLNL电炮驱动飞片的过程一般在数百纳秒至1 μs，此时绝缘砧板和加速腔在电爆炸应力波作用下尚未发生破坏，爆炸金属箔产生的高温高压（（1～3）×104 K，1～10 GPa,）气体被约束在加速腔的中心空腔并沿厚度方向膨胀，因此电炮对塑料飞片的驱动过程类似高压气体膨胀驱动固体活塞的过程，飞片所能获得的最大速度不超过爆炸产物自由膨胀速度。对金属箔电爆炸而言，由电能转换的焦耳热沉积速率越快，电爆炸时刻金属箔的比内能就越大，相应的爆炸产物压力和温度越高，气体膨胀驱动飞片的速度也就越高。压缩电炮装置放电电流上升前沿、提升流过金属箔的电流面密度（电流与金属箔横截面之比）是此类实验必须控制的因素，一般要求脉冲大电流上升前沿不超过1 μs，流经金属箔的电流面密度大于1012 A/m2。当脉冲电流足够大时，爆炸等离子体将在后续电流和感生磁场作用下受电磁力二次加速，使得飞片被二次加速，这一点在图8中飞片加速后期有明显的体现。
国内先后建立了14.4 kJ电炮装置（电流约400 kA）、98 kJ电炮装置（电流约1 MA）和200 kJ电炮装置（电流约3 MA），开展了金属箔电爆炸驱动超高速飞片实验研究[16,27-29]，并发展了一套完善的金属箔电爆炸计算程序[30]。图9～10中给出了14.4 kJ电炮装置在不同充电电压下的放电电流曲线和驱动飞片速度曲线，图中还给出了电爆炸程序的计算结果。14.4 kJ电炮装置可将
∅ 10 mm×0.15 mm 的Mylar飞片（16 mg）驱动至速度超过8 km/s，其对飞片的加速历程是典型的气体膨胀驱动。图11～12是98 kJ和200 kJ电炮装置照片，图13～14分别是98 kJ电炮驱动∅ 10 mm×0.2 mm 的Mylar飞片（22 mg）和200 kJ的电炮驱动∅ 21 mm×0.5 mm 的Mylar飞片（242 mg）的速度曲线，飞片的终态速度达到10 km/s。98 kJ和200 kJ电炮装置驱动飞片后期的速度走势和14.4 kJ电炮实验有明显的差异，飞片的二次加速是脉冲大电流作用下的电磁力造成的。采用磁流体计算程序对桥箔区参数优化后，200 kJ电炮装置有望将飞片驱动至速度超过14 km/s。
图 9 14.4 kJ电炮装置在不同电压下放电电流曲线Figure 9. Current profiles of a 14.4 kJ electrical gun at different voltages
图 10 14.4 kJ电炮装置在不同电压下的飞片速度曲线Figure 10. Velocity profiles of a 14.4 kJ electrical gun at different voltages
图 13 98 kJ电炮驱动飞片速度曲线Figure 13. Velocity of a Mylar flyer driven by a 98-kJ electrical gun
图 14 200 kJ电炮驱动飞片速度曲线Figure 14. Velocity of a Mylar flyer driven by a 200-kJ electrical gun3. 三级炮驱动超高速飞片技术
气炮发射弹丸的基本原理是高压气体膨胀驱动弹丸高速飞行，因此弹丸的最大速度不超过高压气体自由膨胀速度。理想情况下高压气体最大膨胀速度umax=2c0/(γ-1)，其中c0为高压气体初始声速，其值与气体压力和密度相关，γ为气体材料常数。要获得更高的弹丸速度，就要选用密度小、气体常数小的驱动气体并尽量提高驱动压力。传统的三级轻气炮是在二级炮发射管末端附加一段高压段和发射管，将原二级炮发射管作为二级泵管，通过二级活塞对工质气体（如氢气）进行进一步压缩来获得更高的弹丸驱动气压。受炮管材料强度限制，传统三级炮驱动弹丸的速度一般在8～10 km/s范围内，而且高压运行时三级炮管容易出现严重的烧蚀和塑性变形。
针对材料超高压状态方程研究需求，Chhabildas等[31]发展了基于阻抗梯度飞片(graded density impactor，GDI)的三级轻气炮技术，将阻抗梯度飞片作为一级飞片，由二级轻气炮发射至较高的速度，然后利用GDI撞击二级飞片并对其加速。阻抗梯度飞片是一种波阻抗沿其厚度方向按一定规律连续或准连续变化的多层组合飞片，在撞击二级飞片时可产生准等熵加载波，使得更多加载能量转化为二级飞片的动能，并降低二级飞片的温升。基于GDI技术的三级炮结构有汇聚型和非汇聚型两种（见图15）：非汇聚型加速装置中，二级飞片直径与一级梯度飞片直径基本一致，在梯度飞片对二级飞片的加速过程中，不存在明显的能量向二级飞片中心区域汇聚的现象，二级飞片姿态保持较好；汇聚型加速装置中，二级飞片直径小于一级阻抗梯度飞片直径，在阻抗梯度飞片对二级飞片的加速过程中，存在明显的能量向二级飞片中心区域汇聚的现象。汇聚型结构可以实现更高的速度，但二级飞片的飞行姿态不易控制，二级飞片在加速过程中初始状态可能会发生较大变化，甚至出现严重变形乃至碎裂。圣地亚国家实验室经过近10年的系统研究，解决了高质量阻抗梯度飞片的制备工艺问题，开展了大量的计算模拟和实验研究，利用这种超高速发射技术成功地将Al、TC4等宏观飞片发射至15 km/s以上的超高速度[9, 31-32]。
图 15 基于阻抗梯度飞片的三级炮结构示意图Figure 15. Schematic diagrams of three-stage light gas guns based on GDI国内自2003年开始开展基于GDI技术的三级轻气炮研究，掌握了阻抗梯度飞片的设计、制备以及三级炮驱动超高速飞片实验技术，成功将宏观Al、TC4飞片发射至10～15 km/s的超高速度，而且将克级钽飞片驱动到接近10 km/s的速度[33-37]。图16和图17分别为非汇聚型三级炮驱动铝合金飞片和汇聚型三级炮驱动钛合金飞片实验的速度曲线。从图中可以看出，非汇聚型结构的速度增益稳定在1.6左右，飞片最大速度接近12 km/s，汇聚型结构的速度增益可超过2.3，飞片最大速度超过15 km/s。
图 16 三级炮发射的LY-12铝合金飞片速度曲线（非汇聚型）Figure 16. Velocity curves of an LY-12 Al flyer driven by a non-convergent configuration three-stage gas gun based on GDI
图 17 三级炮发射的TC4钛合金飞片速度曲线（汇聚型）Figure 17. Velocity curves of TC4 titanium flyers driven by a convergent configuration three-stage gas gun based on GDI4. 应用情况
在超过7 km/s的高速撞击过程中，由于弹丸和靶板材料状态的变化（冲击熔化、冲击气化），防护结构的弹道极限特性与中低速的弹道极限存在显著的差异，因此开展速度7 km/s以上撞击下防护结构的破坏特性研究十分重要。图18是速度9 km/s 的Mylar飞片撞击厚度5 mm的单层铝板的破坏情况。当飞片速度足够高时，
∅ 6 mm×0.15 mm（6 mg）的塑料飞片直接击穿了5 mm厚的防护铝板。图19是速度9 km/s的Mylar飞片撞击Whipple铝板的破坏情况。∅ 11 mm×0.25 mm 的Mylar飞片（33 mg）造成了Whipple防护结构的失效。图20中给出了三级炮驱动∅ 25 mm×1.0 mm的铝飞片以10.6 km/s的速度撞击铝Whipple结构时的高速摄影结果。尽管在测试光路中增添了多个窄带宽滤光片来抑制撞击强发光对测试的影响，但在10.6 km/s的速度撞击下，铝板冲击气化过程的强发光超出了预料。从不同时刻碎片云前端位置判断其移动速度为13 km/s，超过了飞片撞击速度。从Whipple后板的破坏来看，∅ 25 mm的铝片以10.6 km/s的速度撞击Whipple前板产生的碎片云，有超过10 mm宽度的高动能区域并造成了后板的破坏。
图 18 单层铝板被速度9 km/s 的Mylar飞片正撞击后的破坏情况Figure 18. Failure characteristics of a single aluminum plate impacted by a 9-km/s Mylar flyer
图 19∅ 11 mm×0.25 mm 的Mylar飞片以9 km/s的速度撞击铝Whipple结构时后板的破坏情况Figure 19. Failure characteristics of an aluminum Whipple impacted by a∅ 11 mm×0.25 mm Mylar flyer at 9 km/s
图 20 速度10.6 km/s的铝片撞击铝Whipple的破坏过程Figure 20. Failure progress of an aluminum Whipple impacted by a 10.6-km/s aluminum flyer5. 展 望
目前已发展了多种实验技术来实现毫克至克量级弹丸超过7 km/s的超高速发射，表1中给出了不同驱动技术的加载能力和技术特点之间的比较，但利用这些技术开展航天器防护结构的超高速撞击特性研究仍面临着现实的困难。
表 1 超过7 km/s的超高速发射技术比较Table 1. Comparison of ultrahigh-velocity launch technologies above 7 km/s发射技术 最大速度/(km∙s−1) 弹丸质量/mg 弹丸形状 技术特点 传统三级炮 10 102～103 飞片/球 高速发射时炮管易损坏 GDI三级炮 15 102～103 飞片 高质量GDI飞片制备较难，汇聚型结构飞片姿态不易控制 磁驱动 45 101～102 金属飞片 飞片存在烧蚀，烧蚀厚度需实验定标 电炮 18 101～102 塑料飞片 飞片后续等离子作用较强 定向聚能技术 12 102～103 金属管 炸药爆轰加载，弹丸质量与形状调整相对较难 从安全性和经济性角度考虑，目前适合在实验室开展超高速撞击实验的技术途径主要有基于小型脉冲功率装置的磁驱动飞片（大装置运行成本太高）、电炮驱动超高速飞片以及基于阻抗梯度飞片的三级炮技术。将上述技术应用于超高速撞击时，最重要的是要解决撞靶前飞片或弹丸状态的准确描述。具体来讲，在磁驱动金属飞片撞击实验中应实现撞靶时刻飞片质量和尺寸的定量描述，弄清楚焦耳热烧蚀对飞片状态的影响；在电炮驱动超高速飞片实验中，需发展新的技术措施，避免飞片后续高压高速等离子体对靶板的二次破坏；在基于阻抗梯度飞片的三级轻气炮实验技术中，需进一步发展弹丸脱靶技术，以获得干净的弹丸撞击防护结构。
-
图 1 磁驱动高速飞片发射示意图
Figure 1. Schematic diagram of a magnetically driven high-velocity flyer
图 3 CQ-4装置驱动飞片速度曲线
Figure 3. Velocity curves of metallic flyer driven by the CQ-4 device
图 4 CQ-4装置驱动薄铝飞片速度曲线
Figure 4. Ultra-high velocity curves of aluminum flyer driven by the CQ-4 device
图 8 LLNL实验室100 kV电炮驱动飞片速度曲线
Figure 8. Velocity profile of Mylar flyer driven by the 100-kV electrical gun in LLNL
图 9 14.4 kJ电炮装置在不同电压下放电电流曲线
Figure 9. Current profiles of a 14.4 kJ electrical gun at different voltages
图 10 14.4 kJ电炮装置在不同电压下的飞片速度曲线
Figure 10. Velocity profiles of a 14.4 kJ electrical gun at different voltages
图 13 98 kJ电炮驱动飞片速度曲线
Figure 13. Velocity of a Mylar flyer driven by a 98-kJ electrical gun
图 14 200 kJ电炮驱动飞片速度曲线
Figure 14. Velocity of a Mylar flyer driven by a 200-kJ electrical gun
图 15 基于阻抗梯度飞片的三级炮结构示意图
Figure 15. Schematic diagrams of three-stage light gas guns based on GDI
图 16 三级炮发射的LY-12铝合金飞片速度曲线（非汇聚型）
Figure 16. Velocity curves of an LY-12 Al flyer driven by a non-convergent configuration three-stage gas gun based on GDI
图 17 三级炮发射的TC4钛合金飞片速度曲线（汇聚型）
Figure 17. Velocity curves of TC4 titanium flyers driven by a convergent configuration three-stage gas gun based on GDI
图 18 单层铝板被速度9 km/s 的Mylar飞片正撞击后的破坏情况
Figure 18. Failure characteristics of a single aluminum plate impacted by a 9-km/s Mylar flyer
图 19
∅ 11 mm×0.25 mm 的Mylar飞片以9 km/s的速度撞击铝Whipple结构时后板的破坏情况Figure 19. Failure characteristics of an aluminum Whipple impacted by a
∅ 11 mm×0.25 mm Mylar flyer at 9 km/s
图 20 速度10.6 km/s的铝片撞击铝Whipple的破坏过程
Figure 20. Failure progress of an aluminum Whipple impacted by a 10.6-km/s aluminum flyer
表 1 超过7 km/s的超高速发射技术比较
Table 1. Comparison of ultrahigh-velocity launch technologies above 7 km/s
发射技术 最大速度/(km∙s−1) 弹丸质量/mg 弹丸形状 技术特点 传统三级炮 10 102～103 飞片/球 高速发射时炮管易损坏 GDI三级炮 15 102～103 飞片 高质量GDI飞片制备较难，汇聚型结构飞片姿态不易控制 磁驱动 45 101～102 金属飞片 飞片存在烧蚀，烧蚀厚度需实验定标 电炮 18 101～102 塑料飞片 飞片后续等离子作用较强 定向聚能技术 12 102～103 金属管 炸药爆轰加载，弹丸质量与形状调整相对较难 
下载: 导出CSV
-
[1] PIEKUTOWSKI A J, POORMON K L. Development of a three-stage, light-gas gun at the University of Dayton Research Institute [J]. International Journal of Impact Engineering, 2006, 33: 615–624. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2006.09.018. [2] PIEKUTOWSKI A J, POORMON K L. Impact of thin aluminum sheets with aluminum spheres up to 9 km/s [J]. International Journal of Impact Engineering, 2008, 35: 1716–1722. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2008.07.023. [3] 林俊德, 张向荣, 朱玉荣, 等. 超高速撞击实验的三级压缩气体炮技术 [J]. 爆炸与冲击, 2012, 32(5): 483–489. DOI: 10.11883/1001-1455(2012)05-0483-07.LIN J D, ZHANG X R, ZHU Y R, et al. The technique of three-stage compressed gas gun for hypervelocity impact [J]. Explosion and Shock Waves, 2012, 32(5): 483–489. DOI: 10.11883/1001-1455(2012)05-0483-07. [4] WALKER J D, GROSCH D J, MULLIN S A. A hypervelocity fragment launcher based on an inhibited shaped charge [J]. International Journal of Impact Engineering, 1993, 14: 763–774. DOI: 10.1016/0734-743X(93)90070-N. [5] 文尚刚, 孙承纬, 赵锋, 等. 多级爆轰驱动——研究超高速碰撞的一种新的加载技术 [J]. 高压物理学报, 2000, 14(1): 22–27. DOI: 10.11858/gywlxb.2000.01.004.WEN S G, SUN C W, ZHAO F, et al. Multi-stage detonation system—a new loading technology for studying hypervelocity impact [J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2000, 14(1): 22–27. DOI: 10.11858/gywlxb.2000.01.004. [6] 赵士操, 宋振飞, 姬广富, 等. 一种基于二级轻气炮平台的超高速弹丸发射装置设计 [J]. 高压物理学报, 2011, 25(6): 557–564. DOI: 10.11858/gywlxb.2011.06.012.ZHAO S C, SONG Z F, JI G F, et al. A novel design of a hypervelocity launcher based on two-stage gas gun facilities [J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2011, 25(6): 557–564. DOI: 10.11858/gywlxb.2011.06.012. [7] STEINBERG D, CHAU H, DITTBENNER G, et al. The electric gun: a new method for generating shock pressures in excess of 1 TPa: 17943 [R]. UCID, 1978. [8] OSHER J E, BARNES G, CHAU H H, et al. Operating characteristics and modeling of the LLNL 100-kV electric gun [J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 1989, 17(3): 392–402. DOI: 10.1109/27.32247. [9] CHHABILDAS L C, KMETYK L N, REINHART W D, et al. Enhanced hypervelocity launcher capabilities to 16 km/s [J]. International Journal of Impact Engineering, 1995, 17: 183–194. DOI: 10.1016/0734-743X(95)99845-I. [10] LEMKE R W, KNUDSON M D, DAVIS J D. Magnetically driven hyper-velocity launch capability at the Sandia Z accelerator [J]. International Journal of Impact Engineering, 2011, 38: 480–485. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2010.10.019. [11] 马文来, 庞宝君, 张伟, 等. 双层防护屏结构的正撞击研究 [J]. 中国空间科学技术, 2001, 2: 68–71. DOI: 10.3321/j.issn:1000-758X.2001.02.012.MA W L, PANG B J, ZHANG W, et al. Research of dual-sheet shield structure with the normal impact [J]. Chinese Space Science and Technology, 2001, 2: 68–71. DOI: 10.3321/j.issn:1000-758X.2001.02.012. [12] 管公顺, 庞宝君, 哈跃, 等. 铝双层板结构高速撞击防护性能实验 [J]. 哈尔滨工业大学学报, 2007, 39(3): 402–405. DOI: 10.3321/j.issn:0367-6234.2007.03.017.GUAN G S, PANG B J, HA Y, et al. Experimental investigation of resist capability about aluminum dual-wall structure by high-velocity impact [J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2007, 39(3): 402–405. DOI: 10.3321/j.issn:0367-6234.2007.03.017. [13] 柳森, 黄洁, 李毅, 等. 中国空气动力研究与发展中心的空间碎片超高速撞击试验研究进展 [J]. 载人航天, 2011, 6: 17–23. DOI: 10.3969/j.issn.1674-5825.2011.06.004.LIU S, HUANG J, LI Y, et al. Recent advancement of hypervelocity impact test at HAI, CARDC [J]. Manned Spaceflight, 2011, 6: 17–23. DOI: 10.3969/j.issn.1674-5825.2011.06.004. [14] ZHANG Q M, CHEN Y H, HUANG F L. Experimental study of hypervelocity impact on multi-shock structure [J]. Journal of Beijing Institute of Technology, 2004, 13(3): 274–279. DOI: 10.3969/j.issn.1004-0579.2004.03.009. [15] CHEN Y H, ZHANG Q M, HUANG F L. Experimental study and numerical simulation of hypervelocity projectile impact on double-wall structure [J]. Journal of Beijing Institute of Technology, 2004, 13(3): 280–284. DOI: 10.3969/j.issn.1004-0579.2004.03.010. [16] SONG Z F, MO J J, ZHAO J H, et al. Study on launching technique of a 98 kJ electric gun for hypervelocity impact experiments [J]. International Journal of Impact Engineering, 2018, 122: 419–430. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2018.04.012. [17] WEN X, HUANG J, MA Z X, et al. Shielding performance of debris shield with separated rear wall [J]. International Journal of Impact Engineering, 2020, 13: 103446. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2019.103446. [18] ZHANG X P, WANG G J, ZHAO J H, et al. High velocity flyer plates launched by magnetic pressure on pulsed power generator CQ-4 and applied in shock Hugoniot experiments [J]. Review of Scientific Instrument, 2014, 85(5): 055110. DOI: 10.1063/1.4875705. [19] WANG G J, SUN C W, TAN F L, et al. The compact capacitor bank CQ-1.5 employed in magnetically driven isentropic compression and high velocity flyer plate experiments [J]. Review of Scientific Instrument, 2008, 79(5): 053904. DOI: 10.1063/1.2920200. [20] WANG G J, LUO B Q, ZHANG X P, et al. A 4 MA, 500 ns pulsed power generator CQ-4 for characterization of material behaviors under ramp wave loading [J]. Review of Scientific Instrument, 2013, 84(1): 015117. DOI: 10.1063/1.4788935. [21] 张旭平, 赵剑衡, 谭福利, 等. 一种耦合电路分析的磁驱动飞片数值计算方法 [J]. 爆炸与冲击, 2014, 34(3): 257–263. DOI: 10.3969/j.issn.1001-1455.2014.03.001.ZHANG X P, ZHAO J H, TAN F L, et al. A method for magnetically driven flyer simulation coupled with electrical circuit of generator [J]. Explosion and Shock Waves, 2014, 34(3): 257–263. DOI: 10.3969/j.issn.1001-1455.2014.03.001. [22] 张旭平, 赵剑衡, 谭福利, 等. 磁驱动飞片的三维数值模拟及分析 [J]. 高压物理学报, 2014, 28(4): 483–488. DOI: 10.11858/gywlxb.2014.04.015.ZHANG X P, ZHAO J H, TAN F L, et al. Three-dimensional numerical simulation and analysis of magnetically driven flyer plates [J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2014, 28(4): 483–488. DOI: 10.11858/gywlxb.2014.04.015. [23] 王贵林, 张朝辉, 孙奇志, 等. 基于“聚龙一号”装置的磁驱动加载实验技术研究进展 [J]. 高能量密度物理, 2020(1): 14–26. [24] RICHARD C, WEINGART R C. Electric gun: applications and potential: UCRL252000802 [R]. 1980. [25] OSHER J, CHAU H H, GATHERS R, et al. Application of 100 kV electric gun for hypervelocity impact studies [J]. International Journal of Impact Engineering, 1987, 5: 501–507. DOI: 10.1016/0734-743X(87)90065-0. [26] LEE R S, OSHER J E, CHAU H H. 1 MJ electric gun facility at LLNL [J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1993, 29(1): 457–460. DOI: 10.1109/20.195618. [27] 赵剑衡, 孙承纬, 唐小松, 等. 高效能电炮实验装置的研制 [J]. 实验力学, 2006, 21(3): 369–375. DOI: 10.3969/j.issn.1001-4888.2006.03.018.ZHAO J H, SUN C W, TANG X S, et al. Development of electric gun with high performance [J]. Journal of Experimental Mechanics, 2006, 21(3): 369–375. DOI: 10.3969/j.issn.1001-4888.2006.03.018. [28] 王桂吉, 赵剑衡, 唐小松, 等. 电炮驱动Mylar 膜飞片完整性实验研究 [J]. 实验力学, 2006, 21(4): 454–458. DOI: 10.3969/j.issn.1001-4888.2006.04.007.WANG G J, ZHAO J H, TANG X S, et al. Experimental study on the integrality of Mylar flyer driven by electric gun [J]. Journal of Experimental Mechanics, 2006, 21(4): 454–458. DOI: 10.3969/j.issn.1001-4888.2006.04.007. [29] WANG G J, HE J, ZHAO J H, et al. The techniques of metallic foil electrically exploding driving hypervelocity flyer to more than 10 km/s for shock wave physics experiments [J]. Review of Scientific Instrument, 2011, 82(9): 095105. DOI: 10.1063/1.3633773. [30] LUO B Q, SUN C W, ZHAO J H, et al. Unified numerical simulation of metallic foil electrical explosion and its applications [J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2013, 41(1): 49–57. DOI: 10.1109/TPS.2012.2227827. [31] CHHABILDAS L C, BARKERL M, ASAY J R, et al. Sandia’s hypervelocity launcher—HVL: SAND91-0657 [R]. Sandia National Laboratories, 1991. [32] CHHABILDAS L C, HERTEL E S, HILL S A. Experimental and numerical simulations of orbital debris impact on a Whipple bumper shield: SAND-91-0889C [R]. Sandia National Laboratories, 1991. [33] 王青松, 王翔, 戴诚达, 等. 三级炮加载技术在超高压状态方程研究中的应用 [J]. 高压物理学报, 2010, 24(3): 187–191. DOI: 10.11858/gywlxb.2010.03.005.WANG Q S, WANG X, DAI C D, et al. Research on EOS at extremely high pressure using a three-stage gas gun hypervelocity launcher techniques [J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2010, 24(3): 187–191. DOI: 10.11858/gywlxb.2010.03.005. [34] 王青松, 王翔, 郝龙, 等. 三级炮超高速发射技术研究进展 [J]. 高压物理学报, 2014, 28(3): 339–345. DOI: 10.11858/gywlxb.2014.03.012.WANG Q S, WANG X, HAO L, et al. Progress on hypervelocity launcher techniques using a three-stage gun [J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2014, 28(3): 339–345. DOI: 10.11858/gywlxb.2014.03.012. [35] 柏劲松, 谭华, 李平, 等. 阻抗梯度飞片加载下的超高速发射二维数值模拟方法 [J]. 计算物理, 2004, 21(4): 305–310. DOI: 10.3969/j.issn.1001-246X.2004.04.004.BAI J S, TAN H, LI P, et al. Numerical simulation method for 2-D hypervelocity launcher under the graded density impactor drives [J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2004, 21(4): 305–310. DOI: 10.3969/j.issn.1001-246X.2004.04.004. [36] 沈强, 张联盟, 王传彬, 等. 梯度飞片材料的波阻抗分布设计与优化 [J]. 物理学报, 2003, 52(7): 1663–1667. DOI: 10.3321/j.issn:1000-3290.2003.07.020.SHEN Q, ZHANG L M, WANG C B, et al. Design and optimization of wave impedance distribution for flyer materials [J]. Acta Physica Sinica, 2003, 52(7): 1663–1667. DOI: 10.3321/j.issn:1000-3290.2003.07.020. [37] 王翔, 王青松, 彭建祥, 等. 三级炮超高速发射技术在空间碎片防护研究中的初步应用 [J]. 高能量密度物理, 2017(4): 115–122. 期刊类型引用(3)
1. 王刚华，谢龙，肖波，王强，唐久棚，欧海彬，阚明先，段书超. 电爆炸金属桥箔早期过程中电磁-热-力多物理场耦合建模与分析. 高压物理学报. 2024(01): 68-76 . 
百度学术2. 吴冀川，赵剑衡，黄元杰，张黎，张永强，谭福利. 基于脉冲激光的空间碎片移除技术：综述与展望. 强激光与粒子束. 2022(01): 85-99 . 百度学术3. 吕林杰，武腾飞，韩继博，赵力杰，马鹏谋，陈相淼. 时间拉伸光子多普勒测速技术研究. 红外与激光工程. 2022(09): 318-324 . 百度学术其他类型引用(5)
-
下载:
百度学术
计量
- 文章访问数: 757
- HTML全文浏览量: 300
- PDF下载量: 225
- 被引次数: 8