NASA二級(jí)輕氣炮設(shè)備簡(jiǎn)介

王東方，肖偉科，龐寶君

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150080）

0 引 言

自1957年10月4日前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星Sputnik－1以來，人類的航天活動(dòng)日益頻繁。50多年來，世界各國(guó)共進(jìn)行了近5000次的航天活動(dòng)，幾乎每次活動(dòng)都會(huì)或多或少的產(chǎn)生一定數(shù)量的空間碎片。NASA近期發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，目前近地軌道直徑小于1cm的空間碎片總數(shù)已過千萬(wàn)。

由于毫米級(jí)空間碎片尺寸小、數(shù)量多，難以逐個(gè)定軌，航天器無(wú)法實(shí)施機(jī)動(dòng)策略躲避其碰撞，只能采取被動(dòng)防護(hù)措施進(jìn)行防護(hù)。航天器采取防護(hù)措施是需要付出代價(jià)的，增加厚度和增設(shè)屏蔽都會(huì)增加航天器的質(zhì)量，提高建造和發(fā)射成本。航天器防護(hù)設(shè)計(jì)的任務(wù)是：在滿足航天任務(wù)可靠性需求的前提下，提出經(jīng)濟(jì)、安全的防護(hù)方案。防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是被動(dòng)防護(hù)任務(wù)的核心技術(shù)，是航天器空間碎片防護(hù)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)［1］。

航天器空間碎片防護(hù)設(shè)計(jì)主要流程為：通過一系列超高速撞擊地面模擬實(shí)驗(yàn)，收集分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立彈道極限方程；研發(fā)航天器風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件；以航天器撞擊參數(shù)為輸入，利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件，評(píng)估微流星體、空間碎片對(duì)航天器造成的風(fēng)險(xiǎn)，即計(jì)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(shí)驗(yàn)在空間碎片防護(hù)技術(shù)中占有重要位置，其主要研究?jī)?nèi)容有：

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

（2）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證航天器防護(hù)方案設(shè)計(jì)的有效性，以達(dá)到改進(jìn)防護(hù)方案、篩選高性能防護(hù)材料和防護(hù)結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

（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(yè)的發(fā)展，各航天大國(guó)先后展開超高速撞擊地面模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究，其中美國(guó)NASA的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰μ幱谑澜珙I(lǐng)先水平。美國(guó)進(jìn)行毫米級(jí)彈丸超高速撞擊的主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備為二級(jí)輕氣炮。本文對(duì)NASA及相關(guān)單位二級(jí)輕氣炮設(shè)備及其未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，對(duì)我國(guó)毫米級(jí)彈丸超高速撞擊實(shí)驗(yàn)水平進(jìn)行分析，并對(duì)未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行討論。

1 NASA二級(jí)輕氣炮發(fā)射裝置

美國(guó)NASA負(fù)責(zé)超高速撞擊地面模擬實(shí)驗(yàn)的單位主要有：HVIT（Hypervelocity Impact Technology）實(shí)驗(yàn)室、白沙實(shí)驗(yàn)場(chǎng)（White Sands Test Facility，WSTF）和Ames研究中心等。其中，HVIT負(fù)責(zé)分析空間碎片、微流星體對(duì)航天器的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而開發(fā)新的防護(hù)方案及航天器構(gòu)型設(shè)計(jì)，并研制先進(jìn)的防護(hù)結(jié)構(gòu)樣本。HVIT實(shí)驗(yàn)室也具有獨(dú)立進(jìn)行小規(guī)模超高速撞擊實(shí)驗(yàn)技術(shù)的能力。白沙實(shí)驗(yàn)場(chǎng)對(duì)防護(hù)樣本進(jìn)行彈道極限測(cè)試，并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其研究成果在國(guó)際空間站等航天器的防護(hù)措施設(shè)計(jì)及評(píng)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(zhì)與地球物理計(jì)劃、阿波羅登月計(jì)劃、雙子星探測(cè)器設(shè)計(jì)等方面做出突出貢獻(xiàn)。下面分別對(duì)這些實(shí)驗(yàn)室的二級(jí)輕氣炮發(fā)射裝置進(jìn)行介紹。

圖1為HVIT實(shí)驗(yàn)室給出的典型二級(jí)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(nèi)為尼龍活塞。當(dāng)火藥被點(diǎn)燃后，產(chǎn)生的氣體膨脹，推動(dòng)活塞向前運(yùn)動(dòng)，壓縮活塞前部泵管中的輕質(zhì)氣體，產(chǎn)生極高的氣壓。當(dāng)輕質(zhì)氣體氣壓達(dá)到一定程度后，沖破泵管與發(fā)射管之間的膜片，這時(shí)彈丸進(jìn)入發(fā)射管。發(fā)射管原本接近真空，彈丸在高壓氣體的推動(dòng)下進(jìn)一步加速，撞擊靶板［4］。

圖1 典型二級(jí)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(jí)輕氣炮在發(fā)射過程中要承受巨大壓力。研究表明，二級(jí)輕氣炮關(guān)鍵結(jié)構(gòu)最小屈服強(qiáng)度應(yīng)為965.52MPa，而JSC空間中心二級(jí)輕氣炮相應(yīng)結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度為1965.52MPa，為最小屈服強(qiáng)度的2倍［5］。

HVIT實(shí)驗(yàn)室可進(jìn)行較小規(guī)模的超高速撞擊地面模擬實(shí)驗(yàn)，其加速裝置可將毫米級(jí)彈丸加速至7.2km／s，如圖2所示。

圖2 HVIT實(shí)驗(yàn)室二級(jí)輕氣炮Fig.2 HVIT’s two stage light gas gun

白沙實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的RHTL（Remote Hypervelocity Test Laboratory）服務(wù)于NASA約翰遜空間中心。該實(shí)驗(yàn)室擁有4臺(tái)二級(jí)輕氣炮，每年進(jìn)行幾百次超高速撞擊實(shí)驗(yàn)，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(fù)雜形狀。由于地處偏遠(yuǎn)，該實(shí)驗(yàn)室可對(duì)有毒或易爆的材料（如電池、航空航天流體和高壓容器等）進(jìn)行超高速撞擊地面模擬實(shí)驗(yàn)，其密封靶艙可承受2.3kg TNT爆炸時(shí)釋放的能量［6］，圖3為白沙實(shí)驗(yàn)場(chǎng)25.4mm口徑輕氣炮。

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

由于大口徑二級(jí)輕氣炮打靶時(shí)能量較大，危險(xiǎn)性大，因此實(shí)驗(yàn)設(shè)備置于偏遠(yuǎn)位置，且遠(yuǎn)離地下燃料室，如圖4所示。

白沙實(shí)驗(yàn)場(chǎng)此類二級(jí)輕氣炮相關(guān)信息如下：

圖4 WSTF超高速撞擊實(shí)驗(yàn)室Fig.4 Hypervelocity Gun Lab at WSTF

（1）口徑：25.4mm；靶艙尺寸：直徑274.32cm，長(zhǎng)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(yàn)設(shè)備：X射線閃光設(shè)備（6個(gè)）、超高速數(shù)字成像設(shè)備；測(cè)速設(shè)備：激光時(shí)間間隔計(jì)（4組）、光電二級(jí)管閃爍測(cè)試器（3個(gè)）、超高速數(shù)字成像設(shè)備。

（2）口徑：12.7mm；靶艙尺寸：直徑152.4cm，長(zhǎng)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(yàn)設(shè)備：X射線閃光設(shè)備（3個(gè)）、超高速數(shù)字成像設(shè)備、Cordin超高速陰影攝像機(jī)；測(cè)速設(shè)備：激光時(shí)間間隔計(jì)、光電二級(jí)管閃爍測(cè)試器（3個(gè)）、超高速數(shù)字成像設(shè)備、Cordin攝像機(jī)。

（3）口徑：4.32mm；靶艙尺寸：直徑106.68cm，長(zhǎng)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(yàn)設(shè)備：超高速數(shù)字成像設(shè)備；測(cè)速設(shè)備：激光時(shí)間間隔計(jì)（3組）、光電二級(jí)管閃爍測(cè)試器（3個(gè)）、超高速數(shù)字成像設(shè)備。

白沙實(shí)驗(yàn)場(chǎng)另有口徑1.778和4.32mm的二級(jí)輕氣炮，因相對(duì)安全，可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)操作。

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

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

美國(guó)擁有二級(jí)輕氣炮設(shè)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(guó)立研究實(shí)驗(yàn)室等。其二級(jí)輕氣炮設(shè)備發(fā)射口徑、彈丸質(zhì)量、最高速度及設(shè)備所在單位如表2所示。這些設(shè)備開展的超高速撞擊實(shí)驗(yàn)為美國(guó)軍事及民用方面的發(fā)展做出了不可忽視的貢獻(xiàn)。

表2 美國(guó)其他單位二級(jí)輕氣炮設(shè)備［7］Table 2 Two stage light gas guns in other American agencies

2 NASA二級(jí)輕氣炮測(cè)速方法

在超高速撞擊實(shí)驗(yàn)中，為分析靶板材料防護(hù)能力，需要測(cè)量彈丸撞擊靶板速度［8］。NASA毫米級(jí)彈丸測(cè)速裝置有：激光測(cè)速裝置、X射線測(cè)速設(shè)備和超高速攝像設(shè)備等。

2.1 激光測(cè)速方法

即激光時(shí)間間隔計(jì)。在發(fā)射管處設(shè)置兩處激光光幕（見圖5）。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量彈丸通過兩個(gè)激光幕的時(shí)間間隔Δt，已知兩激光幕間距離為d，則可計(jì)算出彈丸速度v＝d／Δt。這種測(cè)速方法對(duì)氫氣驅(qū)動(dòng)的二級(jí)輕氣炮不適用，因?yàn)橛蓮椡栝g隙飛到彈丸前端的氫氣持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間發(fā)光，光電管受到發(fā)光氫氣的照射，難以產(chǎn)生截止信號(hào)［9］。

圖5 激光測(cè)速裝置Fig.5 Laser diagnostic Tools

2.2 X射線測(cè)速方法

當(dāng)彈丸進(jìn)入第一個(gè)X光射線成相區(qū)時(shí)，X光管閃光，計(jì)時(shí)器記錄彈丸投影到底片上時(shí)的閃光時(shí)間。當(dāng)彈丸到達(dá)第二個(gè)成相區(qū)時(shí)，計(jì)時(shí)器再次記錄閃光時(shí)間。通過時(shí)間間隔，結(jié)合底片上記錄的彈丸飛行距離，即可計(jì)算出彈丸飛行速度。

2.3 超高速攝像機(jī)測(cè)速方法

在撞擊處附近設(shè)置超高速攝像機(jī)。通過測(cè)量相鄰兩幀相片之間彈丸位移，結(jié)合相機(jī)拍攝速度，可求得彈丸飛行速度。關(guān)于超高速攝像機(jī)下文有詳細(xì)介紹。

2.4 其它常用測(cè)速方法

除以上介紹方法外，美國(guó)及其它國(guó)家超高速撞擊地面實(shí)驗(yàn)設(shè)備中常采用的測(cè)速方法還有電探針法和磁感應(yīng)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(shí)，會(huì)有信號(hào)輸出。通過時(shí)間間隔Δt即可計(jì)算出彈丸速度。該方法在一級(jí)輕氣炮上有較好的應(yīng)用，采用特制探針也可應(yīng)用于二級(jí)輕氣炮。

磁感應(yīng)法［10］：在彈丸飛行路徑上設(shè)置磁環(huán)，磁環(huán)平面垂直于彈丸飛行方向。導(dǎo)體（彈丸）飛行時(shí)，穿過導(dǎo)體的磁通量發(fā)生變化，內(nèi)部激發(fā)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(chǎng)的疊加性，由感生電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)改變?cè)械拇艌?chǎng)強(qiáng)度，使磁環(huán)中磁通量發(fā)生變化。該變化發(fā)生的時(shí)刻即為導(dǎo)體通過磁環(huán)的時(shí)刻。通過在彈丸飛行路徑上設(shè)置多個(gè)磁環(huán)，記錄各感應(yīng)信號(hào)，可計(jì)算出彈丸的飛行時(shí)間。該測(cè)量方法要求彈丸必須為導(dǎo)體材料，否則無(wú)法測(cè)速。這種測(cè)量方法適用于小口徑二級(jí)輕氣炮，此時(shí)磁環(huán)在發(fā)射過程中不易損壞，可多次重復(fù)使用。

對(duì)于大口徑輕氣炮，常常采用磁飛行體方法進(jìn)行測(cè)速，即在彈丸內(nèi)安裝小磁體，同時(shí)利用普通線圈代替磁環(huán)。當(dāng)彈丸通過線圈時(shí)，同樣會(huì)在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電信號(hào)。這種方法節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，但這樣便破壞了彈丸的整體性。

3 NASA二級(jí)輕氣炮碎片云記錄

3.1 X光閃光照相

超高速撞擊實(shí)驗(yàn)中，有時(shí)會(huì)發(fā)生彈丸在發(fā)射過程中破裂的現(xiàn)象。X光閃光照相用于檢驗(yàn)彈丸的完整性，同時(shí)用于記錄碎片云的演化過程。圖6為HVIT實(shí)驗(yàn)室二級(jí)輕氣炮上安裝的X光閃光相機(jī)。該二級(jí)輕氣炮安裝了3個(gè)X射線發(fā)射裝置，一個(gè)工作電壓為100kV，與彈丸飛行方向垂直，用于測(cè)量彈丸撞擊前是否完整；另外2個(gè)工作電壓為300kV發(fā)射裝置探入撞擊腔內(nèi)，用于記錄撞擊過程［11］。

圖6 X光閃光相機(jī)Fig.6 Flash X－Rays

圖7為白沙實(shí)驗(yàn)場(chǎng)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(jī)拍攝圖像Fig.7 A laser－illuminated shadowgraph sequence

3.2 超高速攝像機(jī)

超高速攝相機(jī)成像速度可達(dá)數(shù)百萬(wàn)幀／s。由于膠卷數(shù)量或存儲(chǔ)空間的限制，超高速攝像機(jī)往往只能連續(xù)拍照幾十張。但超高速撞擊過程往往發(fā)生在幾毫秒內(nèi)，因此這樣的拍攝時(shí)間是足夠的。白沙實(shí)驗(yàn)場(chǎng)超高速攝像機(jī)共有3種：Cinema相機(jī)，拍攝速度可達(dá)一萬(wàn)幀／s；紅外相機(jī)，拍攝速度可達(dá)二百萬(wàn)幀／s；數(shù)字相機(jī)，拍攝速度可達(dá)2億幀／s。

基于以上實(shí)驗(yàn)設(shè)備，NASA JSC空間中心進(jìn)行了大量的超高速撞擊地面模擬實(shí)驗(yàn)，在美國(guó)ISS、航天飛機(jī)、EMU（Extravehicular Mobility Unit）和長(zhǎng)期在軌暴露設(shè)備（Long Duration Exposure Facility）等的防護(hù)方案設(shè)計(jì)中起到了重要作用。

NASA目前正在對(duì)載人飛船登陸火星的可行性進(jìn)行評(píng)估，此項(xiàng)任務(wù)中需要對(duì)速度未知的微流星體對(duì)航天器構(gòu)成的威脅進(jìn)行分析。據(jù)估計(jì)太陽(yáng)系中微流星體速度可達(dá)70km／s，而來自宇宙深空的微流星體速度可達(dá)240km／s。其研究人員希望能對(duì)這樣的超高速撞擊情況進(jìn)行分析。因此在未來的研究中，NASA將繼續(xù)發(fā)展超高速撞擊地面模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，從而為其航天任?wù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

4 我國(guó)毫米級(jí)彈丸超高速撞擊實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展

隨著我國(guó)航天事業(yè)的飛速發(fā)展，航天器安全防護(hù)工作的重要性日益凸現(xiàn)［13］。航天器防護(hù)層設(shè)計(jì)及防護(hù)能力的評(píng)估需要依靠深入的超高速撞擊現(xiàn)象基礎(chǔ)研究提供支持，提高超高速撞擊實(shí)驗(yàn)水平成為不可回避的問題。

輕氣炮是目前國(guó)內(nèi)外最為常用的超高速發(fā)射設(shè)備。與其他發(fā)射技術(shù)相比，該技術(shù)對(duì)所發(fā)射的彈丸質(zhì)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(yīng)力下獲得較高的速度。因此，二級(jí)輕氣炮成為非常有效和實(shí)用的超高速實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

近年來，我國(guó)超高速撞擊地面模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Σ粩嗉訌?qiáng)，中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心、北京中科院力學(xué)所、中國(guó)工程物理研究院、四川大學(xué)、西北核技術(shù)研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)以及中國(guó)空間技術(shù)研究院等多家單位陸續(xù)擁有二級(jí)輕氣炮等超高速撞擊地面模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備。我國(guó)二級(jí)輕氣炮發(fā)射口徑大多在7.6～50mm之間，發(fā)射速度一般在8km／s以下［14］。然而目前我國(guó)超高速撞擊實(shí)驗(yàn)設(shè)備與國(guó)外有較大差距，尚需進(jìn)一步完善。超高速撞擊實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ写岣摺?/p>

根據(jù)當(dāng)前的工程需求，cm／mm尺寸空間碎片的航天器防護(hù)工作是今后空間碎片防護(hù)技術(shù)的中心任務(wù)［15］。近年來，我國(guó)毫米級(jí)彈丸發(fā)射技術(shù)和測(cè)速技術(shù)穩(wěn)步提升，測(cè)速手段也取得了較大進(jìn)步。在未來發(fā)展中，我國(guó)應(yīng)對(duì)現(xiàn)有的二級(jí)輕氣炮進(jìn)行改進(jìn)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)提高輕氣炮的發(fā)射性能，旨在將其穩(wěn)定發(fā)射速度提高至8.5km／s；開展大尺寸、速度10km／s以上彈丸發(fā)射技術(shù)研究；研制三級(jí)炮加載技術(shù)。配合超高速發(fā)射，同步發(fā)展診斷測(cè)試技術(shù)。研究對(duì)超高速?gòu)椡栊螤?、姿態(tài)和速度等的測(cè)量技術(shù)［16］。

5 結(jié) 論

隨著人類航天活動(dòng)日益頻繁，空間碎片總數(shù)持續(xù)增長(zhǎng)，航天器防護(hù)方案設(shè)計(jì)受到進(jìn)一步重視。其中，二級(jí)輕氣炮實(shí)驗(yàn)技術(shù)的研究對(duì)提高地面超高速撞擊實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ兄匾饔?。作為?guó)際航天事業(yè)前沿單位，NASA的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰μ幱谠擃I(lǐng)域領(lǐng)先地位。對(duì)NASA二級(jí)輕氣炮設(shè)備進(jìn)行調(diào)研分析，可為我國(guó)相關(guān)單位的發(fā)展提供重要參考價(jià)值。

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［6］http：／／www.nasa.gov／centers／wstf／home／index.htlm［OL］

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