7 km/s 以上超高速發(fā)射技術(shù)研究進(jìn)展*

羅斌強(qiáng)，張旭平，郝 龍，莫建軍，王桂吉，宋振飛，譚福利，王 翔，趙劍衡

（1. 中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所 四川 綿陽(yáng) 621999；2. 中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所 四川 綿陽(yáng) 621999）

在近地空間環(huán)境中，存在大量的天然微隕石以及人類探索宇宙和太空留下的數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的人造空間碎片。這些碎片的平均速度超過(guò)7.5 km/s，如果發(fā)生對(duì)撞，其碰撞速度可高達(dá)15 km/s，空間碎片的存在對(duì)在軌航天器和人類的航天活動(dòng)構(gòu)成了巨大威脅。為提高在軌航天器的空間生存率，確保具有高風(fēng)險(xiǎn)、高投入等特點(diǎn)的航天活動(dòng)順利進(jìn)行，通過(guò)開(kāi)展地面超高速撞擊實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證航天器防護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性成為必然的選擇?；鹋?、一級(jí)輕氣炮和二級(jí)輕氣炮等加載手段可以較容易地實(shí)現(xiàn)毫克至百克彈丸幾百米/秒至幾公里/秒的發(fā)射速度，但7 km/s 以上彈丸的穩(wěn)定發(fā)射卻面臨較大的技術(shù)困難，主要原因是速度超過(guò)7 km/s 時(shí)炮管容易造成嚴(yán)重?zé)g。

為了實(shí)現(xiàn)毫克至克量級(jí)彈丸以7 km/s 以上超高速發(fā)射，研究人員發(fā)展了多種驅(qū)動(dòng)技術(shù)，如三級(jí)輕氣炮技術(shù)、定向聚能加速技術(shù)以及多級(jí)爆轟驅(qū)動(dòng)技術(shù)等。Piekutowski 等[1-2]在二級(jí)炮發(fā)射管末端附加一段高壓段和發(fā)射管,將原二級(jí)炮發(fā)射管作為二級(jí)泵管,從而組成傳統(tǒng)意義上的三級(jí)輕氣炮，成功實(shí)現(xiàn)了將直徑2.38 mm 的鋁球以9.1 km/s 的速度發(fā)射；林俊德等[3]采用類似的三級(jí)炮結(jié)構(gòu)，將直徑10 mm 的飛片以8 km/s 的速度成功發(fā)射；Walker 等[4]受聚能射流啟發(fā)，發(fā)展了基于錐形裝藥的定向聚能加速技術(shù)（inhibited shaped charge launcher），將0.5～1.0 g 鋁彈丸的發(fā)射速度提升至11.2 km/s。文尚剛等[5]、趙士操等[6]等分別提出了針對(duì)超高速撞擊的多級(jí)爆轟驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可使克量級(jí)飛片和球形彈丸的驅(qū)動(dòng)速度達(dá)到10 km/s。此外，針對(duì)武器物理研究中超高壓加載需求，美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）[7-8]發(fā)展了金屬箔電爆炸驅(qū)動(dòng)超高速飛片技術(shù)，用100 kV 的電炮裝置驅(qū)動(dòng)將9.5 mm×9.5 mm×0.3 mm 的Kapton飛片驅(qū)動(dòng)至18 km/s；美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(SNL)發(fā)展了基于阻抗梯度飛片的三級(jí)輕氣炮加載技術(shù)和基于電磁驅(qū)動(dòng)的超高速飛片發(fā)射技術(shù)，其三級(jí)炮裝置將 ?6mm×0.56 mm 的鈦飛片的發(fā)射速度提升至15.6 km/s[9]，ZR 機(jī)器驅(qū)動(dòng)初始尺寸為25 mm×13 mm×1.0 mm 的鋁飛片，在幾毫米的距離上將速度提升至45 km/s[10]。

國(guó)內(nèi)對(duì)航天器的防護(hù)研究起步相對(duì)較晚，主要發(fā)展了一級(jí)輕氣炮、二級(jí)輕氣炮和電炮技術(shù)，開(kāi)展了柱形、球形彈丸以及飛片彈丸撞擊單層鋁板和Whipple 防護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞特性研究[11-16]?？諝鈩?dòng)力研究與發(fā)展中心超高速空氣動(dòng)力研究所通過(guò)優(yōu)化裝填參數(shù)，利用二級(jí)輕氣炮將球形彈丸以8 km/s 的速度進(jìn)行了穩(wěn)定發(fā)射[17]?？傮w而言，目前開(kāi)展的超高速撞擊實(shí)驗(yàn)尚無(wú)法滿足防護(hù)結(jié)構(gòu)在7 km/s 以上的高速?gòu)椡枳矒粝碌脑O(shè)計(jì)驗(yàn)證和考核需求；而且需要發(fā)展具備異形彈丸超高速發(fā)射能力的新型驅(qū)動(dòng)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間碎片形狀多樣性的真實(shí)情況模擬。

本文中將介紹7 km/s 以上超高速發(fā)射技術(shù)的研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹國(guó)內(nèi)在磁驅(qū)動(dòng)超高速飛片發(fā)射、金屬箔電爆炸驅(qū)動(dòng)超高速飛片以及三級(jí)炮驅(qū)動(dòng)超高速飛片方面的研究進(jìn)展，展示相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于航天器防護(hù)結(jié)構(gòu)超高速撞擊特性研究的部分成果。這些超高速發(fā)射技術(shù)的進(jìn)步，將對(duì)航天器防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化提供重要的參考。

1 磁驅(qū)動(dòng)飛片發(fā)射技術(shù)

磁驅(qū)動(dòng)高速度飛片發(fā)射的原理如圖1 所示。脈沖大電流流經(jīng)由兩個(gè)臨近的導(dǎo)電平板構(gòu)成的回路時(shí)，將在兩個(gè)電極板之間的間隙中感生脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)。受趨膚效應(yīng)影響，電流集中在電極板內(nèi)表面流過(guò)，帶電極板在感生強(qiáng)磁場(chǎng)中承受的洛倫茲力集中在載流面附近，近似為面積力，即磁壓力。磁壓力波在電極板內(nèi)傳播至鏜孔自由面反射并使其加速形成高速飛片。當(dāng)磁壓力幅值達(dá)到數(shù)百吉帕甚至太帕?xí)r，可將宏觀金屬飛片發(fā)射至數(shù)十千米/秒的超高速度。圖2 給出了美國(guó)圣地亞實(shí)驗(yàn)室ZR 裝置驅(qū)動(dòng)超高速金屬飛片的典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果，磁驅(qū)動(dòng)加載技術(shù)可將初始尺寸為25 mm×13 mm×1.0 mm 的鋁飛片在數(shù)百納秒內(nèi)和幾毫米的距離上加速至45 km/s[10]。

圖1 磁驅(qū)動(dòng)高速飛片發(fā)射示意圖Fig. 1 Schematic diagram of a magnetically driven high-velocity flyer

圖2 ZR 裝置驅(qū)動(dòng)超高速鋁飛片速度曲線[10]Fig. 2 Velocity profiles of aluminum flyers driven by the ZR machine[10]

磁驅(qū)動(dòng)超高速飛片的發(fā)射能力（通過(guò)飛片質(zhì)量和速度體現(xiàn)）主要依賴于負(fù)載電極上的加載磁壓力，而磁壓力又正比于流經(jīng)金屬飛片的線電流密度（電流幅值與電極寬度之比）的平方。對(duì)線電流密度較小的情形，磁驅(qū)動(dòng)飛片主要是磁壓力波的作用；對(duì)線電流密度較大的情形，磁驅(qū)動(dòng)飛片是磁壓力波和燒蝕等離子體反推的共同作用。磁驅(qū)動(dòng)飛片的長(zhǎng)度可在十幾毫米至幾十毫米范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)，但飛片寬度可調(diào)節(jié)范圍相對(duì)較小，一般在幾毫米至十幾毫米，過(guò)大的飛片寬度將導(dǎo)致流經(jīng)飛片的線電流密度減小。磁驅(qū)動(dòng)飛片的厚度選取一般要求磁壓力波能在飛片厚度方向多次反射來(lái)加速飛片并避免飛片層裂破壞，因此飛片厚度一般在1 mm 左右。用于磁驅(qū)動(dòng)加載實(shí)驗(yàn)的負(fù)載電流一般在數(shù)兆安培至幾十兆安培范圍內(nèi)，電流脈沖上升前沿為數(shù)百納秒。負(fù)載電流的大小取決于脈沖功率裝置的輸出能力，一般情況下，裝置規(guī)模越大驅(qū)動(dòng)能力越強(qiáng)，但相應(yīng)的工程造價(jià)以及系統(tǒng)復(fù)雜性越高。美國(guó)圣地亞的ZR 裝置直徑約60 m，造價(jià)上億美元，驅(qū)動(dòng)高速飛片負(fù)載時(shí)電流上升前沿約400 ns，幅值16 MA。

針對(duì)磁驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)等熵壓縮下材料的高壓物性研究需求，國(guó)內(nèi)先后建立了放電電流峰值1.5、4.0、7.0 MA 的磁驅(qū)動(dòng)加載裝置CQ-1.5、CQ-4 和CQ-7，并開(kāi)展了磁驅(qū)動(dòng)超高速飛片發(fā)射實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究[18-22]。針對(duì)聚變能源研究建立的聚龍一號(hào)裝置，對(duì)其負(fù)載區(qū)進(jìn)行改造后也可以開(kāi)展磁驅(qū)動(dòng)高速飛片研究[23]。CQ-4 裝置磁驅(qū)動(dòng)高飛片速度曲線如圖3～4 所示。對(duì)較厚的飛片，磁壓力光滑加速后期，飛片基本保持恒定的速度；對(duì)較薄的飛片，磁壓力加速后期，燒蝕等離子體反噴對(duì)飛片加速明顯。CQ-4 裝置可將初始尺寸為10 mm×6 mm×0.33 mm 的鋁飛片驅(qū)動(dòng)至18 km/s 的超高速度，加載能力更強(qiáng)的CQ-7 裝置有望將大尺寸飛片驅(qū)動(dòng)至超過(guò)20 km/s 的速度。圖5～6為CQ-4 裝置的照片和磁驅(qū)動(dòng)銅飛片的實(shí)驗(yàn)電極照片。

圖3 CQ-4 裝置驅(qū)動(dòng)飛片速度曲線Fig. 3 Velocity curves of metallic flyer driven by the CQ-4

圖4 CQ-4 裝置驅(qū)動(dòng)薄鋁飛片速度曲線Fig. 4 Ultra-high velocity curves of aluminum flyer driven by the CQ-4 device

圖5 CQ-4 裝置照片F(xiàn)ig. 5 A photo of the CQ-4 device

圖6 磁驅(qū)動(dòng)飛片實(shí)驗(yàn)電極照片F(xiàn)ig. 6 Photo of flyer accelerating electrode on the CQ-4 device

2 電炮驅(qū)動(dòng)高速飛片發(fā)射技術(shù)

電炮的工作原理如圖7(a)所示,其電路結(jié)構(gòu)是一個(gè)典型的RLC 回路：當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通后，儲(chǔ)存在電容器里的能量瞬間釋放，回路產(chǎn)生脈沖大電流。當(dāng)大電流流經(jīng)橋箔區(qū)（見(jiàn)圖7(b)）時(shí)，橋區(qū)金屬箔由于焦耳熱的迅速沉積導(dǎo)致其狀態(tài)在極短的時(shí)間內(nèi)由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，橋區(qū)電阻急劇增大并導(dǎo)致橋區(qū)兩端產(chǎn)生高電壓，高電壓擊穿金屬蒸汽后形成高溫高壓等離子體，推動(dòng)覆蓋其上的塑料薄膜（如Mylar 膜）沿加速腔鏜孔切割飛出。1970～1990 年間，美國(guó)利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)對(duì)電炮進(jìn)行了深入研究，將飛片直徑從數(shù)毫米發(fā)展到百毫米，并成功將9.5 mm×9.5 mm×0.3 mm 的Kapton 膜（約43 mg）以18 km/s 的超高速發(fā)射(見(jiàn)圖8)，撞擊壓力接近太帕量級(jí)[7-8,24-26]。

圖7 電炮加載原理圖Fig. 7 Schematic diagram of an electrical gun

電炮驅(qū)動(dòng)飛片的過(guò)程一般在數(shù)百納秒至1 μs，此時(shí)絕緣砧板和加速腔在電爆炸應(yīng)力波作用下尚未發(fā)生破壞，爆炸金屬箔產(chǎn)生的高溫高壓（（1～3）×104K，1～10 GPa,）氣體被約束在加速腔的中心空腔并沿厚度方向膨脹，因此電炮對(duì)塑料飛片的驅(qū)動(dòng)過(guò)程類似高壓氣體膨脹驅(qū)動(dòng)固體活塞的過(guò)程，飛片所能獲得的最大速度不超過(guò)爆炸產(chǎn)物自由膨脹速度。對(duì)金屬箔電爆炸而言，由電能轉(zhuǎn)換的焦耳熱沉積速率越快，電爆炸時(shí)刻金屬箔的比內(nèi)能就越大，相應(yīng)的爆炸產(chǎn)物壓力和溫度越高，氣體膨脹驅(qū)動(dòng)飛片的速度也就越高。壓縮電炮裝置放電電流上升前沿、提升流過(guò)金屬箔的電流面密度（電流與金屬箔橫截面之比）是此類實(shí)驗(yàn)必須控制的因素，一般要求脈沖大電流上升前沿不超過(guò)1 μs，流經(jīng)金屬箔的電流面密度大于1012A/m2。當(dāng)脈沖電流足夠大時(shí)，爆炸等離子體將在后續(xù)電流和感生磁場(chǎng)作用下受電磁力二次加速，使得飛片被二次加速，這一點(diǎn)在圖8 中飛片加速后期有明顯的體現(xiàn)。

圖8 LLNL 實(shí)驗(yàn)室100 kV 電炮驅(qū)動(dòng)飛片速度曲線Fig. 8 Velocity profile of Mylar flyer driven by the 100-kV electrical gun in LLNL

國(guó)內(nèi)先后建立了14.4 kJ 電炮裝置（電流約400 kA）、98 kJ 電炮裝置（電流約1 MA）和200 kJ 電炮裝置（電流約3 MA），開(kāi)展了金屬箔電爆炸驅(qū)動(dòng)超高速飛片實(shí)驗(yàn)研究[16,27-29]，并發(fā)展了一套完善的金屬箔電爆炸計(jì)算程序[30]。圖9～10 中給出了14.4 kJ 電炮裝置在不同充電電壓下的放電電流曲線和驅(qū)動(dòng)飛片速度曲線，圖中還給出了電爆炸程序的計(jì)算結(jié)果。14.4 kJ 電炮裝置可將 ?10 mm×0.15 mm 的Mylar 飛片（16 mg）驅(qū)動(dòng)至速度超過(guò)8 km/s，其對(duì)飛片的加速歷程是典型的氣體膨脹驅(qū)動(dòng)。圖11～12 是98 kJ 和200 kJ 電炮裝置照片，圖13～14 分別是98 kJ 電炮驅(qū)動(dòng) ?10 mm×0.2 mm 的Mylar 飛片（22 mg）和200 kJ 的電炮驅(qū)動(dòng) ?2 1 mm×0.5 mm 的Mylar 飛片（242 mg）的速度曲線，飛片的終態(tài)速度達(dá)到10 km/s。98 kJ 和200 kJ 電炮裝置驅(qū)動(dòng)飛片后期的速度走勢(shì)和14.4 kJ 電炮實(shí)驗(yàn)有明顯的差異，飛片的二次加速是脈沖大電流作用下的電磁力造成的。采用磁流體計(jì)算程序?qū)虿瓍^(qū)參數(shù)優(yōu)化后，200 kJ 電炮裝置有望將飛片驅(qū)動(dòng)至速度超過(guò)14 km/s。

圖9 14.4 kJ 電炮裝置在不同電壓下放電電流曲線Fig. 9 Current profiles of a 14.4 kJ electrical gun at different voltages

圖10 14.4 kJ 電炮裝置在不同電壓下的飛片速度曲線Fig. 10 Velocity profiles of a 14.4 kJ electrical gun at different voltages

圖11 98 kJ 電炮裝置Fig. 11 A photo of the 98-kJ electrical gun in IFP

圖12 200 kJ 電炮裝置Fig. 12 A photo of the 200-kJ electrical gun in IFP

圖13 98 kJ 電炮驅(qū)動(dòng)飛片速度曲線Fig. 13 Velocity of a Mylar flyer driven by a 98-kJ electrical gun

圖14 200 kJ 電炮驅(qū)動(dòng)飛片速度曲線Fig. 14 Velocity of a Mylar flyer driven by a 200-kJ electrical gun

3 三級(jí)炮驅(qū)動(dòng)超高速飛片技術(shù)

氣炮發(fā)射彈丸的基本原理是高壓氣體膨脹驅(qū)動(dòng)彈丸高速飛行，因此彈丸的最大速度不超過(guò)高壓氣體自由膨脹速度。理想情況下高壓氣體最大膨脹速度umax=2c0/(γ-1)，其中c0為高壓氣體初始聲速，其值與氣體壓力和密度相關(guān)，γ 為氣體材料常數(shù)。要獲得更高的彈丸速度，就要選用密度小、氣體常數(shù)小的驅(qū)動(dòng)氣體并盡量提高驅(qū)動(dòng)壓力。傳統(tǒng)的三級(jí)輕氣炮是在二級(jí)炮發(fā)射管末端附加一段高壓段和發(fā)射管，將原二級(jí)炮發(fā)射管作為二級(jí)泵管，通過(guò)二級(jí)活塞對(duì)工質(zhì)氣體（如氫氣）進(jìn)行進(jìn)一步壓縮來(lái)獲得更高的彈丸驅(qū)動(dòng)氣壓。受炮管材料強(qiáng)度限制，傳統(tǒng)三級(jí)炮驅(qū)動(dòng)彈丸的速度一般在8～10 km/s 范圍內(nèi)，而且高壓運(yùn)行時(shí)三級(jí)炮管容易出現(xiàn)嚴(yán)重的燒蝕和塑性變形。

針對(duì)材料超高壓狀態(tài)方程研究需求，Chhabildas 等[31]發(fā)展了基于阻抗梯度飛片(graded density impactor，GDI)的三級(jí)輕氣炮技術(shù)，將阻抗梯度飛片作為一級(jí)飛片，由二級(jí)輕氣炮發(fā)射至較高的速度，然后利用GDI 撞擊二級(jí)飛片并對(duì)其加速。阻抗梯度飛片是一種波阻抗沿其厚度方向按一定規(guī)律連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)變化的多層組合飛片，在撞擊二級(jí)飛片時(shí)可產(chǎn)生準(zhǔn)等熵加載波，使得更多加載能量轉(zhuǎn)化為二級(jí)飛片的動(dòng)能，并降低二級(jí)飛片的溫升?；贕DI 技術(shù)的三級(jí)炮結(jié)構(gòu)有匯聚型和非匯聚型兩種（見(jiàn)圖15）：非匯聚型加速裝置中，二級(jí)飛片直徑與一級(jí)梯度飛片直徑基本一致，在梯度飛片對(duì)二級(jí)飛片的加速過(guò)程中，不存在明顯的能量向二級(jí)飛片中心區(qū)域匯聚的現(xiàn)象，二級(jí)飛片姿態(tài)保持較好；匯聚型加速裝置中，二級(jí)飛片直徑小于一級(jí)阻抗梯度飛片直徑，在阻抗梯度飛片對(duì)二級(jí)飛片的加速過(guò)程中，存在明顯的能量向二級(jí)飛片中心區(qū)域匯聚的現(xiàn)象。匯聚型結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更高的速度，但二級(jí)飛片的飛行姿態(tài)不易控制，二級(jí)飛片在加速過(guò)程中初始狀態(tài)可能會(huì)發(fā)生較大變化，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重變形乃至碎裂。圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)近10 年的系統(tǒng)研究，解決了高質(zhì)量阻抗梯度飛片的制備工藝問(wèn)題，開(kāi)展了大量的計(jì)算模擬和實(shí)驗(yàn)研究，利用這種超高速發(fā)射技術(shù)成功地將Al、TC4 等宏觀飛片發(fā)射至15 km/s 以上的超高速度[9,31-32]。

圖15 基于阻抗梯度飛片的三級(jí)炮結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 15 Schematic diagrams of three-stage light gas guns based on GDI

國(guó)內(nèi)自2003 年開(kāi)始開(kāi)展基于GDI 技術(shù)的三級(jí)輕氣炮研究，掌握了阻抗梯度飛片的設(shè)計(jì)、制備以及三級(jí)炮驅(qū)動(dòng)超高速飛片實(shí)驗(yàn)技術(shù)，成功將宏觀Al、TC4 飛片發(fā)射至10～15 km/s 的超高速度，而且將克級(jí)鉭飛片驅(qū)動(dòng)到接近10 km/s 的速度[33-37]。圖16 和圖17 分別為非匯聚型三級(jí)炮驅(qū)動(dòng)鋁合金飛片和匯聚型三級(jí)炮驅(qū)動(dòng)鈦合金飛片實(shí)驗(yàn)的速度曲線。從圖中可以看出，非匯聚型結(jié)構(gòu)的速度增益穩(wěn)定在1.6 左右，飛片最大速度接近12 km/s，匯聚型結(jié)構(gòu)的速度增益可超過(guò)2.3，飛片最大速度超過(guò)15 km/s。

圖16 三級(jí)炮發(fā)射的LY-12 鋁合金飛片速度曲線（非匯聚型）Fig. 16 Velocity curves of an LY-12 Al flyer driven by a nonconvergent configuration three-stage gas gun based on GDI

圖17 三級(jí)炮發(fā)射的TC4 鈦合金飛片速度曲線（匯聚型）Fig. 17 Velocity curves of TC4 titanium flyers driven by a convergent configuration three-stage gas gun based on GDI

4 應(yīng)用情況

在超過(guò)7 km/s 的高速撞擊過(guò)程中，由于彈丸和靶板材料狀態(tài)的變化（沖擊熔化、沖擊氣化），防護(hù)結(jié)構(gòu)的彈道極限特性與中低速的彈道極限存在顯著的差異，因此開(kāi)展速度7 km/s 以上撞擊下防護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞特性研究十分重要。圖18 是速度9 km/s 的Mylar 飛片撞擊厚度5 mm 的單層鋁板的破壞情況。當(dāng)飛片速度足夠高時(shí)， ? 6 mm×0.15 mm（6 mg）的塑料飛片直接擊穿了5 mm 厚的防護(hù)鋁板。圖19 是速度9 km/s的Mylar 飛片撞擊Whipple 鋁板的破壞情況。 ? 11 mm×0.25 mm 的Mylar 飛片（33 mg）造成了Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)的失效。圖20 中給出了三級(jí)炮驅(qū)動(dòng)?25 mm×1.0 mm 的鋁飛片以10.6 km/s 的速度撞擊鋁Whipple 結(jié)構(gòu)時(shí)的高速攝影結(jié)果。盡管在測(cè)試光路中增添了多個(gè)窄帶寬濾光片來(lái)抑制撞擊強(qiáng)發(fā)光對(duì)測(cè)試的影響，但在10.6 km/s 的速度撞擊下，鋁板沖擊氣化過(guò)程的強(qiáng)發(fā)光超出了預(yù)料。從不同時(shí)刻碎片云前端位置判斷其移動(dòng)速度為13 km/s，超過(guò)了飛片撞擊速度。從Whipple 后板的破壞來(lái)看，?25mm 的鋁片以10.6 km/s 的速度撞擊Whipple 前板產(chǎn)生的碎片云，有超過(guò)10 mm 寬度的高動(dòng)能區(qū)域并造成了后板的破壞。

圖18 單層鋁板被速度9 km/s 的Mylar 飛片正撞擊后的破壞情況Fig. 18 Failure characteristics of a single aluminum plate impacted by a 9-km/s Mylar flyer

圖19 ? 11 mm×0.25 mm 的Mylar 飛片以9 km/s 的速度撞擊鋁Whipple 結(jié)構(gòu)時(shí)后板的破壞情況Fig. 19 Failure characteristics of an aluminum Whipple impacted by a ? 11 mm×0.25 mm Mylar flyer at 9 km/s

圖20 速度10.6 km/s 的鋁片撞擊鋁Whipple 的破壞過(guò)程Fig. 20 Failure progress of an aluminum Whipple impacted by a 10.6-km/s aluminum flyer

5 展 望

目前已發(fā)展了多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)毫克至克量級(jí)彈丸超過(guò)7 km/s 的超高速發(fā)射，表1 中給出了不同驅(qū)動(dòng)技術(shù)的加載能力和技術(shù)特點(diǎn)之間的比較，但利用這些技術(shù)開(kāi)展航天器防護(hù)結(jié)構(gòu)的超高速撞擊特性研究仍面臨著現(xiàn)實(shí)的困難。

表1 超過(guò)7 km/s 的超高速發(fā)射技術(shù)比較Table 1 Comparison of ultrahigh-velocity launch technologies above 7 km/s

從安全性和經(jīng)濟(jì)性角度考慮，目前適合在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展超高速撞擊實(shí)驗(yàn)的技術(shù)途徑主要有基于小型脈沖功率裝置的磁驅(qū)動(dòng)飛片（大裝置運(yùn)行成本太高）、電炮驅(qū)動(dòng)超高速飛片以及基于阻抗梯度飛片的三級(jí)炮技術(shù)。將上述技術(shù)應(yīng)用于超高速撞擊時(shí)，最重要的是要解決撞靶前飛片或彈丸狀態(tài)的準(zhǔn)確描述。具體來(lái)講，在磁驅(qū)動(dòng)金屬飛片撞擊實(shí)驗(yàn)中應(yīng)實(shí)現(xiàn)撞靶時(shí)刻飛片質(zhì)量和尺寸的定量描述，弄清楚焦耳熱燒蝕對(duì)飛片狀態(tài)的影響；在電炮驅(qū)動(dòng)超高速飛片實(shí)驗(yàn)中，需發(fā)展新的技術(shù)措施，避免飛片后續(xù)高壓高速等離子體對(duì)靶板的二次破壞；在基于阻抗梯度飛片的三級(jí)輕氣炮實(shí)驗(yàn)技術(shù)中，需進(jìn)一步發(fā)展彈丸脫靶技術(shù)，以獲得干凈的彈丸撞擊防護(hù)結(jié)構(gòu)。