二级轻气炮超高速弹丸发射技术的研究

本文研究了提高二级轻气炮弹丸速度的发射技术途径。通过数值计算对各种装填参量的影响进行了详细讨论。认为减小弹丸质量、活塞质量以及注气压力,可使二级轻气炮在较少的装药量条件下提供较高的弹丸速度。目前已经做到在5 kg装药时,使30 g的弹丸达到7.2 km/s速度;60 g弹丸达到5.7 km/s速度;26 g弹丸达到7.4 km/s速度。装填3.5 kg药量时,使10.3 g弹丸达到了8.1 km/s速度。     

多级爆轰驱动研究超高速碰撞的一种新的加载技术

讨论了通过多级爆轰驱动方法获得超高速飞片的问题。理论分析、数值模拟和实验结果表明,由这种方法获得超高速飞片是可行的。这种多级爆轰驱动装置结构简单,操作方便,可作为研究超高速碰撞的一种新的加载手段。     

弹丸超高速撞击防护屏碎片云数值模拟

低地球轨道的各类航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击。这些撞击损伤航天器飞行的关键系统,进而导致航天器发生灾难性失效。为了保证航天员的安全及航天器的正常运行,微流星体及空间碎片防护结构设计是航天器设计的一个重要问题。采用AUTODYN软件进行了弹丸超高速正撞击及斜撞击防护屏所产生碎片云的SPH法数值模拟,给出了二维及三维模拟结果;研究了防护屏厚度、弹丸形状、撞击速度以及材料模型等对碎片云的影响。模拟结果同高质量实验研究的结果进行了比较,模拟的碎片云形状和碎片云特征点的速度同实验相吻合。验证了数值模拟方法的有效性。     

小型车载式二级轻气炮加载系统的爆轰实验研究

加载系统和相应的实验测试系统。利用该系统开展了球形和柱形弹丸撞击带盖RHT-901、JOB-9003、TA01等炸药的实验,结果表明：该实验加载系统具备机动灵活和应用范围较宽的特点,可实现以较大药量炸药实验件为目标的研究。     

反应气体驱动二级轻气炮技术的初步研究

二级轻气炮是一种常见的超高速发射装置,其发射速度的调节范围大,弹速重复性好,对场地条件的要求不高,在高压物理、空间碎片防护、材料力学性能及动态响应研究等方面有广泛的应用。但是传统的轻气炮采用火药作为驱动能源,存在火药分子质量大、声速低、产物有毒、运输和存储受限等缺点。为此,设计并发展了用气体反应释能代替火药作为驱动能源的反应气体驱动二级轻气炮技术,实测发射弹速达到5.6 km/s。该技术是一种廉价、无需火工品、环境友好型气炮驱动技术。

     

一种基于磁阻式线圈的模拟冰雹发射装置设计与仿真

基于光伏板模拟冰雹撞击试验的实际需求,开展了磁阻型线圈发射装置与脉冲功率源之间的匹配性研究。通过理论对续流前置型和续流后置型两种基本脉冲放电电路进行了适用性分析,结果表明,续流前置型脉冲放电电路与发射装置具有更优的匹配性。针对发射过程中剩余脉冲电流的反向制动问题,设计了一种可以快速消除剩余脉冲电流的泄能电路,用于改进续流前置型脉冲放电电路的拓扑结构,进一步提高其适用性,并借助仿真进行验证。结果表明,泄能电路能快速消除剩余脉冲电流的反向拉力影响,使抛体的发射性能显著提高,抛体出口速度相比传统放电电路提升50.8%,系统发射效率提高127.5%。该项研究可为磁阻式线圈发射技术应用在模拟撞击试验领域的研究提供参考。     

汇聚型超高速发射装置一级飞片的计算设计

在利用汇聚型超高速发射装置进行超高压条件下物质状态方程测量时,二级飞片需要具有平面性好、击靶速度高的特点。为此采用具有自主知识产权的多介质流体高精度欧拉并行计算程序HVL-MFPPM,对汇聚型超高速发射装置进行了数值模拟,优化设计了一级飞片93W层的结构。计算结果表明：当采用最优设计方案时(93W层的直径为20 mm,厚度为1.8 mm),一级飞片能够将克级的二级飞片加速到14 km/s以上;同时,这种设计可以提高速度增益和汇聚效果,并大幅度地改善二级飞片在发射管出口处的平面性。

     

汇聚型超高速发射装置的发射腔计算设计

使用多介质流体高精度计算程序(MFPPM, Multi-Fluid Piecewise Parabolic Method)对汇聚型超高速发射装置的发射腔进行了计算设计。根据发射腔角度的不同,提出了3种改进的发射腔结构,计算研究了发射腔角度和TPX厚度对二级飞片速度、速度差异和击靶位置平面性的影响。计算结果表明：在3种TPX厚度以及击靶位置下,使用第2种发射腔结构发射出的二级飞片的平面性最好、速度最高、汇聚效果最强,但平面性范围最小,且二级飞片自由面速度差异变大,其平面性难以得到维持。

     

气炮加载下炸药强爆轰驱动技术的初步实验研究

利用二级轻气炮进行了炸药强爆轰驱动超高速飞片技术的研究,采用多普勒探针系统（Doppler Pins System,简称DPS）对二级飞片的速度历史进行了测量。初步获得了在较高速度（大于5 km/s）一级飞片的作用下、二级飞片的速度增益情况,并基本掌握了强爆轰驱动技术与二级轻气炮发射技术有机结合的实验技术。初步实验结果表明,采用炸药强爆轰驱动技术可使二级飞片获得较高的速度增益。     

超高速撞击产生的等离子体特性研究

采用理论分析和数值模拟方法,对超高速撞击过程中产生的等离子体特性进行了研究。首先,结合热力学和统计物理理论,建立热电离物理模型,推导出热平衡等离子体电离度与温度的关系;进而由热平衡状态下的速度分布,获得等离子体电导率与温度的关系;最后,建立铝弹丸撞击靶板的三维有限元模型,模拟出弹丸以6.0 km/s的初速度、60入射角斜撞击平板的全过程,给出物理模型中所需的物理参数,分析了超高速撞击过程中产生的等离子体特性。通过对比物理实验中测得的等离子体参数,表明模型预测结果与实验结果具有较好的一致性,验证了该模型的有效性。     

一种超高速发射实验装置的改进及其数值模拟

以流体比容方法和三阶PPM方法为基础,给出了适用于三级气炮超高速发射过程数值模拟的多流计算方法和计算代码MFPPM。利用Sandia实验室一系列的实验装置及其结果对计算代码进行了验证和确认,获得了较好的数值模拟结果（其中最大相对误差为1.07%）,同时对冲击波物理与爆轰物理实验室设计的实验装置进行了数值模拟,计算结果与实验结果相差1.04%。为了更好地满足超高压下材料状态方程的测量,提出了一种带汇聚型的改进装置设计,并给出了相应的数值模拟结果。     

低真空条件下炸药强爆轰驱动超高速飞片实验研究

采用X光照相和电探针技术进行低真空条件下炸药强爆轰驱动超高速飞片实验研究,得到了在不同时刻超高速飞片撞击静止靶的图像。实验结果表明,在低真空条件下,通过多级爆轰驱动方法得到次级飞片速度较高,而且具有相当好的平面性。     

超高速发射中缓冲层材料对钽飞片速度影响的数值分析

在超高速发射技术研究中,缓冲层材料起着十分重要的作用。通过数值计算,分析了TPX缓冲层材料的厚度对高阻抗钽飞片超高速发射速度的影响,给出了最优的缓冲层材料厚度,对于0.3和0.5 mm厚的钽飞片,选取不同厚度的TPX缓冲层材料,钽飞片中心速度的相对误差达到5%～6%;为了比较不同缓冲层材料对钽飞片速度的影响,还给出了相同厚度的TPX和Lexan材料作缓冲层时,钽飞片的中心速度和压力历史的二维计算结果。     

超高速发射装置的数值模拟

应用二维Lagrangian有限元程序EPFT101对超高速发射装置作数值模拟设计。对速度超过10 km/s的发射飞片作了系统研究。为防止飞片的破碎和熔化,采用密度梯度结构装置冲击固定飞片,为使固定飞片达到最大的可能发射速度,采用了筒的延伸技术,并通过数值模拟,优化了超高速发射条件。计算结果表明,当密度梯度结构装置的初始冲击速度为5.8 km/s（或6.0 km/s）时,1.063 g钛合金飞片的速度可达到10 km/s以上。飞片的纵横比为0.3。     

三级炮超高速发射技术研究进展

在二级轻气炮上利用阻抗梯度飞片的准等熵压缩特性开展了超高速发射实验研究。通过非汇聚型超高速发射装置将25 mm直径的铝合金飞片加速至11 km/s以上,汇聚型超高速发射装置能够将10 mm直径的钛合金飞片加速至15 km/s以上,三级炮超高速发射技术为开展空间碎片防护研究提供了有力的技术支撑。

     

二级装药强爆轰驱动次级飞片的分析

对二级炸药/飞片爆轰系统产生高速度飞片的需求背景作了介绍。在平面一维假定下,应用气体动力学的一维推体公式和推广的Gurney公式对次级飞片的速度进行了计算。在初级炸药和末级飞片厚度一定的条件下,对二级炸药/飞片爆轰系统的几何参数选取进行了优化分析,给出了爆轰系统驱动飞片的算例,与数值模拟结果和实验测量结果进行了比较,证实了经验公式的合理性。并对如何提高两级飞片的速度及平面度问题进行了探讨。     

来流温度影响驻定爆轰波结构和性能的数值研究

采用数值模拟的方法研究了超音速来流撞击圆锥体诱导的驻定爆轰波的结构和性能,讨论了不同初始来流温度下,爆轰波结构和波后压力的变化。结果表明,随着来流初始温度的降低,爆轰波的增压比逐渐增加,有利于提高驻定爆轰发动机的推进性能。当初始温度较高时,爆轰波阵面呈现光滑平直的形态,而初始温度较低时,爆轰波呈现出明显的三波点结构,且温度越低,三波点数量越多排列越紧密,这些具有较高压力的三波点对爆轰波波后压力的变化起到了重要作用。