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4.3 二级轻气炮发射性能主要影响因素分析 20
4.4 本章小结 31
结 论 32
致 谢 33
参 考 文 献 34
-1-
1 引言
1.1 研究的目的和意义
轻气炮是一种利用低分子量气体膨胀做功的方法推动弹丸,使之获得极高速
度的发射系统。它是一种特别的高速发射和高压加载的工具，它能发射各种形状、
各种质量的弹丸，并且对于弹丸的质量、尺寸和材料要求不高，因此它的应用领
域非常广泛。它最显著的优点是：弹丸在受到较低的加速度和较小应力的情况下
能获得很高速度。
普通火炮由于火药气体分子量较大，因此弹丸的最大速度受到了限制，为了
获得更高的弹丸速度，选择分子量小、声速高、 值小的气体作为工作介质。在
这种思想的影响下，美国国家实验室（NRL）研制了一级轻气炮。但是， 一级轻
气炮在发射过程中，随着弹后空间的增加，弹丸底部气室平均压力逐渐减小，弹
丸底部的气体压力逐渐下降，使弹丸初速不能有更大的突破。如果能够探索到一
种驱动气体的工作模式，既可以提高弹底压力又可以使弹丸底部平均工作压力保
持较长的作用时间，将可以大幅度的提高弹速。因此，在一级轻气炮的基础之上，
为了改善弹底工作气体压力与时间的关系，提出了二级轻气炮的结构方案[1]
。这种高温低分子量气体的发射系统，在碰撞问题的研究上取得了一定的成果。轻气
炮技术的应用范围越来越广泛，最常见的研究内容有[2]
： （1）研究高速和超高速碰撞的终点效应，如陨石碰撞；导弹、宇宙飞船以
及人 造卫星可能经受陨石和空间碎石群撞击的情况等等；
（2）研究冲击波的产生和衰减规律，以及由冲击波引起的材料的动态力学
性能，包括材料在冲击波作用下的动态屈服强度、层裂强度、相变；高温高压下
材料的剪切模量、体积模量等等；
（3）研究材料的高压物态方程和低压本构关系，包括利用轻气炮测量材料
的冲 击绝热曲线和等熵压缩线等等；
（4）研究材料在冲击压缩下的光谱，以及气体在高温高压下的辐射输运系
数等等；
（5）研究材料在高温高压下的电磁性能，如电导率的变化规律等等；
（6）研究透明或非透明材料在高温高压下的熔化特征，冲击波温度的测量
等等； （7）研究炸药的冲击引爆规律以及炸药的分解反应等等；
（8）研究地球深部的物理现象；
（9）研究弹丸气动力弹道学和终点弹道学，也用于特种材料在高温碰撞条
件下的力学性能的研究。
但是，在特定结构参数的二级轻气炮上进行的实验研究，是目前主要的研究
手段，因此参数的变化范围受到一定的限制。利用计算机仿真手段对二级轻气炮
的内弹道过程进行模拟，分析不同装填条件对发射性能的影响，这对二级轻气炮
的设计和性能优化具有重要意义。
1.2 轻气炮研究概况
1.2.1 轻气炮国外研究状况
1946年，美国成功研制了第一门利用轻质气体作为驱动气体的一级气体炮。
1948 年，美国新墨西哥州矿业学校第一次成功地完成了二级轻气炮的发射，将
一个轻质球加速到 4.3 [1,2]
。上世纪 60 年代以来，二级轻气炮主要用来解决
载入弹头中的气动设计问题。1989 年西方国家正式提出国家级的超高速气动物
理设备建设的方案，即AHAF（Advanced Hypervelocity Facility）计划[4]
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