近20年来, 中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室主持了三级炮超高速发射技术的研究工作, 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室作为合作单位参与了加载飞片的材料制备, 在理论设计、材料制备、实验测量方面取得了重大进展.

这项名为《气炮发射获得超高速碰撞器的数值模拟研究进展》研究论文发表于《中国科学: 物理学力学天文学》2014年第5期, 系统阐述了近年来的实验研究成果和数值模拟进展, 由中国工程物理研究院流体物理研究所柏劲松研究员撰写.

地球轨道上的空间碎片数目众多, 特别是尺寸在1厘米以下和无法跟踪并提前预警实现机动规避的小空间碎片, 其数目十分巨大, 对航天器的安全运行构成了非常严重的威胁, 因而有必要开展地面模拟实验和数值模拟研究, 分析空间碎片与航天器撞击所涉及的物理过程和特点, 有针对性地加强或改进航天器防护结构, 从而降低空间碎片的危害.

该研究在发射装置结构优化、加载飞片物理设计、材料制备和工艺、试验测试技术等方面均取得了较大进步, 且成功获得材料超高压加载精密物态方程实验数据, 既促进了理论和实验科学技术的进步, 又推进了材料科学和制备工艺技术的发展！

一、研制了具有自主知识产权的流体动力学计算程序MFPPM和LSFC, 开展超高速发射装置结构优化和加载飞片物理设计. MFPPM基于三阶精度的PPM方法, 适用于多维多介质流体动力学计算, 其精度已在圣地亚超高速发射实验模型上得到较好的验证, 目前已广泛应用于超高速发射装置结构优化和飞片物理设计中. LSFC程序弥补了MFPPM未考虑材料强度的缺点, 它采用Level Set方法来描述物质界面, 虽然在流场计算上只有一阶精度, 但是模块化的程序具有网格自适应和并行计算功能, 能够适用于多种形式的多相物态方程, 容易处理含不同本构模型和强度模型的流体动力学数值计算, 可广泛用于爆炸与冲击动力学领域的爆轰驱动与加载效应和侵彻等瞬态动力学过程数值模拟, 适合于开展极高速撞击过程的空间碎片与结构防护数值模拟研究.

二、发展了DISAR/DPS精密测试与诊断技术, 实现了对冲击波速度和粒子速度的同时测量, 为绝对法精确测量材料超高压物态方程数据奠定基础. 在前期研究中, 课题组利用掌握的阻抗梯度飞片准等熵加载技术, 研究了多种金属材料在超高加载压力下的冲击绝热线参数, 为相关武器物理研究提供了宝贵的高质量实验数据, 而连续不断的成功应用也使三级炮加载技术进一步成熟. 近两年来,相继在实验室里将LY12铝飞片驱动加速到11.0 km/s, 将高密度Ta和Pt飞片分别驱动加速到约10.0 km/s和9.0 km/s. 2014年3月课题组在实验中使用三级炮发射Ta二级飞片撞击Pt样品, 二级飞片姿态良好, 速度达到10.4 km/s, Pt样品中加载压力达到1060 GPa, 这是继2013年12月获得一发千万大气压实验（1018 GPa）以来又一次成功的三级炮超高压加载实验, 获得了Pt样品精密的物态方程数据. 千万大气压两发连续成功的三级炮加载实验是一个历史性的突破, 是国内外首次在实验室条件下利用气炮加载技术得到TPa量级的冲击加载压力.

图1  实验测量和数值计算的二级飞片速度历史, Ta二级飞片厚度0.5 mm, 弹丸速度7.587 km/s.

Figure 1  Comparison of the flier velocity between experiment and numerical results. The thickness of titanium flier is 0.5mm, and the impact velocity is 7.587km/s.

来源论文:

柏劲松, 王翔, 华劲松, 等. 气炮发射获得超高速碰撞器的数值模拟研究进展. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2014, 44(5): 547-556.

BAI J S, WANG X, HUA J S, et al. The gas gun launch advances in numerical simulation of hypervelocity impact (in Chinese). SCIENTIA SINICA Physica, Mechanica & Astronomica, 2014, 44(5): 547-556.