航天新型发射装置实战化应用探究

何正钦

贵州航天天马机电科技有限公司 563000

摘要：本研究阐述了新型超高速发射装置，即长征三号乙运载火箭，其通过采用具有密度梯度变化的冲击器，能够将元件无损伤快速提高至高速运行状态，该方法目前可将厚度为一毫米的发射元件发射速度达到10.4千米每秒，同时可将厚度为0.5毫米的元件发射至12.2千米每秒的速度。通过动力学研究发现，这种新型超高速发射装置可扩展于其他火箭发射装置中，且该方法具有广泛应用价值。

关键词：航天；发射装置；实战化；应用

引言

早期航天器中安装缓冲屏蔽板，即whapple，将其作为防护壁同时利用电热炮能够检测防护壁性能。该发射器能够从一定程度上模拟空间微流星的环境，同时使50~75微米大小的硼硅酸盐颗粒运行速度达到15~18千米每秒，同时可用于不同防护壁性能的评估。当前研究学者逐渐认识，针对空间构造产生危险因素的不仅是自然界微流星，同时火箭发射器元件也会从一定程度上影响空间结构，该空间元件环境即轨道元件，具体特征为：克量级大小，金属片，粒子直径为毫米级或厘米级，平均碰撞速度可达到8~15千米每秒，由于空间中含有较多的元件，且尺寸大，数量逐渐增加，因此对于空间发射产生的危险逐渐扩大，进而提出可满足目前空间碰撞研究的质量速度发射器，其发射器速度高于7~15千米每秒。本研究阐述了超高速发射器，即HVL，该发射器能够将厚度为一毫米元件无损伤发射速度提高至10.4千米每秒，同时将厚度为0.5毫米的元件无损伤的发射速度达到12.2千米每秒。

1实验方法

在本研究中主要阐述了提升二级轻气炮发射能力的相关实验，如下图所示为该实验的碰撞结构示意图。

其中由枕形面的二级轻气炮弹丸能够碰撞在炮管口端部的薄飞片中，将其延长二级轻气炮炮管，进而会导致元件受到侧向限制，以减少二维效应的影响。如下表所示为超高速实验碰撞时的具体条件设置。

在本次实验中采用飞片是由防护环中心板构成的，采用铝合金和钛合金作为元件材料，其型号为6061-T6以及Ti-6Al-4V，防护环外径和内径，中心杆直径分别为28.6毫米，19毫米，19毫米，由板边缘可发出径向释放波，即形成二维效应，会从一定程度上使沿板径向速度呈现梯度分布，这种情况下较大速度梯度会导致板弯曲甚至出现板破碎问题。根据上图防护环的结构会使中心板从边缘受控位置分离，导致对整个板产生破碎。为能够使无破碎板直径达到最高值，要求飞片需要被限制在钨靶的固定装置上面。在本研究中应用发射器Lexan，该发射器背面含有铜枕型密度梯度变化材料，该材料能够使厚度方向冲击阻抗，其呈现平滑变换，但这种类型的密度梯度变化碰撞器，其碰撞表面冲击阻抗为塑性，背面冲击阻抗类似弹，一旦密度梯度变化材料碰撞速度为6.4米每秒，向钛合金飞片碰撞时，首先会存在初始冲击力为50GPa，之后将会有高于100GPa的斜面波冲击力被传递至飞片中，在处于较高碰撞速度条件下输入压力的坡面，其会形成较大压力，脉冲峰值进而使发射飞片形成较快的运行速度。根据以上表可以发现，本研究所采用的枕型面以及背面生物铜或钽材料。其直径为27毫米，通过高速碰撞之后，在飞片周围三百五十毫米范围内，可利用x射线闪光装置件检测，通过加速之后的飞片运行速度，同时对其飞片完整性进行检测，共使用x射线闪光装置七个，在铝泡管延伸段中飞片运行可通过四个x射线闪光装置检测，在碰撞几位秒后，其中首个能量大小为600keV，脉冲周期持续三纳秒，在处于这种脉冲周期下，能够将该速度运动进行冻结，当飞片离开炮口之后，需使用三个X射线闪光装置，设置碰撞位置为80毫米，170毫米和350毫米，其X射线远能量大小为300~450ke V，脉冲周期持续为25纳秒。针对超高速现象的研究我们可以发现，25纳秒脉冲周期对于处于飞行状态中的飞片，在周围250微米的范围内会出现模糊图像，而在较大飞行距离中进行废片运行途径拍摄，其能够获得相对准确的速度，并且可以确定飞片的运动速度精度为1%以下。

2研究结果

根据现有研究发现，铝合金和钛合金具有较高的抗碎性能，因此在本研究中可将两种材料作为飞片研究材料，分别开展以下实验。第1个实验中，要求密度梯度变化材料碰撞材料为6.4千米每秒，其可碰撞于减震器钛合金元件中，在本实验中使用缓冲器，其厚度为1.5毫米，使用钛合金飞片其材料型号为Ti-6Al-4V，碰撞速度为9.5千米每秒飞出。在第2个实验中，以相同速度碰撞设置为6.4千米每秒，同时采用铝元件6061-T1使飞片的推进速度可达到10.4千米每秒。在第3个实验中要求密度梯度变化材料的碰撞速度设置为7.4千米每秒，将其碰撞于减震器或钛合金飞片中，在该实验中使用TPS缓冲器，其厚度为1.21毫米，采用Ti-6Al-4V钛合金飞片，其厚度为0.43毫米，要求飞片飞出速度为11.9千米每秒。在第4个实验中以相同碰撞速度7.4千米每秒飞出，同时采用6061-T6铝元件，其厚度为0.42毫米，此时飞片的推进速度可达到12.2千米每秒。

根据上表可以发现，碰撞速度并不是最终的测量值是结合轻气泡的运行性能进行估算的，其估算准确度达2%。除此之外，在本实验中使用垫片缓冲器能够实现发射减震，同时采用垫片缓冲器也能够从一定程度上降低飞片形成的应力状态。通过采用塑形物包扎品清，将其作为密度梯度变化碰撞期的首层，或在元件中使用，能够进一步提升飞片的碰撞速度，通过计算研究发现，高压压缩以及试压结果及材料均表现为高储能特点。在试能过程中，密度梯度变化材料具有较快的膨胀速度，同时在飞片中可获得足够大小推力，可提升飞片的速度，如果进一步提高飞片碰撞速度，实际达到8千米每秒，此时采用液晶减冲垫，其厚度为10毫米，即可提高与飞片的碰撞速度达14千米每秒，因此将氢减冲垫与具有较高碰撞速度的材料进行有机组合，能够获得更快的飞片碰撞速度方法。

小结

总而言之，在本研究中针对具备密度梯度变化材料的二级轻气泡，提出可使无冲击与时间相关高压脉冲作用在飞片和碰撞界面中，其脉冲能够使飞片无冲击，直接加速至超高速，且在加速时不会形成较多热量，进而使黑片出现蒸发和融化。而压力脉冲会被剪裁，防止出现废片剥落和破碎的问题。当飞片碰撞速度达到6.4千米每秒时，能够使钛、铝合金厚度为一毫米的材料形成碰撞速度10千米每秒，为能够进一步提高飞片的碰撞速度，要求使密度梯度变化碰撞器的运行速度提高至7.4千米每秒。在处于该速度条件下，能够使铝、钛合金厚度为0.4毫米的材料，分别发射速度达12.2每秒和11.9千米每秒。最新研究表明，新型超高速发射装置，其质量速度能力能够从一定程度上满足现有的人造轨道元件环境相关参数，因此可将其用于空间元件碰撞空间结构以及元件防护层的重要评价工具，通过动力学研究发现，采用该技术可拓展于其他的高密度发射材料中。

参考文献

[1] 林兆团. 一种航空航天发射装置:, CN208653310U[P]. 2019.

[2] 王凤国, 陈小雷, 许宝立,等. 一种稳压电源远端供电电压补偿方法设计[J]. 电子器件, 2019, v.42(04):21-25.

[3] 李飞、黄超、崔琳琳. 美国"航天发射系统"能力布局研究与启示[J]. 中国航天, 2020, No.510(10):37-41.

姓名：何正钦

性别：男

出生年月：1995年2月

籍贯：贵州遵义

职称：助理工程师

学历：本科

研究方向：发射装置结构设计