1 引 言

轻气炮和火炮加载系统具有压力调节范围大、实验精度高以及对场地条件要求不高等优点，广泛应用于材料高压物性和动态响应研究。就动态发射技术而言，如何提高发射系统的发射效率，获得更高的温度、压力状态，以达到更高的发射速度，始终是其核心问题。然而，目前的火炮、二级轻气炮系统均采用固体发射药作为驱动能源，火药燃气的平均相对分子质量大、声速低，发射能力很难提高，因此发展新型高效驱动技术对于科学研究及工程应用具有重要意义。此外，采用固体发射药的气炮系统在运行过程中需要使用硝化棉、火帽、黑火药等火工品，产生大量有毒有害气体，造成环境污染。另一方面，随着公共安全要求的提高及国内外日益严峻的反恐形势，火工品的使用、运输和储存受到越来越严格的限制，致使许多研究机构的火炮、二级轻气炮系统运行受到极大限制，不仅相关研究工作无法正常开展，还造成了设备资源的极大浪费，因此迫切需要发展一种无需火工品、环境友好型气炮驱动技术。

20世纪90年代初，美国GT公司和通用动力公司率先开展了气体反应释能发射技术研究，研制了?16 mm燃烧反应轻气炮(Combustion Light Gas Gun，CLGG)，采用氢-氧-氦混合气体作为驱动气体，使弹丸的初速度达到4.2 km/s。2002年，美国海军资助UTRON公司发展了?45 mm和?155 mm燃烧炮，他们采用单级火炮结构，利用氢气-氧气、甲烷-氧气体系作为反应气体直接推动弹丸发射，并在?45 mm系统上获得了2.8 km/s的发射速度。通过对反应气体组分、点火方式、反应室的压力及温度剖面、弹丸受力状态等进行大量的实验和数值模拟研究，给出了部分系统的优化设计原则，但是关键技术参数未见公开报道。实验结果表明，反应气体驱动相比于固体发射药具有更高的效率和良好的发射重复性，在精确控制反应气体初始组分的条件下，相同质量弹丸速度的相对标准偏差小于0.07%。

国内有关反应气体炮的研究起步较晚，相关工作仍比较薄弱，主要集中在气体反应特性及内弹道数值模拟方面。例如，张相炎等[1-3]开展了反应气体组分和初始状态对燃烧特性影响的模拟研究，结果表明：提高初始混合气体总质量或增大初始压力可以提高燃烧室最大压力和弹丸初速度，但是对于燃烧室温度的影响不大；提高稀释气体含量可以降低燃烧室温度，提高弹丸速度。邓飞等[4]通过建立燃烧轻气炮内弹道双区域准维燃烧模型，模拟得到燃烧室温度和弹丸速度曲线，认为氢氧燃烧驱动方式优于现有的固体发射药驱动。

上述工作主要针对反应气体直接驱动弹丸的一级火炮加载系统，而基于二级轻气炮系统的反应气体驱动技术，目前仍未见公开报道。为此，我们开展了反应气体驱动二级轻气炮发射技术实验研究。

2 技术原理

反应气体驱动技术是利用相对分子质量低的可燃混合气体反应释能推进弹丸，使弹丸获得较高的速度[5]。它通常使用两种或多种气体(如氢气、甲烷和氧气等)反应释放能量，代替传统的固体发射药作为驱动能源。

弹丸或活塞在炮管中的加速过程遵循牛顿第二定律

式中：mp、ap、Fp分别为弹丸的质量、加速度和压力。

在理想身管及真空条件下，可近似认为推进气体在给定初始气压p0和声速c0下等熵膨胀。弹丸所受压力等于弹底气压pb与弹底面积Ab的乘积，则(1)式可改写为

式中：up为弹丸速度，ue为推进气体的最大速度，γ为推进气体的比热比。

从(1)式～(4)式可以看出，从燃烧室传递到弹底的压强主要由推进气体的声速c0和比热比γ决定。若推进气体具有较高的声速和较低的比热比，则可获得较高的弹丸速度。

图1 不同推进剂下弹底与反应室的压强比(pb/pchamber)与弹丸速度(up)的关系曲线Fig.1 Curves of ratio of projectile base pressure tochamber pressure (pb/pchamber) (up) with different propellants

此外，在推动弹丸运动的过程中，系统的部分能量作用在气体本身，使气体达到高速状态，并且推进气体的平均相对分子质量(Mr)越低，这部分能量消耗得越少。系统压力与气体流动速度的关系为

式中：ρ为推进气体的密度，p为波阵面上的压强。

综合(1)式～(5)式，选择平均相对分子质量小(密度低)、声速高的推进气体有利于提高弹速，因此相对于固体发射药燃气，氢气-氧气、甲烷-氧气等混合气体反应产生的高温高压气体的平均相对分子质量较低而声速较高，在超高速发射技术中具有优势。据公开文献[6]报导，这种发射技术所能提供的炮口动能比先进的固体发射药火炮高出至少30%，如图1所示，且其产物为完全无毒害的水和二氧化碳，因此反应气体驱动是一种环境友好、高效的驱动技术，其成本也远低于固体发射药驱动。