第二節 輕氣體炮及其彈藥

輕氣體炮是一種利用高溫下低分子量氣體工質膨脹做功的方式來推動彈丸，使之獲得極高速度的發射系統。它最突出的優點是，彈丸在分子量較低的高壓氣體直接推動下獲得高速度。自20世紀60年代起，重要的航天、軍械、核武器及對動高壓和強動載感興趣的研究單位都相繼建立了各種口徑和不同彈速范圍的輕氣體炮。

一、定義及類型

用低分子量的氣體（如H₂、He）直接加速彈丸以獲得超高速發射的化學能發射器。由于輕氣體分子量較小，因此可盡可能接近理想氣體，盡可能滿足理想氣體狀態方程，盡可能減小傳統發射藥火炮在彈丸高速階段后膛壓力與彈底壓力的差異。

輕氣體炮的類型包括經典二級輕氣體炮、波炮、熱發射器、美國液氫液氧輕氣體炮、俄羅斯放電輕氣體炮。二級輕氣體炮已能將較小的彈丸加速到11km/s；熱發射器能將小彈丸加速到3km/s。

二、工作原理

對一般火炮而言，由于火藥氣體分子量較大，彈丸能獲得的最大速度受到了限制。為了獲得更高的彈丸速度，選擇低分子量、高聲速、γ 值小的氣體作為工作介質，在這種指導思想下，出現了一級輕氣體炮。但是隨著彈后空間的增加，彈丸底部壓力逐漸減少，因此作用在彈丸底部的氣體壓力也逐漸下降。如果能夠探索到一種驅動氣體的工作模式，那么既可以提高彈底壓力，又可以使彈丸底部平均工作壓力保持較長作用時間，將可以大幅度地提高彈速。于是，在一級輕氣體炮的基礎之上，改善彈底工作氣體壓力與時間的關系，就研制成功了二級輕氣體炮。二級輕氣體炮的腔體分為兩級：第一級裝化學推進劑（如發射藥）；第二級裝低分子量的氣體（如氫氣或氦氣等）；兩級中間用硬活塞隔離，如圖4-2所示。

對于圖4-2所示的經典二級輕氣體炮，其工作過程為：首先點燃發射藥2，壓力超過預定壓力時沖破隔板3，推動活塞5運動，并壓縮有一定預壓強的密閉輕氣體6；當輕氣體6壓力超過預定值時，沖破隔膜8；隨后輕氣體6連同隔膜8，經消湍流的噴管9，沖進身管11內，加速彈丸10；彈丸10在輕氣體6的直接推動下沿身管11加速運動至超高速。

由圖4-2可知，活塞5在緩沖限制部件4和7的限制下僅能做短距離運動。這部分輕氣體室的直徑較身管11直徑大許多，輕氣體室長度比身管長度小許多倍。當然，活塞5運動的末速度比彈丸10的炮口速度小許多倍。

三、波炮

波炮是在經典二級炮的基礎上改進而來的一種輕氣體炮。其發射彈丸的基本原理是：利用發射藥燃燒，推動活塞壓縮氦氣。激波加熱氦氣，并推動彈丸到超高速。由于輕氣體的分子運動速度可比發射藥燃氣速度快得多，因此炮口速度可達到3～8km/s。波炮結構可分為整裝式和分裝式兩種，如圖4-3所示。

以整裝式波炮為例，詳細介紹它的原理和結構特點。如圖4-3（b）所示，整裝式的波炮有一個特殊藥筒，中間用活塞隔開，分為前后兩個腔。后腔裝第一級推進劑稱為第一燃燒室，前腔裝第二級推進劑（氦氣）稱為第二燃燒室。活塞除具有壓縮第二級推進劑作用外，還有密封氣體的功能。整裝式結構的波炮裝填很方便，因此射速可以大大地提高。波炮身管是用炮鋼制成的，活塞式用聚乙烯塑料制成的。在第一燃燒室內，裝有固體黑火藥作為推進劑。黑火藥可以與小球型的聚苯乙烯混合，以改變裝填密度。在第二燃燒室內，裝有氦氣。因氦氣是低分子量的輕氣體，屬于惰性氣體，所以使用比較安全，一般氦氣的裝填壓力控制在2×10⁵～2×10⁷Pa。彈丸用一個限制釋放構件把它連接并卡住，其目的是使釋放機構在達到一定預定壓力時，才釋放彈丸。這時，彈丸才可以運動。限制釋放構件可以制成圓形的“剪切凸緣”，固定在管內的圓周上，在預定壓力下（大約為5×10⁴～3×10⁸Pa），將“剪切凸緣”外圓周剪切開釋放彈丸。也可以采取同軸過盈配合的釋放構件，使其在發射過程中某預定時刻釋放彈丸。活塞尾部螺紋與特殊藥筒內壁螺紋相連接，當發射藥產生的壓力達到射擊開始壓力（約100MPa）時，活塞螺紋被剪斷，活塞才開始運動。

在波炮中，活塞做往復運動壓縮氦氣。第一燃燒室內的燃氣推動活塞向前移動壓縮第二燃燒室的氦氣，隨著氦氣壓力升高，活塞向前移動被阻止減慢。當活塞向前的速度降到零的時刻，活塞后面的壓力開始小于前面的壓力，導致活塞開始向后運動，反彈回一小段距離。隨著活塞前面的氦氣壓力減小，以及活塞后面的氣體壓力增大，活塞開始第二次向前移動。它向前又壓縮氦氣并使其壓力升高，再次使活塞向后運動，出現第二次反彈。當然第二次反彈的距離比第一次小……這樣，活塞要前后往復運動。由于藥室（第一燃燒室）推進劑的逐漸燃燒，藥室保持了較高的氣體壓力，因此活塞能維持近似非周期的阻尼往復運動。出現這種現象是由于壓力的作用，而不是慣性造成的。活塞的往復振蕩的頻率與活塞的質量成反比，活塞每往復振蕩一次，就對輕氣體激波加熱一次。要在活塞往復振動期間，選擇某一時刻釋放彈丸，波炮的振動頻率才可以提高，以便至少產生一個二次波，在彈丸飛離炮口之前追上彈丸，以提高彈丸的初速。

在第一次壓縮過程中，藥室內的發射藥約有10%被燃燒掉。質量較輕的活塞和發射藥連續的燃燒，在整裝式波炮上得到了應用。波炮的活塞向前和向后的往復情況和時間，是由藥室發射藥的裝藥量和裝藥形式所決定的，它可以控制彈丸的釋放時間。隨著活塞振動沖程的逐漸衰減，累進地向前推進時，輕氣體室（第二燃燒室）內累積更大的平均壓力。我們把活塞許多壓縮沖程稱作“抽運”，為了使發射藥有充分的時間燃燒起到“抽運”作用，選用燃速相對較慢的發射藥，這就需要燃燒室裝有足量和大密度的發射藥，才能達到燃速相對緩慢或提供較低的功率，使活塞達到多次壓縮的“抽運”作用。

由于活塞的質量小，“抽運”的頻率非常高。彈丸從靜止位置開始釋放后，由活塞產生的連續壓縮波沿發射管向前傳播直到彈底，所以，彈丸的速度主要是這些連續壓縮波產生的。鑒于活塞的前后壓力在等效值附近波動，活塞不會猛烈地撞擊炮膛而損壞炮管。活塞是由小質量的塑料制成的，受力后容易變形，且運動的速度低，因此與炮膛擠壓時，不會損壞炮管。活塞可以被后面的燃氣壓力壓迫變形而通過發射管，并隨著第一級推進劑氣體一同排出炮口。整裝式波炮用發射藥，可以用電弧方法實現電點火。

四、幾種經典的輕氣體炮

（一）意大利帕多瓦大學CISAS中心的輕氣體炮

意大利帕多瓦大學CISAS中心研制的輕氣體炮如圖4-4所示，其基本參數如下。

初級藥室容積：3dm³

氫氣室長：3m

氫氣室內徑：35mm

發射管長：1.5m

發射管內徑：4.5～7mm

射彈最高速度：5km/s（100mg推進劑）

發射頻率：10發/h

（二）法-德合作的圣·路易斯研究所的輕氣體炮

法-德合作的圣·路易斯研究所（ISL）的輕氣體炮如圖4-5所示。

（三）美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的輕氣體炮

美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室正在進行超高速研究計劃（Super High-velocity Research Project，SHVRP），表4-1所示的是其實驗室現有輕氣體炮的發射參數。

SHARP 1（表4-1中序號1發射器）已完成1.5kg彈丸質量、6km/s出口速度的試驗。如果這一試驗成功，則SHARP將彈丸對天空垂直發射（該發射系統中壓縮管和發射管兩者互成“L”直角形，發射管可水平或垂直方向安置）到450km的高空，以獲取彈丸發射大氣層的數據。根據中國空氣動力研究與發展中心的二級輕氣體炮發射器的運行經驗和計算（火藥室改用90kg的炸藥），可推算出在表4-1中序號2狀態下的內彈道參數如下：活塞峰值速度428m/s；壓縮管壓力峰值334.71MPa；彈丸底部壓力峰值137.34MPa。從上述參數可以看出，表4-1中的二級輕氣體炮炮體和彈丸所承受的載荷較低，該炮的工程材料選取沒有困難。

為了發射2t重載荷，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室還提出了大型二級輕氣體炮設想。這樣的炮可架設在1.8～4km的高地，以25°的發射角對空發射。實現這樣的大炮，原則上雖然沒有困難，但在壓縮管和發射管的聯結結構和材料、以及400t重的活塞運動引起的能量吸收等一系列問題上都會帶來很大困難。一個辦法是設計一門沒有壓縮管和活塞而直接加速彈丸的大炮。當前提出了發展這類大炮的各種技術途徑，如電熱炮、電磁炮、沖壓加速器等。C.N.Scully等報道了采用電熱炮使小型硅酸鹽球體的速度可達到20km/s。球體由鋰離子流的氣動力加速，由電弧放電給離子流供能。J.F.Frichtenieht等用靜電方法把小型帶電粒子（直徑為0.1～10μm）加速到高達28km/s的速度。S.Kronman等把0.01～1g的離散粒子用向心爆轟技術已經加速到21km/s的速度。雖然這些發射技術創造了相當高的速度指標，但是從應用于試驗研究角度看，都還達不到可與輕氣體炮發射器相競爭的地步。

（四）美國IAT研究所輕氣體炮

美國得克薩斯工業大學研制的二級輕氣炮口徑有115mm和38mm；發射能量達到3MJ；最高速度6500m/s，如圖4-6所示。

（五）日本東京工業大學的輕氣體炮

日本東京工業大學Moritoh T等人采用在泵管外增加一級將輕質氣體預熱加壓的方法設計了三級輕氣炮，已實現將0.58g彈丸發射到8.9km/s的速度，如圖4-7所示。

（六）北京理工大學研制的輕氣體炮

北京理工大學研制的輕氣體炮如圖4-8所示，可以采用空氣、氦氣等壓縮氣體將彈丸加速到超高速，用于高速碰撞試驗。碰撞試驗區在密閉的真空室內，真空室與炮口相連接，真空室還連接了真空規和真空泵。碰撞試驗區布置了壓力傳感器、照相窗口及回收裝置。

（七）俄羅斯的放電輕氣體炮

俄羅斯在21世紀初的10年間，大力發展放電輕氣體炮的研究和開發。俄羅斯專家利用經典二級輕氣體炮技術，并加入了高功率脈沖電源和氣體放電技術進一步饋入能量，形成獨特的放電輕氣體炮技術。俄羅斯的放電輕氣體炮結構及性能如圖4-9所示。

如圖4-9（a）所示，俄羅斯的放電輕氣體炮結構包括三大部分，經典二級輕氣體炮、放電室、輕氣體炮。經典二級輕氣體炮包括炮尾裝藥、活塞、輕氣體室內預充的一定壓強的輕氣體、充放氣閥等。放電室主要包括基座、壓強測試端、隔離金屬的絕緣墊6、高壓電極7、接地電極8、高壓閥門10等。輕氣體炮主要有身管、彈丸、探測器等。

放電輕氣體炮準備工作時，通過充放氣閥門預充一定壓強的輕氣體，高壓電極連接脈沖功率電源高壓端子，接地極接地，后膛藥室內填充發射藥。當發射藥點火工作時，推動活塞運動，壓縮輕氣體。其后，連接高功率脈沖電源的電極（高壓電極和接地電極）間放電形成高壓等離子體，等離子體內電流加熱輕氣體，繼續給壓縮的輕氣體提供能量。壓縮的輕氣體沖破高壓閥門，加速彈丸沿身管加速運動。

俄羅斯放電輕氣體炮工作過程中，壓強探測器測量的輕氣體壓強曲線如圖4-9（b）所示。最高膛壓達400MPa，脈寬約幾毫秒。

五、美國液氧液氫燃燒輕氣體炮

上述幾種輕氣體炮由于準備過程復雜（如充氣至某指定預壓耗費時間長），不適合戰場環境使用。為了推動輕氣體炮的軍事使用，針對美國本土的資源和工業基礎情況，得克薩斯大學提出了液氧液氫燃燒輕氣體炮概念，并進行了研制試驗。

液氧液氫燃燒輕氣體炮中化學反應方程式為 （2+x） H₂+O₂=2H₂O+xH₂。部分氫氣與氧氣反應生成水，并放出大量的能量；另一部分多余的氫氣充當介質，不參與化學反應。氫氣既是發射藥，又是輕介質。氫氣決定了高溫氣體的聲速、燃燒溫度、分子量。水的分子量也不很高。液氧液氫燃燒輕氣體炮釋放的是水和氫氣，環保，無污染。

2007年，美國得克薩斯大學的155mm液氧液氫燃燒輕氣體炮的結構如圖4-10所示，液氧液氫燃燒輕氣體炮彈藥結構如圖4-11所示，彈藥實物如圖4-12所示，液氧液氫燃燒輕氣體炮開火瞬間的試驗照片如圖4-13所示。美國陸軍液氧液氫燃燒輕氣體炮的應用構想如圖4-14所示。

圖4-14中，美國陸軍液氧液氫燃燒輕氣體炮的軍事應用主要包括兩輛戰車，第一輛戰車采用現有火炮平臺，部署長徑比52的液氧液氫燃燒輕氣體炮。第二輛儲存運輸液氧液氫原料。兩輛戰車由輸液管連接，一同配合機動作戰。155mm口徑的液氧液氫燃燒輕氣體炮可以發射45kg重的彈丸，相應的最大射程達100km。

目前，唯一具有實戰功能的輕氣體炮屬于這種液氧液氫輕氣體炮。這強烈依賴于美國本土強大的工業基礎，隨時隨地可以制備大量的氫氣和氧氣，并液化為液氧和液氫。液氧液氫的維持也需要耗能，這是美國強大工業基礎能提供的。