第二节 轻气体炮及其弹药

轻气体炮是一种利用高温下低分子量气体工质膨胀做功的方式来推动弹丸，使之获得极高速度的发射系统。它最突出的优点是，弹丸在分子量较低的高压气体直接推动下获得高速度。自20世纪60年代起，重要的航天、军械、核武器及对动高压和强动载感兴趣的研究单位都相继建立了各种口径和不同弹速范围的轻气体炮。

一、定义及类型

用低分子量的气体（如H₂、He）直接加速弹丸以获得超高速发射的化学能发射器。由于轻气体分子量较小，因此可尽可能接近理想气体，尽可能满足理想气体状态方程，尽可能减小传统发射药火炮在弹丸高速阶段后膛压力与弹底压力的差异。

轻气体炮的类型包括经典二级轻气体炮、波炮、热发射器、美国液氢液氧轻气体炮、俄罗斯放电轻气体炮。二级轻气体炮已能将较小的弹丸加速到11km/s；热发射器能将小弹丸加速到3km/s。

二、工作原理

对一般火炮而言，由于火药气体分子量较大，弹丸能获得的最大速度受到了限制。为了获得更高的弹丸速度，选择低分子量、高声速、γ 值小的气体作为工作介质，在这种指导思想下，出现了一级轻气体炮。但是随着弹后空间的增加，弹丸底部压力逐渐减少，因此作用在弹丸底部的气体压力也逐渐下降。如果能够探索到一种驱动气体的工作模式，那么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作用时间，将可以大幅度地提高弹速。于是，在一级轻气体炮的基础之上，改善弹底工作气体压力与时间的关系，就研制成功了二级轻气体炮。二级轻气体炮的腔体分为两级：第一级装化学推进剂（如发射药）；第二级装低分子量的气体（如氢气或氦气等）；两级中间用硬活塞隔离，如图4-2所示。

对于图4-2所示的经典二级轻气体炮，其工作过程为：首先点燃发射药2，压力超过预定压力时冲破隔板3，推动活塞5运动，并压缩有一定预压强的密闭轻气体6；当轻气体6压力超过预定值时，冲破隔膜8；随后轻气体6连同隔膜8，经消湍流的喷管9，冲进身管11内，加速弹丸10；弹丸10在轻气体6的直接推动下沿身管11加速运动至超高速。

由图4-2可知，活塞5在缓冲限制部件4和7的限制下仅能做短距离运动。这部分轻气体室的直径较身管11直径大许多，轻气体室长度比身管长度小许多倍。当然，活塞5运动的末速度比弹丸10的炮口速度小许多倍。

三、波炮

波炮是在经典二级炮的基础上改进而来的一种轻气体炮。其发射弹丸的基本原理是：利用发射药燃烧，推动活塞压缩氦气。激波加热氦气，并推动弹丸到超高速。由于轻气体的分子运动速度可比发射药燃气速度快得多，因此炮口速度可达到3～8km/s。波炮结构可分为整装式和分装式两种，如图4-3所示。

以整装式波炮为例，详细介绍它的原理和结构特点。如图4-3（b）所示，整装式的波炮有一个特殊药筒，中间用活塞隔开，分为前后两个腔。后腔装第一级推进剂称为第一燃烧室，前腔装第二级推进剂（氦气）称为第二燃烧室。活塞除具有压缩第二级推进剂作用外，还有密封气体的功能。整装式结构的波炮装填很方便，因此射速可以大大地提高。波炮身管是用炮钢制成的，活塞式用聚乙烯塑料制成的。在第一燃烧室内，装有固体黑火药作为推进剂。黑火药可以与小球型的聚苯乙烯混合，以改变装填密度。在第二燃烧室内，装有氦气。因氦气是低分子量的轻气体，属于惰性气体，所以使用比较安全，一般氦气的装填压力控制在2×10⁵～2×10⁷Pa。弹丸用一个限制释放构件把它连接并卡住，其目的是使释放机构在达到一定预定压力时，才释放弹丸。这时，弹丸才可以运动。限制释放构件可以制成圆形的“剪切凸缘”，固定在管内的圆周上，在预定压力下（大约为5×10⁴～3×10⁸Pa），将“剪切凸缘”外圆周剪切开释放弹丸。也可以采取同轴过盈配合的释放构件，使其在发射过程中某预定时刻释放弹丸。活塞尾部螺纹与特殊药筒内壁螺纹相连接，当发射药产生的压力达到射击开始压力（约100MPa）时，活塞螺纹被剪断，活塞才开始运动。

在波炮中，活塞做往复运动压缩氦气。第一燃烧室内的燃气推动活塞向前移动压缩第二燃烧室的氦气，随着氦气压力升高，活塞向前移动被阻止减慢。当活塞向前的速度降到零的时刻，活塞后面的压力开始小于前面的压力，导致活塞开始向后运动，反弹回一小段距离。随着活塞前面的氦气压力减小，以及活塞后面的气体压力增大，活塞开始第二次向前移动。它向前又压缩氦气并使其压力升高，再次使活塞向后运动，出现第二次反弹。当然第二次反弹的距离比第一次小……这样，活塞要前后往复运动。由于药室（第一燃烧室）推进剂的逐渐燃烧，药室保持了较高的气体压力，因此活塞能维持近似非周期的阻尼往复运动。出现这种现象是由于压力的作用，而不是惯性造成的。活塞的往复振荡的频率与活塞的质量成反比，活塞每往复振荡一次，就对轻气体激波加热一次。要在活塞往复振动期间，选择某一时刻释放弹丸，波炮的振动频率才可以提高，以便至少产生一个二次波，在弹丸飞离炮口之前追上弹丸，以提高弹丸的初速。

在第一次压缩过程中，药室内的发射药约有10%被燃烧掉。质量较轻的活塞和发射药连续的燃烧，在整装式波炮上得到了应用。波炮的活塞向前和向后的往复情况和时间，是由药室发射药的装药量和装药形式所决定的，它可以控制弹丸的释放时间。随着活塞振动冲程的逐渐衰减，累进地向前推进时，轻气体室（第二燃烧室）内累积更大的平均压力。我们把活塞许多压缩冲程称作“抽运”，为了使发射药有充分的时间燃烧起到“抽运”作用，选用燃速相对较慢的发射药，这就需要燃烧室装有足量和大密度的发射药，才能达到燃速相对缓慢或提供较低的功率，使活塞达到多次压缩的“抽运”作用。

由于活塞的质量小，“抽运”的频率非常高。弹丸从静止位置开始释放后，由活塞产生的连续压缩波沿发射管向前传播直到弹底，所以，弹丸的速度主要是这些连续压缩波产生的。鉴于活塞的前后压力在等效值附近波动，活塞不会猛烈地撞击炮膛而损坏炮管。活塞是由小质量的塑料制成的，受力后容易变形，且运动的速度低，因此与炮膛挤压时，不会损坏炮管。活塞可以被后面的燃气压力压迫变形而通过发射管，并随着第一级推进剂气体一同排出炮口。整装式波炮用发射药，可以用电弧方法实现电点火。

四、几种经典的轻气体炮

（一）意大利帕多瓦大学CISAS中心的轻气体炮

意大利帕多瓦大学CISAS中心研制的轻气体炮如图4-4所示，其基本参数如下。

初级药室容积：3dm³

氢气室长：3m

氢气室内径：35mm

发射管长：1.5m

发射管内径：4.5～7mm

射弹最高速度：5km/s（100mg推进剂）

发射频率：10发/h

（二）法-德合作的圣·路易斯研究所的轻气体炮

法-德合作的圣·路易斯研究所（ISL）的轻气体炮如图4-5所示。

（三）美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的轻气体炮

美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室正在进行超高速研究计划（Super High-velocity Research Project，SHVRP），表4-1所示的是其实验室现有轻气体炮的发射参数。

SHARP 1（表4-1中序号1发射器）已完成1.5kg弹丸质量、6km/s出口速度的试验。如果这一试验成功，则SHARP将弹丸对天空垂直发射（该发射系统中压缩管和发射管两者互成“L”直角形，发射管可水平或垂直方向安置）到450km的高空，以获取弹丸发射大气层的数据。根据中国空气动力研究与发展中心的二级轻气体炮发射器的运行经验和计算（火药室改用90kg的炸药），可推算出在表4-1中序号2状态下的内弹道参数如下：活塞峰值速度428m/s；压缩管压力峰值334.71MPa；弹丸底部压力峰值137.34MPa。从上述参数可以看出，表4-1中的二级轻气体炮炮体和弹丸所承受的载荷较低，该炮的工程材料选取没有困难。

为了发射2t重载荷，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室还提出了大型二级轻气体炮设想。这样的炮可架设在1.8～4km的高地，以25°的发射角对空发射。实现这样的大炮，原则上虽然没有困难，但在压缩管和发射管的联结结构和材料、以及400t重的活塞运动引起的能量吸收等一系列问题上都会带来很大困难。一个办法是设计一门没有压缩管和活塞而直接加速弹丸的大炮。当前提出了发展这类大炮的各种技术途径，如电热炮、电磁炮、冲压加速器等。C.N.Scully等报道了采用电热炮使小型硅酸盐球体的速度可达到20km/s。球体由锂离子流的气动力加速，由电弧放电给离子流供能。J.F.Frichtenieht等用静电方法把小型带电粒子（直径为0.1～10μm）加速到高达28km/s的速度。S.Kronman等把0.01～1g的离散粒子用向心爆轰技术已经加速到21km/s的速度。虽然这些发射技术创造了相当高的速度指标，但是从应用于试验研究角度看，都还达不到可与轻气体炮发射器相竞争的地步。

（四）美国IAT研究所轻气体炮

美国得克萨斯工业大学研制的二级轻气炮口径有115mm和38mm；发射能量达到3MJ；最高速度6500m/s，如图4-6所示。

（五）日本东京工业大学的轻气体炮

日本东京工业大学Moritoh T等人采用在泵管外增加一级将轻质气体预热加压的方法设计了三级轻气炮，已实现将0.58g弹丸发射到8.9km/s的速度，如图4-7所示。

（六）北京理工大学研制的轻气体炮

北京理工大学研制的轻气体炮如图4-8所示，可以采用空气、氦气等压缩气体将弹丸加速到超高速，用于高速碰撞试验。碰撞试验区在密闭的真空室内，真空室与炮口相连接，真空室还连接了真空规和真空泵。碰撞试验区布置了压力传感器、照相窗口及回收装置。

（七）俄罗斯的放电轻气体炮

俄罗斯在21世纪初的10年间，大力发展放电轻气体炮的研究和开发。俄罗斯专家利用经典二级轻气体炮技术，并加入了高功率脉冲电源和气体放电技术进一步馈入能量，形成独特的放电轻气体炮技术。俄罗斯的放电轻气体炮结构及性能如图4-9所示。

如图4-9（a）所示，俄罗斯的放电轻气体炮结构包括三大部分，经典二级轻气体炮、放电室、轻气体炮。经典二级轻气体炮包括炮尾装药、活塞、轻气体室内预充的一定压强的轻气体、充放气阀等。放电室主要包括基座、压强测试端、隔离金属的绝缘垫6、高压电极7、接地电极8、高压阀门10等。轻气体炮主要有身管、弹丸、探测器等。

放电轻气体炮准备工作时，通过充放气阀门预充一定压强的轻气体，高压电极连接脉冲功率电源高压端子，接地极接地，后膛药室内填充发射药。当发射药点火工作时，推动活塞运动，压缩轻气体。其后，连接高功率脉冲电源的电极（高压电极和接地电极）间放电形成高压等离子体，等离子体内电流加热轻气体，继续给压缩的轻气体提供能量。压缩的轻气体冲破高压阀门，加速弹丸沿身管加速运动。

俄罗斯放电轻气体炮工作过程中，压强探测器测量的轻气体压强曲线如图4-9（b）所示。最高膛压达400MPa，脉宽约几毫秒。

五、美国液氧液氢燃烧轻气体炮

上述几种轻气体炮由于准备过程复杂（如充气至某指定预压耗费时间长），不适合战场环境使用。为了推动轻气体炮的军事使用，针对美国本土的资源和工业基础情况，得克萨斯大学提出了液氧液氢燃烧轻气体炮概念，并进行了研制试验。

液氧液氢燃烧轻气体炮中化学反应方程式为 （2+x） H₂+O₂=2H₂O+xH₂。部分氢气与氧气反应生成水，并放出大量的能量；另一部分多余的氢气充当介质，不参与化学反应。氢气既是发射药，又是轻介质。氢气决定了高温气体的声速、燃烧温度、分子量。水的分子量也不很高。液氧液氢燃烧轻气体炮释放的是水和氢气，环保，无污染。

2007年，美国得克萨斯大学的155mm液氧液氢燃烧轻气体炮的结构如图4-10所示，液氧液氢燃烧轻气体炮弹药结构如图4-11所示，弹药实物如图4-12所示，液氧液氢燃烧轻气体炮开火瞬间的试验照片如图4-13所示。美国陆军液氧液氢燃烧轻气体炮的应用构想如图4-14所示。

图4-14中，美国陆军液氧液氢燃烧轻气体炮的军事应用主要包括两辆战车，第一辆战车采用现有火炮平台，部署长径比52的液氧液氢燃烧轻气体炮。第二辆储存运输液氧液氢原料。两辆战车由输液管连接，一同配合机动作战。155mm口径的液氧液氢燃烧轻气体炮可以发射45kg重的弹丸，相应的最大射程达100km。

目前，唯一具有实战功能的轻气体炮属于这种液氧液氢轻气体炮。这强烈依赖于美国本土强大的工业基础，随时随地可以制备大量的氢气和氧气，并液化为液氧和液氢。液氧液氢的维持也需要耗能，这是美国强大工业基础能提供的。