陈履坦，何起光，陈小伟

（1. 北京理工大学机电学院，北京 100081；2. 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081；3. 北京理工大学前沿交叉科学研究院，北京 100081）

防护结构设计是被动防护任务的核心，是航天器空间碎片防护领域研究的重点[1]。为更好地开展相关研究，各种超高速发射技术应运而生，但大部分发射技术都存在一定的局限性。二级轻气炮因具有众多优点从各类发射技术中脱颖而出，如：适用弹丸种类多；在低加速度和低应力条件下，弹丸能获得较高初速；对同一弹速有较好的可重复性[2-5]。

为保证实验安全，降低气炮运行成本，常采用以压缩氮气为驱动源的二级轻气炮技术[6]，发射过程为：通过高压气室内填充的高压气体膨胀做功，推动活塞加速运动，压缩前端轻质气体；当活塞临近锥段，它前端的轻质气体压力激增，超过活塞尾部的压力，使活塞减速；当膜片处的压力达到破裂临界值时，膜片破裂，受压的轻质气体推动弹丸在发射管内加速运动，达到预设速度[7]。该驱动方式安全环保、不会产生有毒有害气体[8-9]，但是压缩气体的能量密度远低于固体发射药的，如何有效提高能量利用率，获得较高弹速，是亟待解决的难题[10-11]。

研究者们运用数值计算方法研究二级轻气炮发射的物理过程，已取得了一定的研究进展。林俊德[12]在Seigel[13]工作基础上，推导出一套针对高压气体驱动二级轻气炮的计算方法，以一维非定常描述气流运动，忽略活塞与管壁的摩擦，讨论了高压气室初始压力、膜片破膜压力及活塞质量对发射效果的影响，较客观地描述了发射参数和发射效果的关系。……