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20 世纪 70 年代以来，国外航天大国针对空间站、航天飞机和载人飞船等载人航天器防护空间碎片碰撞危害的客观需求，开始全面发展和建设地面超高速碰撞 （ hypervelocity impact, HVI） 实验模拟设施。通过地面高速/超高速碰撞模拟实验，研究、验证、评估和获得不同航天材料及防护构型在不同速度、尺寸、形状和材质弹丸（粒子）碰撞下的成坑、穿孔、弹道极限、二次碎片云等特性及效应，为高性能先进防护材料研制及防护构型设计提供支撑数据。
经过 40 多年的持续研究和发展，国内外成功研制和建设了一系列地面超高速碰撞模拟实验发射设施和系统，如二级轻气炮 （ light gases gun, LGG） 、 轨道炮 （ railgun） 、 电磁炮 （ electro magnetic gun, EMG） 、 等离子体加速器、定向聚能加速器、粉尘静电加速器、激光驱动加速器等，为空间碎片超高速碰撞地面模拟实验研究提供了重要手段。各种超高速碰撞地面模拟实验发射能力技术参数如表 2 -10 所示 [1] 。
表 2 -10 各种超高速碰撞地面模拟实验发射设备技术性能参数
由于各种超高速发射设施的适用条件、范围及发射能力各不相同，空间碎片超高速碰撞模拟实验设备的建设和适用，应根据不同尺寸空间碎片碰撞特性研究的实际需求，综合考虑实验成本、技术发展水平及成熟程度予以选择。现阶段应用于毫米级空间碎片超高速撞击地面模拟实验的发射技术主要有二/三级轻气炮技术、爆轰驱动技术、定向聚能加速技术等；应用于微米级碎片实验的发射技术主要有激光驱动技术、静电加速技术、等离子体加速技术等 [36] 。这些技术中，有些在国外已经达到了 10km/ s 以上或更高的发射速度，处于相对稳定的应用阶段；有些技术国内外都在试图通过引进新概念或与现在技术相结合来使其发射速度超过 10km/ s, 处于攻关的重要阶段；还有一些技术的发展前景很好，但还没有被空间碎片超高速撞击领域过多关注。
轻气炮是目前特别通用的高速发射和高压加载工具，与其他发射技术相比，该技术的突出优点是其所发射的弹丸的质量、尺寸、形状和材料具有更为宽广的选择范围，并且弹丸能够在承受较低的加速度和较小的应力的情况下获得较高的速度。因此，轻气炮技术已成为非常有效和实用的超高速实验设备。按照结构形式和发射能力的不同，轻气炮可分为一级、二级和多级轻气炮 [37 -42] 。
目前，二级轻气炮可以发射直径为 0.1mm 到 175mm、 重量为几微克到几千克的球形或圆柱形弹丸。大弹丸可以被完整地发射至 7 km/ s, 重量小而形状复杂的各种材质（塑料、金属、陶瓷）的弹丸可以被完整地发射至 9 km/ s, 限制长径比的塑料圆柱形弹丸甚至可以被发射到 11km/ s [43] 。
二级轻气炮的工作原理如图 2 -37 所示 [44] ，它由火药室、泵管、高压段、发射管、靶室以及真空系统和控制系统组成。发射时，由控制系统点燃火药，借助火药产物的压力冲破大膜片并推动活塞使其压缩泵管内的氢气。此压缩过程很长很缓慢，活塞运动到高压段入口前的气体压力也仅为 20~ 30MPa。 当塑性活塞进入高压段之后，气体压力将发生质的飞跃：锥形设计的高压段使活塞每前进一步就使气室体积急剧减小，导致压力迅速上升，同时由于塑性活塞挤进部分的速度远大于活塞主体的运动速度，所以气体压力的上升速率很快，在极短的时间里使高压段内产生几百兆帕的压力。此时小膜片达到预定的压力后破裂，高压气体驱动弹丸高速飞行。在弹丸移动的过程中，弹丸和活塞之间的容积扩大，但是活塞的挤进速度越加激烈。因此弹丸的驱动压力得到补偿，这种补偿不仅是二级轻气炮的特点，也是它的最大优点 [45] 。
图 2 -37 二级轻气炮的工作原理
二级轻气炮发展至今，人们对其存在一发射速度上限已达成普遍共识。这一极限速度与其工作气体的声速、气体流动中的能量耗散、弹托和弹丸可承受的最大弹底压力，以及高压段和炮膛的结构强度与耐热蚀能力有关。想要突破这一关键速度而又不损伤炮膛和弹丸的一种途径就是采取多级飞片设计。三级轻气炮便是基于以上理论提出的。三级轻气炮是在普通二级轻气炮的泵管后再加一级泵管组成，第一级的火药燃烧生成的高压气体经过两级泵管压缩后进入发射管。
现在国外的二级轻气炮技术本身已经发展完善，研究工作主要把焦点放在如何获得有效的实验数据、如何与新技术结合发展三级轻气炮上。我国现有的二级轻气炮也已基本发展稳定，相比于其他发射技术，它拥有较多的专业队伍与设备。
定向聚能加速器被认为是用于超高速撞击实验研究最有应用潜力、最具有应用前途的发射技术，最大发射速度可达 12km/ s [46] 。它是在炸药里面设置由锥形金属罩（铜或铝）形成的空腔，利用高能炸药爆轰压力使金属罩形成射流，撞击靶件。定向聚能加速器原理如图 2 -38 所示。
图 2 -38 定向聚能加速器原理
定向聚能发射器一般可将质量几克的铝弹丸加速到 12km/ s 以上的速度，但是金属射流存在很大的速度梯度，运行过程中会不断伸长，而且不稳定，最后分离成形状、质量各异的高速微粒，不仅使得数据分析和实验的重复性变得困难，而且在很大程度上制约了其实际应用。例如，弹道极限方程与粒子形状密切相关，采用这种实验手段获得的碰撞数据并不适用于弹道极限方程的建立，但可用于实验校验。尽管后来对该技术做了诸多改进，却仍无法得到稳定形状的单个弹丸。直到应用了一种爆炸透镜技术，该问题才得以解决，通过适当选择爆炸速率和透镜几何形状，该技术可将 0.2g 弹丸发射至 12km/ s。
美国 NASA 约翰逊航天中心和国家加速器实验室 （ NAL） 都拥有该加速器，其中前者的定向聚能加速器可将 0.25g、0.5g、 1 g 和 2 g 的圆柱形空心铝弹丸加速至 11.5 km / s [46] 。图 2 -39 为 Battelle 定向聚能加速器示意图，该加速器可将单个质量为 0.8 g 和 1.5 g 的铝弹丸发射至 11.2 km / s。 图 2 -40 为该加速器的装配图，其中包括一个弹丸捕捉器和粒子捕捉器。此外，日本、俄罗斯等也均研制了用于超高速撞击实验研究的定向聚能加速器。
图 2 -39 Battelle定向聚能加速器示意图[ 47 ]
图 2 -40 Battelle定向聚能加速器装配图[ 47 ]
从国内公开发表的文献看，目前发展该技术的研究单位较少，还处于刚起步阶段，有非常广阔的发展前景。
电磁炮又称电磁轨道炮或导轨炮，是一种利用电磁作用效应实现弹丸加速的超高速发射实验设施。根据结构原理的不同，电磁炮分为电磁轨道炮、线圈炮 （ coil gun） 、 重接炮 （ reconnection gun） 三种形式 [48 -51] ，表 2 -11 为三种电磁炮现阶段的研究概况。与利用传统火药燃气压力作用实现弹丸加速的原理和技术不同，电磁炮加速弹丸过程的时间要长得多，从而可以获得更高的发射速度。
表 2 -11 三种电磁炮现阶段的研究概况
电磁轨道炮可以理解为一种单匝直流直线电动机，其原理如图
2 -41
所示，由一对直线导轨、一个电枢以及高功率脉冲电源构成。电枢与导轨保持紧密接触的情况下在两导轨间运动，电流从一条导轨的一端流入，经过电枢，流入另一条导轨，形成闭环电路；当电源接入导轨后，电流流过两条导轨，在导轨间形成磁场，流过电流的电枢在磁场中受到洛伦兹力的作用高速射出。电磁轨道炮的结构简单，易于实现，应用易于推广。然而电磁轨道炮在发射过程中，与导轨紧密接触的电枢会在接触面上产生摩擦，大大降低了电磁轨道炮的效率，同时，
因为摩擦的出现会带来导轨的磨损，从而缩短轨道的寿命。
图 2 -41 电磁轨道炮原理图
线圈炮的本质是一台直线电动机，其原理如图 2 -42 所示，一般由两种线圈构成：固定的驱动线圈起驱动作用，也可称为炮管线圈；被驱动的弹丸线圈可装载弹丸。两种结构相同的线圈可以是环形也可以是方形，根据经典电磁理论，两线圈电流的磁场与两线圈的电流相互作用，两线圈彼此施加电磁力，相当于两块电磁铁相互排斥，弹丸在炮管线圈的驱动下高速射出。相比于电磁轨道炮，线圈炮弹丸与炮管不需要接触，不会产生导轨的磨损，延长了炮管寿命，同时没有摩擦不会产生摩擦生热，提高了系统的效率；线圈炮可以采用多级线圈驱动，这样就能减小驱动电流，从而提高了元件的使用寿命、安全性以及元件价格，此外线圈炮适合发射质量大的弹丸。但是线圈炮的缺点也很明显，炮管线圈放电驱动弹丸线圈的同步技术相对复杂，还有同步要求的快转换电流将产生反电动势，将影响系统的效率。
图 2 -42 线圈炮原理
图 2 -43 重接炮原理
重接炮从本质上说是一种特殊的感应型线圈炮，其原理如图 2 -43 所示，其与线圈炮的主要区别在于驱动线圈的排列和极型、采用实心的非铁磁材料良导体和以磁力线重接工作。其工作原理为：螺旋线圈在电流的作用下产生交变磁场，实心良导体弹丸在交变磁场中产生涡流场，螺旋线圈产生的磁场与弹丸涡流场相互作用，推动弹丸高速射出 [45 -46] 。重接炮不仅具有一般线圈炮无接触、无电弧等优点，与一般线圈炮相比径向磁力小、效率高。但是重接炮也有一定的缺点，在进入炮膛前重接炮弹丸必须有一定的初速度 [47 -48] 。重接炮的研究工作出现于 20 世纪 80 年代中期，晚于另两种形式的电磁炮。
激光驱动加速器是 20 世纪 80 年代末迅速发展起来的一种新型动高压加载技术。与其他技术相比，其特点是结构简单，成本较低，容易与实验容器接口、其他环境因素一起组成综合环境模拟设备，没有化学污染和电磁干扰，便于实验过程的参数测量和实验结果的分析评价 [52 -55] 。
激光驱动加速器技术的原理 [49] 是在透明约束基底材料上粘接或淀积一层金属或非金属薄膜，制备成飞片靶，一束高强度脉冲激光透过基底材料入射到薄膜表面，使薄膜内表面瞬间蒸发、汽化和电离，产生高温高压的等离子体。由于受到基底材料的约束，等离子体产生的高压冲击波作用在入射区前面的薄膜上，将剩余薄膜剪切下来，并以高速驱动出去，形成超高速飞片，撞击到实验样品上，如图 2 -44 所示。
图 2 -44 激光驱动加速器技术原理示意图
影响激光驱动加速器技术性能的因素主要有以下几点：激光能量、光束质量、飞片靶约束层、飞片靶烧蚀涂层和飞片靶的制备工艺，其中飞片靶的制备是关键技术。目前常用的飞片靶主要有单膜结构和多膜结构，单膜结构是将金属薄膜直接与玻璃基底材料粘接在一起，激光直接烧蚀部分薄膜产生等离子体，并把剩余薄膜作为飞片驱动出去；多膜结构一般采用特定的烧蚀涂层吸收激光能量，产生等离子体驱动飞片薄膜，并采用隔热材料进一步保护飞片材料。
激光驱动加速器是一项发射速度高且可以发射微小飞片的技术，可很好地应用于微小空间碎片的模拟，而且既可用于单次撞击效应分析，同时也可以进行累积撞击效应研究。国外已经将这一技术的发射速度提高到 23km/ s, 国内的最高速度是中国空间技术研究院发射的 13km/ s。 目前国内主要将该技术应用于引爆爆炸物，在空间碎片模拟实验方面应用不多。因此，如果把该技术的应用拓展到空间碎片研究领域中，它将会是模拟微小空间碎片撞击的最优手段之一。
粉尘静电加速器是一种基于 VandeGraaff （范德格拉夫）直流高压静电粒子加速原理，实现微米级以下尺寸粉尘粒子超高速发射的实验设施 [56 -58] 。
1960 年 , Shenon 提出使用静电加速方法对粉尘粒子进行加速，通过对用于核物理研究的离子源改造设计了第一个粉尘源 。1978 年，德国 Max- Planck 研究所设计研制了第一台粉尘静电加速器。目前国际上已利用静电加速装置开展了大量的粉尘实验，根据需求也研制了一些新的设备。其中，如何使粉尘源中粒子带电是成功加速微米级粒子的关键技术。
粉尘静电加速器包括粉尘粒子源、加速通道、含有粒子挑选器的偏离管以及实验靶室四部分。图 2 -45 为德国 Max- Planck 研究所的粉尘静电加速器示意图 [59] 。
图 2 -45 德国Max- Planck研究所的粉尘静电加速器示意图
粉尘粒子源由钛粉制成，包含粒子贮藏箱和贮藏箱内作为充电电极的钨针、释放板和准直管。将粉尘装填进贮藏箱内，通过箱内的钨针电极进行充电。钨针电极与约 20kV 的恒压源连接，贮藏箱与幅度为 10kV 的脉冲电压连接。在库仑斥力作用下带电粒子开始旋转，击打钨针的尖端部分，通过接地的释放板从贮藏箱内拖拉出去。带电粒子通过准直管后进入装置的加速单元。粒子源内部要达到 10 -4 Pa 的真空度，避免高电场强度产生的电火花。粉尘粒子源的结构原理如图 2 -46 所示 [60] 。
根据能量守恒原理，对于质量为 m ，在发射器内的初始带电量为 Q ，经粉尘静电加速装置（累计加速电压为 U ）成功加速后，粉尘微粒子的速度 v 满足式 （2 -5）:
由此可以得出
对于半径为 r 的球形粒子，在电场强度为 E 的电场中，最高可以获得的初始带电量 Q 可由式 （2-7） 表示：
式中 ,ε 0 为自由表面介电常数。
球形粒子的质量为
图 2 -46 粉尘粒子源的结构原理
由式 （2 -5）、 式 （2 -6）、 式 （2 -7 ） 可知球形粒子的加速速度可由式 （2 -8） 表示：
由式 （2-8） 可知，粉尘微粒子的速度主要取决于粒子的尺寸、密度、介电常数、加速装置的加速电压和充电电场强度。对于给定的粉尘粒子源，可以通过调控静电加速装置的加速电压、发射器中粒子充电电流及电压的方法改变粉尘粒子的速度。
粒子挑选器根据可调约束条件挑选符合条件的粒子，不符合条件的粒子被电容器板偏置出去。具体有三种操作模式：单一模式，设置了速度和质量范围，每挑选一个粒子即停止；自动模式，设置了速度范围；连续模式，所有粒子都可以通过。
实验靶室内要绝对清洁，以免其他化学成分影响弹丸和靶的材料分析结果。靶室真空度一般为 10 -4 Pa。
尽管粉尘静电加速器构造比较复杂且实验过程中使用高压，但在模拟微米级空间碎片超高速撞击方面仍然具有无法替代的优势：在整个实验过程中无爆炸或辐射产生，可以实现单个粒子的撞击，且粒子速度测量方便。更为理想的是：粉尘静电加速器利用成熟的 VandeGraaff 加速器，通过配置粉尘粒子源对加速器进行改造，即可达到加速微米级空间碎片的目的。
等离子体加速器是利用等离子体同轴枪放电产生高温、高速、高密度等离子体，再由该等离子体加速微小固体颗粒 （10~ 1000μm） 至超高速 （1~15km / s） ，用于模拟微小空间碎片撞击效应的地面实验装置，其工作原理类似于焦点装置。加速器核心部件是同轴枪，其加速原理为：高压电容器组向同轴电极施加高压，使同轴枪内充入的气体脉冲在高压下发生击穿放电，在内外电极间形成等离子体电流，与其自身产生的磁场相互作用形成强大的磁压力，使等离子体向前加速运动；随后这团等离子体进入锥形压缩线圈，在线圈中等离子体感应出涡形电流形成指向轴心的磁压缩力，将等离子体径向压缩，从而形成高速高密度等离子体射流；将置于喷嘴处的微粒瞬间喷出形成超高速微粒 [61 -65] 。等离子体加速器原理图如图 2 -47 所示。
图 2 -47 等离子体加速器原理图
目前，利用等离子体加速器开展的工作主要有四个方面 :① 超高速微粒的发射和撞击诊断技术研究 ;② 单个超高速微粒撞击材料的损伤特性研究 :③ 大量超高速微粒撞击导致材料或部件性能退化研究 ;④ 为天基微小空间碎片探测器设计提供模拟实验。
国际上用于微小空间碎片撞击研究的等离子体加速器主要有 3 台，分别由德国慕尼黑技术大学 （ TUM） 空间研究所 （ LRT） 、日本东京技术研究所 （ TIT） 和美国奥本大学 （ Auburn） 空间研究所建立。前两者的建造年代较早，目前国际上等离子体加速微小空间碎片的研究工作主要是利用奥本大学的装置开展的。该大学研制的 40kV 等离子体加速器可将 100~ 150μm 的粒子加速到 12km/ s, 主要用于研究太阳电池、光学镜头和绝热层由于空间碎片撞击而导致的性能退化。图 2 -48 为奥本大学的等离子体加速装置。
图 2 -48 奥本大学的等离子体加速装置
电热炮 （ electrothermalgun） 是一种全部或部分利用电能加热工质实现弹丸加速的超高速发射设备。早期的电热炮利用脉冲电压的电弧放电产生高温等离子体，进而推动弹丸运动，这就是所谓的电弧炮。由于受电源小型化的限制，电弧炮较难进入实际应用。按照等离子体产生及工作方式的不同，电热炮可分为直热式和间热式两大类。按等离子体注入方式的不同，电热炮又可分为后注入式和侧注入式。此外按放电加热机构的不同，电热炮还可分为药室放电式和管放电式 [1,66] 。
直热式电热炮属单级工质的纯电热炮，即完全利用高功率脉冲电源放电来产生高温高压等离子体，并利用等离子体膨胀做功直接推动弹丸加速的电热炮类型，又可分为单细管后注入型、多细管后注入型、单细管药筒型、多级对称侧注入型等几种。
间热式电热炮又称电热化学炮或双极工质电热炮，是一种先利用高功率脉冲电源放电使第一级工质产生高温高压等离子体，再利用等离子体来加热第二级化学工质（推进剂），使之汽化或离解和燃烧、加热以产生高温高压燃气，并通过燃气膨胀做功推动弹丸加速的超高速发射装置。由此可见，在间热式电热炮中，弹丸动能的获得一部分来自电源的电能，另一部分则来自推进的化学能。化学工质可以是固体、液体或气体，但其分子量要比常规火炮用的固体发射药小得多。
综上所述，二级轻气炮技术和多级爆轰驱动技术都可以发射高速飞片或弹丸，且都可以在末级使用阻抗梯度飞片，使发射速度进一步提高，故而目前对这两种技术的发展愈加广泛。电热炮加速技术发射速度较快，但可发射的飞片材料必须是绝缘体，所以对研究航天器在轨撞击效应的模拟有其劣势。定向聚能等加速技术应用在空间碎片研究上的时间不长，但很有发展潜力。
激光驱动飞片技术、等离子体加速技术和粉尘静电加速技术发射速度高，适用于微小碎片或宇宙尘埃的模拟实验，可用来研究微小碎片的损伤效应和累积效应，目前还不能用于研究航天器防护结构的撞击损伤效应。
这些技术中二/三级轻气炮技术、多级爆轰驱动技术和激光驱动飞片技术的原理和特点决定了它们非常适用于模拟空间碎片，并且国外已有成功的经验和技术可以引用，国内也已经有了一定的研究基础。所以，在目前空间碎片环境已被严重污染、在轨航天器遭受空间碎片撞击的风险大大增加的情况下，国内应大力发展这三种技术使其发射速度提高到 10km/ s 以上，并且拓展它们在空间碎片超高速撞击领域中的应用，为提高我国航天器抵御空间碎片撞击的能力，保障其长寿命、高可靠性地在轨安全运行更好服务。