CN106679500B - 一种以氢能驱动的二级轻气炮 - Google Patents

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Abstract

本发明属于轻气炮实验技术领域，特别涉及一种以氢氧混合气体爆轰作为驱动的轻气炮。一种以氢能驱动的二级轻气炮，其技术方案是：它包括：燃烧室、注气装置、点火装置、泵管、高压锥段、发射管、靶室以及磁测速装置；燃烧室一端安装有点火装置，另一相对端与泵管相连，连接处设有泵管膜片和泵管破膜器；注气装置用于向燃烧室内部充入氢气、氧气以及惰性气体；泵管内部放置有活塞；高压锥段大径与泵管连接，小径与发射管连接，连接处设有发射管膜片和发射管破膜器；发射管内部设有弹丸，且一端位于靶室内；磁测速装置安装在发射管末端，与示波器相连；本发明使用氢能代替火药进行驱动，对炮的损伤更小，且不会产生颗粒产物，便于试验后清洁炮管。

Description

一种以氢能驱动的二级轻气炮
技术领域
本发明属于轻气炮实验技术领域，特别涉及一种以氢氧混合气体爆轰作为驱动的轻气炮。
背景技术
轻气炮能够发射不同材料、不同形状的弹丸，可以模拟各种高速超高速的实验环境，在动能武器效应研究、地球空间物理研究、航天器防护研究以及高应变率下的材料性能研究等领域有着广泛应用，是目前国内外非常通用的高速、超高速加载***。
美国加州理工学院和NASA共建的一门二级轻气炮，其一级段使用火药驱动，二级使用氦气或者氢气，发射管直径1.8mm；日本东京工业大学的一门二级轻气炮，一级段火药驱动，二级使用氢气。意大利University of Padua的一门二级轻气炮，使用压缩氦气驱动，可以将100mg的弹丸加速到5.5km/s。
以上的几种二级轻气炮有些采用了火药作为驱动，火药虽然能量较大，少量火药就能达到发射所需条件，但是火药本身的危险性高，储存管理火药成本高；且火药使用需要一定的资质，这从一定程度上阻碍了轻气炮的推广；同时火药会产生大量的颗粒物和有毒气体，不仅给炮管清理造成困难，降低试验效率，还危害着实验人员健康。而使用压缩气体驱动的二级轻气炮对炮体结构密封性要求高，且压缩气体的能量密度不够高，不易打出较高的弹速。
发明内容
本发明的目的是：解决现有轻气炮采用火药或者压缩气体驱动出现的弊端和问题，提供一种更清洁、更高效、更稳定、能够打出更高弹速的二级轻气炮。
本发明的技术方案是：一种以氢能驱动的二级轻气炮，它包括：燃烧室、注气装置、点火装置、泵管、高压锥段、发射管、靶室以及磁测速装置；
燃烧室为桶状结构，其开口端连接泵管，封闭端中心处设有点火装置；燃烧室的侧壁设有注气孔，注气装置通过该注气孔按设定顺序向燃烧室内充入氢气、氧气和惰性气体；
泵管为直筒形结构，在其与燃烧室连接处设置有泵管膜片和泵管破膜器；泵管侧壁开有用于抽真空的通气孔；
高压锥段的大端与泵管连接，小端与发射管连接；
发射管为直筒形结构，在其与高压锥段的连接处设有发射管膜片和发射管破膜器；发射管的另一端位于靶室内；
靶室设有观察窗以及真空抽气孔；
磁测速装置安装在发射管的末端，并连接示波器；
在泵管内靠近泵管膜片处放置活塞；在发射管内靠近发射管膜片处放置弹丸。
有益效果：(1)本发明使用氢能代替火药进行驱动，对炮的损伤更小，且不会产生颗粒产物，便于试验后清洁炮管，一定程度上提高了实验效率；并且实验中不会产生有毒气体，不污染环境。
(2)本发明采用氢、氧爆轰驱动，并充入一定比例的惰性气体，这样既可简化操作，又有利于环保，同时还能很大程度上减少炮管的锈蚀现象。
(3)本发明与使用压缩气体或火药驱动相比，能量利用率更高，更容易打出较高的弹速。
(4)本发明避免了火药驱动带来的火药储存管理的成本，只需使用工业用储气瓶储存氢氧，降低了实验成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中燃烧室部分的结构示意图；
图3为本发明中泵管破膜器的结构示意图；
图4为本发明中发射管破膜器的结构示意图。
具体实施方式
参见附图1，一种以氢能驱动的二级轻气炮，它包括：燃烧室1、注气装置2、点火装置3、泵管4、高压锥段5、发射管6、靶室7、磁测速装置8。辅助设施包括：泵管膜片9、泵管破膜器10、活塞11、发射管膜片12、发射管破膜器13、弹丸14、防静电手环。外接设备有示波器。
燃烧室1、泵管4、高压锥段5内表面进行镀铬处理，防止氢氧爆轰反应后的锈蚀作用。
燃烧室1为桶状结构，一端开口，开口处的外壁设计有螺纹，用于与泵管4上的大螺母配合，实现与泵管4的连接；在燃烧室2另一侧端面上设置有用于安装点火装置3的开孔；燃烧室1侧壁上方开有注气孔，注气装置2通过该注气孔向燃烧室1充氢气、氧气和惰性气体。
泵管4为直筒形结构，一端与燃烧室1连接，连接处设置泵管膜片9和泵管破膜器10，泵管4依靠其上大螺母与燃烧室1的螺纹旋转上紧后压紧，达到密封燃烧室1的目的；靠近泵管膜片9的泵管4内部放置活塞11；泵管4另一端与高压锥段5连接；泵管4侧壁中部上方开通气孔，用于实验时将泵管4内部抽真空，然后冲入压力在0.1MPa～1.0MPa之间的轻质气体。
高压锥段5内径呈锥形状逐渐变窄，直径缩小比值为2.5～4.5，大径与泵管4直径相同，小径与发射管6直径相同；小径一端与发射管6连接，连接处设有发射管膜片12和发射管破膜器13；高压锥段5两端连接依靠液压油泵压紧密封。
发射管6为直筒式结构，内部近发射管膜片12处放置弹丸14，另一端位于靶室7内。
磁测速装置8安装在发射管6末端，通过Q9线与示波器相连，产生的信号用示波器采集，从而得到弹丸14的速度。
靶室7开有多个观察窗15，便于实验观察或者从内部连接测试线出来；靶室7上方开通气孔，实验时将靶室7和发射管6内部抽真空。
泵管膜片9和发射管膜片12均为中间预开凹槽的圆形金属膜片，厚度在2～8mm，泵管膜片9直径与泵管4直径的比值在1.2～1.4之间，发射管膜片12直径与发射管6直径的比值在2.0～2.5之间，泵管膜片9和发射管膜片12的破膜压力根据预开凹槽的深度而定，根据实验要打出的速度和充入气体的压力不同选择凹槽深度不同的膜片。
参见附图2，注气装置2包括：惰性气瓶21、氧气瓶22以及氢气瓶23；惰性气瓶21、氧气瓶22以及氢气瓶23均连接至带有压力表24和阀门26的管路25；管路25通过阀门26与燃烧室1的注气孔连接；注气装置2在燃烧室1抽真空后，通过注气孔向燃烧室1内部充入比例为1：1的氢气和氧气，特别是要继续充入一定比例的惰性气体，经点火后以反应剩余的氧气和惰性气体为介质进行驱动，这样既保证了驱动所需要的介质，又有效的减轻了炮管腐蚀现象。
点火装置3安装在燃烧室1一侧端面上，用螺母固定；点火装置主要材料为热爆丝，经通电点火后可保证氢氧混合气体在燃烧室内形成爆轰波，使膜片破裂，形成驱动力。
参见附图3，泵管破膜器10是一个内部开直筒孔的圆形环，直径与泵管4直径相同，直接接触破裂后的泵管膜片9，可以取下和更换，起到保护泵管4内表面和实验后便于取下膜片的作用。
参见附图4，发射管破膜器13是一个内部开锥形孔的圆形垫环，内表面大径与发射管膜片12的凹槽长度相等，小径与发射管6直径相同，可以取下和替换，膜片破裂后直接粘连在发射管破膜器13上，既保护了发射管6内径，又便于在实验后取出膜片。
实验时，首先将燃烧室1、泵管4、高压锥段5、发射管6、靶室7抽至真空，然后注气装置2通过燃烧室1注气孔向其内部充入比例为1：1的氢气和氧气，特别是要继续充入设定量的惰性气体；通过泵管4通气孔向其内部充入设定压力的轻质气体。经点火后，氢氧瞬间反应形成爆燃，反应释放的能量瞬间将剩余的氧气和惰性气体变成高温高压气体，使泵管膜片9破裂后推动活塞11向前运动，活塞压缩泵管4内部的轻质气体，通过高压锥段5后形成极高温高压气体，当气体达到发射管膜片12破膜压力后膜片破裂，高压轻质气体推动弹丸14在发射管6内部加速，最后达到预期速度着靶。
本例中，燃烧室2内部空间160mm×1200mm，气室容积24L，与泵管4相连一侧开口直径110mm，内部充入的惰性气体选用氮气。泵管4直径110mm，内部充入的轻质气体选用氢气；泵管膜片9厚度为5mm，直径138mm，凹槽长102mm。高压锥段5的锥角为15度，大径110mm，小径30mm。发射管6内径30mm，发射管膜片12厚度5mm，直径70mm，凹槽长34mm。
表一给出了在数值模拟中本发明的弹道预估速度：
序号 气室氢压MPa 弹丸重量g 释放压力MPa 炮口弹速km/s 历时ms
1 0.473 22 60 3.232 37.4
2 0.498 22 60 3.37 36.4
3 0.622 22 60 3.767 32.3
4 0.809 22 60 4.381 28.6
5 0.995 22 60 4.807 26.1
6 1.244 22 100 5.323 23.8
7 1.617 22 100 5.881 21.4
8 1.929 22 100 6.086 19.9
9 2.239 22 100 6.459 18.6
10 2.489 22 100 6.669 17.8
11 2.737 22 100 6.796 17.0
12 3.772 22 100 7.044 16.3
13 2.986 13 100 7.900 16.2
14 3.235 27 100 6.925 15.8
表二给出了本发明的部分实测弹道速度：
可见，降低弹丸质量，充入更高的燃烧室氢压，就可打出更高的弹速，达到7.9km/s甚至8km/s以上的速度都是可以实现的。
值得提醒的是，操作人员在向燃烧室充入氢氧时佩戴防静电手环，保障充气安全，注意务必要将手环连接地线。充气时要严格遵守操作规范，操作人员全部移除身上的电子设备，并佩戴上防静电手环，严格按照先充入氢气，后冲入氧气，最后充入惰性气体的顺序进行充气。

Claims (5)

1.一种以氢能驱动的二级轻气炮，其特征在于，该二级轻气炮以氢氧混合气体爆轰作为驱动，它包括：燃烧室(1)、注气装置(2)、点火装置(3)、泵管(4)、高压锥段(5)、发射管(6)、靶室(7)以及磁测速装置(8)；
所述燃烧室(1)为桶状结构，其开口端连接所述泵管(4)，封闭端中心处设有所述点火装置(3)；所述燃烧室(1)的侧壁设有注气孔，所述注气装置(2)通过该注气孔按设定顺序向所述燃烧室(1)内充入氢气、氧气和惰性气体；所述点火装置(3)经通电点火后使氢氧混合气体在所述燃烧室(1)内形成爆轰波进行驱动；
所述泵管(4)为直筒形结构，在其与所述燃烧室(1)连接处设置有泵管膜片(9)和泵管破膜器(10)；所述泵管(4)侧壁开有用于抽真空的通气孔；
所述高压锥段(5)的大端与所述泵管(4)连接，小端与所述发射管(6)连接；
所述发射管(6)为直筒形结构，在其与所述高压锥段(5)的连接处设有发射管膜片(12)和发射管破膜器(13)；所述发射管(6)的另一端位于所述靶室(7)内；
所述靶室(7)设有观察窗(15)以及真空抽气孔；
所述磁测速装置(8)安装在所述发射管(6)的末端，并连接示波器；
在所述泵管(4)内靠近所述泵管膜片(9)处放置活塞(11)；在所述发射管(6)内靠近所述发射管膜片(12)处放置弹丸(14)；
所述燃烧室(1)、所述泵管(4)以及所述高压锥段(5)的内表面进行镀铬处理。
2.如权利要求1所述的一种以氢能驱动的二级轻气炮，其特征在于，所述注气装置(2)包括：惰性气瓶(21)、氧气瓶(22)以及氢气瓶(23)；所述惰性气瓶(21)、所述氧气瓶(22)以及所述氢气瓶(23)均连接至带有压力表(24)和阀门(26)的管路(25)；所述管路(25)与所述燃烧室(1)侧壁的注气孔连接。
3.如权利要求1或2所述的一种以氢能驱动的二级轻气炮，其特征在于，所述高压锥段(5)的两端分别依靠液压油泵与所述泵管(4)、所述发射管压紧密封。
4.如权利要求1或2所述的一种以氢能驱动的二级轻气炮，其特征在于，所述泵管膜片(9)和所述发射管膜片(12)均为端面中间预开槽的圆形金属膜片。
5.如权利要求1或2所述的一种以氢能驱动的二级轻气炮，其特征在于，所述泵管破膜器(10)为中心开有圆孔的圆环；所述发射管破膜器(13)为中心处开有锥形孔的圆环垫片。
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