CN111288842A - 一种超临界二氧化碳气体炮 - Google Patents

一种超临界二氧化碳气体炮 Download PDF

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郭宝亭
刘红蕊
李佳琦
高金海
冯引利
孙涛
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Abstract

本发明公开了一种超临界二氧化碳气体炮,可用于抗震救灾,灭火救援等应用场合。该气体炮由炮车与炮身两大主要部件组成,其中炮身又由二氧化碳高压气室、镁粉发热管、膜片、过渡段、炮管以及炮弹本身组成;炮车则由行走轮、车架以及方向调节装置等组成。气体炮的能量来源于镁粉与二氧化碳在加热条件下发生的放热反应,反应生成了氧化镁和碳并放出大量热量,未发生反应的二氧化碳吸收热量,压力迅速增大并冲断膜片推动炮弹。本发明涉及的超临界二氧化碳气体炮结构简单、加工方便、安装简单、安全性较传统火炮更好,适用于非战斗形式的各种破障、驱敌需求,在抢险救灾、部队维稳、部队行军等各种情形中有广阔的应用前景。

Description

一种超临界二氧化碳气体炮
技术领域
本发明属于流体应用技术领域,涉及一种超临界二氧化碳气体炮结构,具体地说,是指一种用超临界二氧化碳作为工质膨胀做功发射弹体的二氧化碳气体炮。
背景技术
气体炮是一种利用气体介质膨胀做功来推动弹体高速运动的发射***,具有高速发射弹丸的能力,它的冲击加载可在固体材料中产生强大的冲击波压力。虽然与常规火炮相比,气体炮威力较小,但是它具有一些常规火炮无法替代的优点:(1)压缩气体炮的通用性强,可发射各型弹药,能够实现多种用途:在道路抢通、保通任务中,可发射动能碎石弹,快速摧毁危岩阻石等障碍物;可发射***弹,诱发可控的雪崩、滑坡,消除道路安全隐患;可发射各类灭火弹和化学药剂弹,用于森林灭火、高层建筑消防和危化品处置;可发射先导缆绳,可用于桥梁和电力线施工。(2)由于压缩气体炮没有炮口焰、弹丸初速高,在特种作战、炮兵部队日常训练等方面具有较大的军事价值。此外,压缩气体炮使用高压气体作为动力源,所用弹药(除***弹外)不含***物质,具有可快速部署、使用成本低、运输储存安全等突出优点。
然而现有气体炮所采用的气体工质多为活跃气体,能量密度较低,且一定程度上存在易燃易***的问题,对环境不友好,存在造成污染或刺激性气体的情况,安全性也有待提高。
发明内容
针对现有气体炮所存在的上述缺陷和不足,本发明的目的在于提供一种超临界二氧化碳气体炮,使用超临界二氧化碳作为工质膨胀做功推动弹体运动,超临界二氧化碳具有能量密度高、气体不活跃、不存在易燃易***问题、且对环境友好,不存在造成污染或刺激性气体等优点,使得本发明的超临界二氧化碳气体炮具有不含任何易燃易爆物质、安全有效、拆装方便等优点,适用于非战斗形式的各种破障、驱敌需求,在抢险救灾、部队维稳、部队行军等各种情形中有广阔的应用前景。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为:
一种超临界二氧化碳气体炮,包括炮车和炮身,所述炮身架设在所述炮车上,其特征在于:
所述炮身至少包括整体呈直线布置的一高压气室和设置在所述高压气室下游的炮管,其中,
所述高压气室的主体部分为一两端开口的气室筒体,所述气室筒体的一端设有封闭堵头,另一端设置一带有中心气流通道的连接端头,
所述气室筒体与连接端头之间至少设置一用于封闭所述中心气流通道的***膜片,所述***膜片上至少设有一圈直径与所述炮管的内径相当的环形凹槽,所述环形凹槽的深度根据预设的起爆瞬间压力进行设置,
所述气室筒体与设置在其两端的封闭堵头、连接端头、***膜片形成一封闭的高压气室腔体,所述高压气室腔体内设有一镁粉发热管,且所述镁粉发热管临近所述封闭堵头设置,所述气室筒体的外壁上设有通过导线与所述镁粉发热管电连接的接电头,所述封闭堵头上设有用以向所述高压气室腔体内充装液态或气液两相状态二氧化碳的充装阀门,所述连接端头的另一端直接连接所述炮管或通过一过渡段与所述炮管连接。
优选地,所述高压气室的材料为高强度结构钢,内表面经过结构优化,满足高压容器设计准则,可容纳300MPa压力级别的超临界二氧化碳。
优选地,所述镁粉发热管包括镁粉药柱,所述镁粉药柱通过设置在所述气室筒体外壁上的接电头与设置在所述高压气室外部的***电连接。起爆时只需启动***,电流即可引燃镁粉药柱,镁粉药柱中的镁粉质量由反应所需求解获得,一般考虑密封性留有两倍以上的质量裕度。
优选地,所述***膜片由高抗剪强度钢材制成,通过设置所述环形凹槽的深度控制所述高压气室的起爆瞬间压力。
优选地,所述过渡段为拉法尔喷管结构,通过所述过渡段的拉法尔喷管以提升流体速度,进而提高炮弹出口初速。
优选地,所述炮管为直筒结构,其一端通过半螺纹与所述高压气室的连接端头直接连接或通过所述过渡段与所述高压气室的连接端头间接连接,所述炮管的内径与炮弹的外径相当。
优选地,所述连接端头的中心气流通道,其内径与所述炮管的内径相同。
优选地,所述筒体与封闭堵头、连接端头之间的连接,以及所述连接端头与炮管或与过渡段之间的连接,均为半螺纹连接,以便于拆卸。该连接方式较传统螺纹连接拆装更加高效,单人即可进行操作。
本发明的超临界二氧化碳气体炮,由炮车和炮身两大主要部件组成,炮车为炮身提供支撑、移动、瞄准的平台,并承受一部分后座力。炮身为炮的主体结构,提供所述气体炮的主要功能。
优选地,所述炮车包括车架,所述车架下方设有行走轮,所述车架上方设有方向调节装置,所述炮身通过所述方向调节装置架设在所述炮车,所述方向调节装置用以调节所述炮身的高度和俯仰角度。
进一步地,所述行走轮配置橡胶轮胎,抬起车架后可由单人在平坦路面推行;所述车架为钢结构,其所要实现的功能为推动平台以及承受部分后座力,因此该车架经过强度与疲劳评估,可承受10吨级的后座力冲击;所述方向调节装置包括水平方向调节单元以及高低方向调节单元,分别用以调节炮口水平及高低方向的准星,其中高低方向调节单元设有制动阀,通过所述制动阀可锁紧炮口的高低方向。
本发明的超临界二氧化碳气体炮,其工作热力过程包括了等熵压缩、等容吸热以及等熵膨胀三个阶段,对应的工作流程为向高压气室充装液态(或气液两相)二氧化碳、连接***发生反应在高压气室中吸热增压、膜片被剪破,超临界状态的二氧化碳向炮管中膨胀推动炮弹飞出等三个步骤。
同现有技术相比,本发明的超临界二氧化碳气体炮具有显著的优点:
(1)本发明的超临界二氧化碳气体炮,使用超临界二氧化碳作为工质膨胀做功推动弹体运动,具有能量密度高、气体不活跃、不存在易燃易***问题、且对环境友好,不存在造成污染或刺激性气体等优点。
(2)本发明的超临界二氧化碳气体炮,能量来源于镁粉与二氧化碳在加热条件下发生的放热反应,反应生成了氧化镁和碳并放出大量热量,未发生反应的二氧化碳吸收热量,压力迅速增大并冲断膜片推动炮弹。
(3)本发明的超临界二氧化碳气体炮结构简单、加工方便、安装简单、安全性较传统火炮更好,适用于非战斗形式的各种破障、驱敌需求,在抢险救灾、部队维稳、部队行军等各种情形中有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的超临界二氧化碳气体炮的整体装配示意图;
图2为方向调节装置的结构示意图;
图3为本发明的超临界二氧化碳气体炮的整体装配俯视图;
图4为高压气室的结构示意图;
附图标记:1、水平方向调节单元;2、高低方向调节单元;3、车架;4、封闭堵头;5、气室筒体;6、气室提手装置;7、高低调节制动装置;8、过渡段;9、炮管;10、支撑连接结构;11、行走轮;12、辅助提手部件;13、接电头;14、连接端头;15、***膜片;16、镁粉发热管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中,自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。下面结合附图(图1~图4)对本发明的实施例进行详细说明。
如图1所示,本发明的超临界二氧化碳气体炮,由炮车与炮身两大主要部件组成。其中,如图4所示,炮身包括整体呈直线布置的高压气室和设置在高压气室下游的炮管9,高压气室的主体部分为一两端开口的气室筒体5,气室筒体5的一端设有封闭堵头4,另一端设置一带有中心气流通道的连接端头14;气室筒体5与连接端头14之间设置一用于封闭中心气流通道的***膜片15,***膜片15上至少设有一圈直径与炮管的内径相当的环形凹槽,环形凹槽的深度根据预设的起爆瞬间压力进行设置;气室筒体5与设置在其两端的封闭堵头4、连接端头14、***膜片15形成一封闭的高压气室腔体,高压气室腔体内设有一镁粉发热管16,且镁粉发热管16临近封闭堵头4设置,气室筒体5的外壁上设有通过导线与镁粉发热管电连接的接电头13,封闭堵头4上设有用以向高压气室腔体内充装液态或气液两相状态二氧化碳的充装阀门,连接端头14的另一端直接连接炮管9或通过一过渡段8与炮管9连接。过渡段上设置有数个反冲气孔,即两个倒斜角的圆形孔,该孔可喷射一定量的反冲气流,从而降低后座力,为炮架分解一部分后座。该反冲气孔有内螺纹,可由外径12mm的螺栓密封。可根据后座力设置要求,调整密封的孔个数。膜片在充装、吸热阶段起到密封作用,在***、膨胀阶段起到阀门作用。膜片表面有挖槽,其中起主要作用的是一圈环形槽,直径与炮管内径相当。控制该槽深度即可控制起爆瞬间高压气室的压力,从而控制炮弹出口速度。
如图4所示,为方便气体炮的携带,气室筒体5两端的封闭堵头4、连接端头14上均设有辅助提手部件12,气室筒体5的外壁上设有气室提手装置6。如图1所示,为提高炮身连接的稳定性,过渡段8与炮管9之间还设有支撑连接结构10。该部件由两个卡环(分别卡住炮管与连接段外端壁)与卡环桥构成。该连接部分的作用为支撑炮管,提升连接刚度以及提高拆装效率。
在工作时,炮弹置于炮管9内部左端,炮弹的外径与炮管9的内径相当。***膜片15设置在气室筒体5与连接端头之间,在***瞬间,***膜片15被流体高压冲破,高温高压的超临界二氧化碳流体从气室冲出,首先进入加速段加速,进而进入炮管9,推动弹丸运动,直至冲出炮管。
***压力的关系可由***膜片15的厚度确定,首先从材料手册查得膜片的剪切强度,由胡克定律推导可以得到固定厚度膜片对应的二氧化碳***压力。
高压气室内,液态或气液两相状态二氧化碳的充填压力与温度可由灌装机传感器测得,作为吸热初始状态点1,再由***压力可以根据等容吸热过程得到***状态点2,进而根据膨胀体积为过渡段加炮管体积可以得到膨胀后的密度得到膨胀状态点3。根据等熵膨胀的技术功公式可以计算2到3点的可利用技术功。根据试验结果,该炮可利用的技术功利用率在0.3左右。
炮管9由高强度钢材加工,端部为与高压气室(或过渡段8)连接有外螺纹结构。从使用寿命和不易生锈考虑,选用炮钢材料制造发射管。炮管长度大都超过同口径火炮炮管长度的2倍~4倍(可提高初速)。选用制式口径,一级气体炮的发射管用几段管子连接,采用半螺纹连接方式,两管之间有密封圈,采用"0"形橡胶圈的密封方式。旋紧使两管靠拢,将断面为圆形的橡胶圈挤压成菱形。这种密封方式足以承受300MPa的工作气体压强,又可在***抽真空时起到真空密封的作用。为了保证两段管子连接的同心度,在管子内壁留有止口过渡段。为防止气体泄漏,连接处有封严装置;在靠近高压气室一端为方便与高压气室旋紧有两边扁平结构。为改善炮管材料性能,整体进行热处理过程;在底部与膜片接触位置指定粗糙度。
高压气室形成为高压容器,高压容器由高强度钢材加工,经过结构分析满足高压条件下的抗压需求。高压气室内通常含有释放机构,气室容积由弹道计算决定,气室内径一般是发射管内径的2倍~3倍。按此比例设计得到的弹丸速度,比气室与发射管等内径情况下的要高。***膜片15为压力开关,临界压力选用为设计释放压力。***膜片5起着隔离高压气体和迅速开启的作用。注气时它应保证气体不向发射管端泄漏,放气时它能迅速打开。***膜片15为可拆卸可更换结构,每发射一次需从整体旋出炮管,重新更换膜片。在本结构气室中,罐装的二氧化碳质量在0.4kg-1.4kg之间,膜片厚度在1.5mm-5mm之间,可以得到200-600m/s的炮弹出口速度,炮弹质量为1kg左右,为实心锥头弹。
过渡段8安装在高压气室与炮管9之间,如无加速需求可不装。过渡段9为拉伐尔喷管设计,以增大流体流动速度。
使用中,可根据发射的弹速弹重的需求,调整超临界二氧化碳的热力学循环状态点,并根据实际需要调整二氧化碳工质的质量,进一步调整压力容器设计;若初速不满足要求则可考虑加入过渡段以提高超临界流体的速度。
图2为图1中A-A截面的截面图,为本气体炮炮车中主要部件方向调节装置示意图。本气体炮中的方向调节装置分为水平方向调节单元和高低方向调节单元。其中1为水平方向调节单元,由一对垂直啮合的齿轮实现水平转向的功能。由于水平方向摆动较小,故在该方向不设调整制动装置,可适当加大调整阻力,防止其在发射时的水平方向摆动。2为高低方向调节单元,整个炮身可由其为轴,沿高低方向摆动±15°的位置。由于发射时气体炮会在该方向有较大摆动,故设置了高低方向的高低调节制动装置7,该装置与调节装置垂直啮合,旋紧可抑制该方向的调节。
图3为气体炮整体装配图的俯视图,通过俯视图可更清晰的确定车身即炮身结构。总体上说:炮身各组件为一贯式半螺纹连接的直筒结构,炮架为锥形加加强梁的防反冲结构。
图4为炮身左部除炮管与过渡段外的核心部分,据图所示,镁粉药柱卡于右端头上固定,并由导线与气室筒体5右侧的接电头连接,通过该接电头可与***连接,引燃镁粉药柱,升温升压,冲破膜片,触发气体炮。因此,***作为该炮的开关装置,实现微弱电流输入,引燃药柱。而***膜片15卡于连接端头与气室筒体5之间,破裂后流体依次流经连接端头14、过渡段8与炮管9,最后在弹丸飞出后流入环境。
以上所述实施例,仅为本发明的具体实施方式,用以说明本发明的技术方案,而非对其限制,本发明的保护范围并不局限于此,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改、变化或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种超临界二氧化碳气体炮,包括炮车和炮身,所述炮身架设在所述炮车上,其特征在于:
所述炮身至少包括整体呈直线布置的一高压气室和设置在所述高压气室下游的炮管,其中,
所述高压气室的主体部分为一两端开口的气室筒体,所述气室筒体的一端设有封闭堵头,另一端设置一带有中心气流通道的连接端头,
所述气室筒体与连接端头之间至少设置一用于封闭所述中心气流通道的***膜片,所述***膜片上至少设有一圈直径与所述炮管的内径相当的环形凹槽,所述环形凹槽的深度根据预设的起爆瞬间压力进行设置,
所述气室筒体与设置在其两端的封闭堵头、连接端头、***膜片形成一封闭的高压气室腔体,所述高压气室腔体内设有一镁粉发热管,且所述镁粉发热管临近所述封闭堵头设置,所述气室筒体的外壁上设有通过导线与所述镁粉发热管电连接的接电头,所述封闭堵头上设有用以向所述高压气室腔体内充装液态或气液两相状态二氧化碳的充装阀门,所述连接端头的另一端直接连接所述炮管或通过一过渡段与所述炮管连接。
2.根据上述权利要求所述的超临界二氧化碳气体炮,其特征在于,所述镁粉发热管包括镁粉药柱,所述镁粉药柱通过设置在所述气室筒体外壁上的接电头与设置在所述高压气室外部的***电连接。
3.根据上述权利要求所述的超临界二氧化碳气体炮,其特征在于,所述***膜片由高抗剪强度钢材制成,通过设置所述环形凹槽的深度控制所述高压气室的起爆瞬间压力。
4.根据上述权利要求所述的超临界二氧化碳气体炮,其特征在于,所述过渡段为拉法尔喷管结构,通过所述过渡段的拉法尔喷管以提升流体速度,进而提高炮弹出口初速。
5.根据上述权利要求所述的超临界二氧化碳气体炮,其特征在于,所述炮管为直筒结构,其一端通过半螺纹与所述高压气室的连接端头直接连接或通过所述过渡段与所述高压气室的连接端头间接连接,所述炮管的内径与炮弹的外径相当。
6.根据上述权利要求所述的超临界二氧化碳气体炮,其特征在于,所述连接端头的中心气流通道,其内径与所述炮管的内径相同。
7.根据上述权利要求所述的超临界二氧化碳气体炮,其特征在于,所述筒体与封闭堵头、连接端头之间的连接,以及所述连接端头与炮管或与过渡段之间的连接,均为半螺纹连接。
8.根据上述权利要求所述的超临界二氧化碳气体炮,其特征在于,所述炮车包括车架,所述车架下方设有行走轮,所述车架上方设有方向调节装置,所述炮身通过所述方向调节装置架设在所述炮车,所述方向调节装置用以调节所述炮身的高度和俯仰角度。
9.根据权利要求8所述的超临界二氧化碳气体炮,其特征在于,所述行走轮配置橡胶轮胎,所述车架为钢结构,所述方向调节装置包括水平方向调节单元以及高低方向调节单元,分别用以调节炮口水平及高低方向的准星,其中所述高低方向调节单元设有制动阀,通过所述制动阀可锁紧炮口的高低方向。
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