CN115855701A - 基于氢氧爆轰驱动的三级轻气炮加载实验*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于氢氧爆轰驱动的三级轻气炮加载实验***，不仅能够满足高速加载的实验需求，且采用全新的二级高压锥段组件，通过碰撞泄压防止高速碎片反溅，有效保护二级段泵管，由此能够大大降低实验成本，并提高实验***的安全性。该加载实验***中，一级高压锥段采用“先入锥、再破膜”的形式；由于二级泵管内活塞速度更高，故将二级高压锥段组件改装成“先破膜、再入锥”的结构，延长了弹丸底部压力的作用时间，能够进一步提高弹丸的发射速度，进而提高加载速度。此外采用全新结构的二级高压锥段组件，二级高压锥段组件通过碰撞泄压防止高速碎片反溅，有效保护二级段泵管。

Description

基于氢氧爆轰驱动的三级轻气炮加载实验***

技术领域

本发明涉及一种加载实验***，具体涉及一种基于氢氧爆轰驱动的三级轻气炮加载实验***，属于超高速碰撞加载试验技术领域。

背景技术

在实验室条件下，轻气炮作为超高速碰撞主要加载实验技术被广泛应用于航天器防护、小行星碰撞、动能武器研制等领域，对测试高应变率下材料的响应力学、化学等特性研究工作具有重要意义。近年来，轻气炮以其弹丸形状、材料、尺寸的灵活适配性、加载及发射速度易调整性等优势成为该领域最为通用的高速、超高速试验加载单元。

尤其在航天器防护领域，由于空间碎片和航天器都处于超高速飞行状态，空间碎片对航天器的碰撞会导致结构的损伤甚至破坏；为研究航天器不同防护方案的实际效果，需要在地面进行模拟实验，常通过爆轰驱动的方式，产生高速加载移动的弹丸，并使弹丸与防护结构进行撞击实验，来模拟防护方案对空间碎片的防护性能。

常见轻气炮类型为一级、二级轻气炮，公开的二级轻气炮有：二级包括美国加州理工学院与NASA共建的轻气炮（以火药驱动）、东京工业大学的轻气炮（以火药驱动）、意大利帕多瓦大学的轻气炮（以压缩氦气驱动）以及北京理工大学张庆明团队的轻气炮（以氢氧混合爆轰驱动）。二级轻气炮可将设定质量的弹丸加载到2～7km/s。

二级轻气炮发射速度受到一定局限，不适用于模拟超高速太空碎片撞击、小行星撞击等方面的研究，进而发明了三级轻气炮。与一级、二级轻气炮不同，三级轻气炮采用三级驱动方式。在国外，加拿大大学McGill University和美国研究机构University ofDaytonResearch Institute分别研制了一门以火药为驱动的三级轻气炮，发射速度可达10km/s左右。在国内，西北核技术研究所林俊德等人研制了一种以压缩氮气为驱动的三级轻气炮，稳定发射速度可达8km/s。北京理工大学张庆明团队研制的以氢氧爆轰为驱动的三级轻气炮，发射速度可达18km/s。但是由于其二级活塞的速度可达5～8km/s，对二级高压锥段的设计造成了极大的难度。由于二级段泵管制造成本较高，在实际使用过程中，仿照一级高压锥段设计的二级高压锥段，二级活塞碰撞产生的高速碎片反溅易损坏二级段泵管，存在使用成本高、安全性差等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于氢氧爆轰驱动的三级轻气炮加载实验***，不仅能够满足高速加载的实验需求，且采用全新的二级高压锥段组件，具备碰撞泄压功能，防止高速碎片反溅，从而有效保护二级段泵管，由此能够大大降低实验成本，并提高实验***的安全性。

基于氢氧爆轰驱动的三级轻气炮加载实验***，包括：加载单元和碰撞靶室；

所述加载单元为基于反应气体爆轰驱动的三级轻气炮，包括：依次同轴相连的反应室、一级段泵管、一级高压锥段、二级段泵管、二级高压锥段组件和三级发射管；

所述反应室上设置有点火装置以及用于和注气装置相连的注气孔；

所述一级段泵管与反应室的连接处设置有膜片I和破膜器I；一级段泵管内部靠近破膜器I处放置活塞I；

所述二级段泵管与一级高压锥段的连接处设置有膜片Ⅱ和破膜器Ⅱ，二级段泵管内部靠近破膜器Ⅱ处放置活塞Ⅱ；

所述二级段泵管与二级高压锥段组件的连接处设置膜片Ⅲ和破膜器Ⅲ；

所述二级高压锥段组件与三级发射管内部相连的一端放置弹丸；所述二级高压锥段组件具备泄压功能；

所述三级发射管的发射端伸入碰撞靶室；发射端的端部安装有磁测速装置；碰撞靶室内部磁测速装置的前方依次设置有弹托分离装置和靶板。

作为本发明的一种优选方式，所述二级高压锥段组件包括：二级段泵管过渡段、二级高压锥段部件A和二级高压锥段部件B；

所述二级段泵管通过二级段泵管过渡段与所述二级高压锥段组件相连；

所述二级高压锥段部件A的一端与所述二级段泵管过渡段同轴对接，另一端与所述二级高压锥段部件B同轴对接；二级高压锥段部件B的另一端与三级发射管密封对接；

所述二级高压锥段部件A的中心孔包括柱形孔和锥形孔，且柱形孔和锥形孔之间具有台阶面；所述柱形孔设置在与二级段泵管过渡段相连的一端，锥形孔的大端与柱形孔相连；所述二级高压锥段部件A的柱形孔内通过膜片限位环限位有膜片Ⅲ和破膜器Ⅲ；

所述二级高压锥段部件A与二级高压锥段部件B的对接端之间间隙配合；所述二级高压锥段部件A在该对接端的端面中心具有凹槽，二级高压锥段部件B在该对接端的端面中心对应具有与所述凹槽配合的凸起；通过所述凹槽和凸起的配合实现所述二级高压锥段部件A与二级高压锥段部件B对接处中心孔的密封；

所述弹丸放置在二级高压锥段部件B对接端凸起所在位置的中心孔内；所述二级高压锥段部件B的内径与三级发射管内径相同。

作为本发明的一种优选方式：所述二级高压锥段组件还包括扩散室；

所述二级段泵管过渡段以及二级高压锥段部件A、二级高压锥段部件B的***设置有密封的扩散室，所述扩散室上设置有用于抽真空的通气孔。

作为本发明的一种优选方式：所述二级高压锥段组件还包括压紧组件；

所述发射管位于扩散室内部的外圆周设置有前法兰，所述前法兰与扩散室内端面抵触；所述二级段泵管过渡段外圆周具有轴肩，在该轴肩与所述前法兰之间沿周向均匀间隔分布的多根丝杠形成压紧组件。

作为本发明的一种优选方式，所述二级段泵管过渡段采用内筒和外筒套装且过盈配合的结构形式；所述内筒同轴套装在外筒内部，一端与外筒的端面平齐；另一端与伸入外筒内部的二级段泵管密封对接；所述二级段泵管与所述外筒固接；所述内筒的内径与所述二级段泵管的内径相同。

作为本发明的一种优选方式，所述发射管采用两段式，包括同轴对接的发射管段A和发射管段B；

所述发射管段A一端伸入所述扩散室与所述二级高压锥段部件B同轴对接，另一端与发射管段B同轴对接。

作为本发明的一种优选方式，所述扩散室上的通气孔通过抽真空管路与碰撞靶室连通，由此在对碰撞靶室抽真空的同时，完成对扩散室的抽真空。

作为本发明的一种优选方式，所述碰撞靶室配有两套法兰接口，一套用于和三级发射管相连，此时所述加载单元为基于氢氧爆轰驱动的三级轻气炮；另一套用于和所述二级段泵管相连，此时所述加载单元为基于氢氧爆轰驱动的二级轻气炮。

作为本发明的一种优选方式，所述注气装置包括：惰性气瓶、氧气瓶以及氢气瓶；所述惰性气瓶、所述氧气瓶以及所述氢气瓶均连接至设置有压力表和阀门的注气管路；所述注气管路与所述反应室上的注气孔连接。

有益效果：

（1）本发明的加载实验***中，一级高压锥段采用“先入锥、再破膜”的形式；由于二级泵管内活塞速度更高，故将二级高压锥段组件改装成“先破膜、再入锥”的结构，延长了弹丸底部压力的作用时间，能够进一步提高弹丸的发射速度，进而提高加载速度。

（2）本发明的加载实验***中，采用全新结构的二级高压锥段组件，二级高压锥段组件通过碰撞泄压的方式防止高速碎片反溅，从而有效保护二级段泵管；由此使得该加载实验***既能实现世界领先水平的发射速度，又能大大降低发射成本，提高了该实验***的实用性。

（3）本发明的加载实验***中，通过扩散室设计，阻止泄压后的高温高压气体、碎片进一步向外扩散，提高了实验***的安全性。

（4）本发明的加载实验***中，三级轻气炮中的三级发射管采用分段式结构，能够节约试验成本，避免三级发射管部分破损时需整体更换而增加试验成本。

（5）本发明的加载实验***中，碰撞靶室配有两套法兰接口，一套用于和三级发射管相连，此时所述加载单元为基于氢氧爆轰驱动的三级轻气炮；另一套用于和所述二级段泵管相连，此时所述加载单元为基于氢氧爆轰驱动的二级轻气炮；由此能够实现二级轻气炮和三级轻气炮的快速转换。

（6）本发明的加载实验***中，三级轻气炮使用氢氧混合气体作为驱动源，相比使用火药驱动，明显规避了火工品危害大、难存储、不稳定、难清洗、重污染、高成本等缺点，使用清洁能源；同时提高轻气炮性能，使试验更加经济、节能、高效，便于轻气炮的推广和使用。

（7）本发明的加载实验***中，采用三级轻气炮作为加载单元，相比于高压氮气驱动的轻气炮在驱动弹丸质量方面，可稳定驱动质量等于或略大于1g的弹丸，提升了发射弹丸质量；在制造工艺难度方面，当弹丸有着同等出炮速度时，本发明反应室所需气压明显低于高压氮气驱动的一级气室所需气压，大幅降低了轻气炮的制造工艺难度与成本；在加载性能方面，具有相同制造工艺、耐压强度和弹丸质量的情况下，本发明能够覆盖加载更宽的速度范围。

附图说明

图1为本发明的加载实验***的结构示意图；

图2为本发明中二级高压锥段组件的结构示意图；

图3为本发明中注气装置的结构示意图；

图4为本发明中破膜器Ⅰ的结构示意图；

图5为本发明中破膜器Ⅱ和破膜器Ⅲ的结构示意图；

其中：1-反应室，2-点火装置，3-注气装置，4-一级段泵管，5-一级高压锥段，6-二级段泵管，7-二级高压锥段组件，8-三级发射管，9-碰撞靶室，10-磁测速装置，11-膜片Ⅰ，12-破膜器Ⅰ，13-活塞Ⅰ，14-膜片Ⅱ，15-破膜器Ⅱ，16-活塞Ⅱ，17-膜片Ⅲ，18-破膜器Ⅲ，19-弹丸，20-观察窗，21-弹托分离装置，22-靶板；31-惰性气瓶，32-氧气瓶，33-氢气瓶，34-压力表，35-注气管路，36-阀门；61-螺母，62-二级段泵管过渡段，63-扩散室，71-二级高压锥段部件A，72-二级高压锥段部件B，73-膜片限位环，74-丝杠，75-二级高压锥段底座，81-前法兰，82-密封环，83-抽真空管路，84-发射管段A，85-发射管段B。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。

实施例1：

本实施例提供一种基于氢氧爆轰驱动的三级轻气炮加载实验***，利用高温轻质气体反应做功（高温低分子量气体膨胀做功）的方法来驱动弹丸使之获得极高发射速度以进行加载，进而测试高应变率下材料的响应力学、化学等特性，试验表明，该加载实验***能够使弹丸获得10km/s以上的发射速度。

如图1所示，该加载实验***包括：加载单元和碰撞靶室9；其中加载单元为基于氢氧爆轰驱动的三级轻气炮，包括：反应室1、点火装置2、注气装置3、一级段泵管4、一级高压锥段5、二级段泵管6、二级高压锥段组件7、三级发射管8和弹丸19。

反应室1为筒状结构，反应室1一端中心处设有开孔，开孔处使用螺母固定点火装置2。本例中采用热爆丝作为点火装置2的主要材料，可通过点火操作使反应室1内的反应气体（该反应气体优选为氢气和氧气，但也可以为其它反应气体）发生燃烧、形成爆轰波，以驱动活塞或弹丸19前进。

反应室1另一端与一级段泵管4同轴连接，一级段泵管4依靠其上的大螺母与反应室1的螺纹连接并压紧，达到密封反应室1的目的。反应室1外圆周面的上方设有注气孔，注气装置3通过注气孔向反应室1依次充入设定比例的氢氧混合气体气和惰性气体作为反应气体。

一级段泵管4、二级段泵管6和三级发射管8均为直筒式结构。其中一级段泵管4与反应室1同轴相连，并在连接处设置有膜片I11和破膜器I12，负责控制设置在一级段泵管4内的活塞I13的启动时间，其中活塞I13设置在一级段泵管4内部靠近破膜器I12的位置。一级段泵管4中部外圆周面的上方设有注气孔，在试验开始时将一级段泵管4内部进行抽真空处理，并向其充入压力范围为0.1MPa～1.0MPa的轻质气体。

一级高压锥段5用于连接一级段泵管4和二级段泵管6，一级高压锥段5两端依靠液压油泵压紧密封。一级高压锥段5的大端与一级段泵管4相连，小端与二级段泵管6相连。一级高压锥段5的锥角在5°至25°之间；一级高压锥段5的大端直径与一级段泵管4直径相同，小端直径与二级段泵管6直径相同。一级高压锥段5与二级段泵管6的连接处设置有膜片Ⅱ14和破膜器Ⅱ15。由此可知，一级高压锥段5采用的为“先入锥、再破膜”的形式。

二级段泵管6用于连接一级高压锥段5和二级高压锥段组件7，在其内部靠近破膜器Ⅱ15处放置活塞Ⅱ16。二级段泵管6中部外圆周面的上方设有注气孔，在试验开始时将二级段泵管6内部进行抽真空处理，并向其充入0.1MPa～1.0MPa压力的轻质气体。

二级高压锥段组件7具有锥形内孔段，其锥形内孔段的大端与二级段泵管6相连，小端与三级发射管8相连，且二级高压锥段组件7锥形内孔段的大端直径与二级段泵管6直径相同，小端直径与三级发射管8直径相同；二级高压锥段组件7的两端依靠液压油泵压紧密封。

与一级高压锥段5的入锥方式不同，二级高压锥段组件7采用“先破膜、再入锥”的方式，因此在二级段泵管6和二级高压锥段组件7之间的连接处设置膜片Ⅲ17和破膜器Ⅲ18。由于二级泵管6内活塞Ⅱ16的速度更高，二级高压锥段组件7 采用“先破膜、再入锥”的结构，能够延长弹丸19底部压力的作用时间，进一步提高弹丸19的发射速度。

三级发射管8也为直筒式结构，一端与二级高压锥段组件7相连；三级发射管8内部与二级高压锥段组件7相连的一端放置弹丸19。

三级发射管8的另一端为发射端，其发射端伸入碰撞靶室9。三级发射管8发射端的端部安装有磁测速装置10，磁测速装置10与示波器相连，产生的信号用示波器采集，从而得到弹丸19的速度。碰撞靶室9内部磁测速装置10的前方安装有弹托分离装置21，用于实现弹托、弹丸的分离。在碰撞靶室9内部弹托分离装置21前方设置靶板22。

碰撞靶室9上方侧壁开有通气孔，用于其和三级发射管8内部抽真空。同时碰撞靶室9上开有多个观察窗20，用于观察弹丸19的飞行姿势、撞击情况或连接试验测数据。

本例中二级高压锥段组件7具备碰撞泄压功能，以防止高速碎片反溅；如图2所示，二级高压锥段组件7包括：二级高压锥段部件A71、二级高压锥段部件B72、扩散室63和压紧组件；同时为保护二级段泵管6，提高二级段泵管6的使用寿命，设置了二级段泵管过渡段62，二级段泵管过渡段62采用嵌套式结构保护二级段泵管6；具体的：在二级段泵管6与二级高压锥段组件7相连的一端设置有二级段泵管过渡段62，二级段泵管6的端部伸入二级段泵管过渡段62的中心孔内，并通过螺母61实现与二级段泵管过渡段62的固接。

为提高二级段泵管过渡段62的材料强度，二级段泵管过渡段62采用内筒和外筒套装且过盈配合的结构形式；内筒同轴套装在外筒内部，一端与外筒的端面平齐，另一端与伸入外筒内部的二级段泵管6密封对接；二级段泵管6通过螺母61与外筒固接。内筒的内径与二级段泵管6的内径相同。

二级高压锥段部件A71的一端与二级段泵管过渡段62同轴对接，另一端与二级高压锥段部件B72同轴对接。二级高压锥段部件A71的中心孔包括柱形孔和锥形孔，且柱形孔和锥形孔之间具有台阶面；柱形孔设置在与二级段泵管过渡段62相连的一端，锥形孔的大端与柱形孔相连，该锥形孔即为二级高压锥段组件7的锥形内孔段。二级高压锥段部件A71的柱形孔内通过膜片限位环73限位有膜片Ⅲ17和破膜器Ⅲ18，即膜片Ⅲ17和破膜器Ⅲ18位于限位环73与二级高压锥段部件A71中心孔的台阶面之间。

二级高压锥段部件A71与二级高压锥段部件B72对接端端面的中心具有凹槽（可以为半球形槽或圆台形槽），二级高压锥段部件B72在对接端端面中心对应具有与该凹槽配合的凸起，通过凹槽和凸起的配合保证对接处中心孔的密封；二级高压锥段部件B72的内径与三级发射管8内径相同，弹丸19放置在二级高压锥段部件B72对接端凸起所在位置的中心孔内；二级高压锥段部件B72的另一端与三级发射管8通过密封环82密封对接（具体的，二级高压锥段部件B72的外径大于三级发射管8的外径，二级高压锥段部件B72另一端设置有凹槽，三级发射管8端部伸入该凹槽内，与二级高压锥段部件B72密封对接），本例中，密封环82采用铜环。

二级段泵管过渡段62以及二级高压锥段部件A71、二级高压锥段部件B72的***设置具有防爆性能的扩散室63，扩散室63的一端设置有过孔，二级段泵管6通过该过孔伸入二级段泵管过渡段62内部；二级段泵管过渡段62的端部与扩散室63过孔端内端面固接；扩散室63的另一端通过端盖密封；三级发射管8与二级高压锥段部件B72密封对接后从该端盖伸出。

二级高压锥段部件A71与二级高压锥段部件B72外圆周设置有压紧组件，用于二级高压锥段部件A71与二级高压锥段部件B72之间的压紧。压紧组件为沿周向均匀间隔分布的多根丝杠74；其中三级发射管8位于扩散室63内部的外圆周设置有前法兰81，前法兰81与扩散室63端盖的内端面抵触；二级段泵管过渡段62外圆周具有轴肩，在该轴肩与前法兰81之间沿周向均匀间隔分布的多根丝杠74，由此能够通过调节丝杠74实现二级高压锥段部件A71与二级高压锥段部件B72之间的压紧，保证弹丸19发射前的密封性能。为实现泄压，二级高压锥段部件A71与二级高压锥段部件B72对接面之间除凹槽和凸起的配合位处，其余位置之间间隙配合，通过压紧组件对压紧力的调节也能够实现二级高压锥段部件A71与二级高压锥段部件B72之间间隙的调节。当弹丸19发射后，活塞Ⅱ16碰撞二级高压锥段部件A71的锥形孔内壁以及二级高压锥段部件B72端面的凸起，使其发生破坏，此时炮体内部的高压气体以及碰撞产生的高速碎片能够通过二级高压锥段部件A71与二级高压锥段部件B72之间的间隙卸载至扩散室63，从而避免高速碎片反溅损坏二级段泵管6；配合前端设置的二级段泵管过渡段62能够实现对二级段泵管6的有效保护。扩散室63具备防爆性能，避免高压气体和高速碎片泄露，以提高实验***的安全性。上述二级高压锥段部件A71与二级高压锥段部件B72均为一次性用品，每次实验后进行更换。

扩散室63的端盖设置有通气孔，该通气孔与抽真空管路83相连，用于在试验前对扩散室63抽真空。本例中，扩散室63通过抽真空管路83直接与碰撞靶室9连通，由此在对碰撞靶室9抽真空的同时，完成对扩散室63的抽真空。试验时，扩散室63支撑在二级高压锥段底座75上。

此外，为节约试验成本，三级发射管8采用两段式，包括同轴对接的发射管段A84和发射管段B85；其中发射管段A84一端与二级高压锥段部件B72同轴对接，另一端与发射管段B85同轴对接；三级发射管8与二级高压锥段组件7相连的一端为易损坏段，采用分段式设计，当发射管段A84损坏时，只需更换发射管段A84即可，避免三级发射管8部分破损时需整体更换而增加试验成本。

如图3所示，注气装置3包括：惰性气瓶31、氧气瓶32以及氢气瓶33；惰性气瓶31、氧气瓶33以及氢气瓶33均连接至设置有压力表34和阀门36的注气管路35；注气管路35通过阀门36与反应室1的注气孔连接；注气装置3在反应室1抽真空后，通过注气孔向反应室1内部充入设定比例的氢气和氧气，特别是要继续充入设定比例的惰性气体，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。

上述膜片Ⅰ11、膜片Ⅱ14、膜片Ⅲ17均为厚度为2～8mm的圆形金属薄片，设有预开槽，根据试验所需的破膜压力选择不同开槽深度的膜片。膜片Ⅰ11与一级段泵管4、膜片Ⅱ14与二级段泵管6内径的比值在1.2～1.5之间，膜片Ⅲ17与三级发射管8内径的比值在2～2.5之间。

为保护试验装置、防止气体爆轰反应后的锈蚀现象，将反应室1、一级段泵管4、一级高压锥段5、二级段泵管6、二级段泵管过渡段62以及二级高压锥段部件A71和二级高压锥段部件B72的内表面进行镀铬处理，可增长试验装置的使用寿命。

破膜器（包括破膜器Ⅰ12、破膜器Ⅱ15和破膜器Ⅲ18）均为内部开孔的圆形垫环，对应位置的膜片达到破膜压力破裂后，直接粘连在破膜器上，取下破膜器和膜片可保持管道清洁，提高试验效率。其中如图4所示，破膜器Ⅰ12为内部开直筒孔的圆形环，内径与泵管4内径一致。如图5所示，破膜器Ⅱ15中心开锥形孔，内表面大径与膜片Ⅱ14的凹槽长度相等，小径与二级段泵管6内径一致；破膜器Ⅲ18中心开锥形孔，内表面大径与膜片Ⅱ17的凹槽长度相等，小径与三级发射管8内径一致。

该加载实验***可用于模拟超高速太空碎片撞击、小行星撞击等方面的研究，加载单元能够实现发射速度为10km/s以上弹丸的超高速加载。

该加载实验***的工作原理为：

反应室1中的混合反应气体通过点火装置2引燃后，达到一定压力和温度，气体反应由燃烧转为爆轰反应。爆轰波迅速传至反应室1与一级段泵管4之间，使膜片Ⅰ11破裂，此时一级段泵管4内的活塞Ⅰ13底部压力急剧升高，获得较大的初始加速度，活塞Ⅰ13向前运动压缩一级段泵管4内部的轻质气体，使其温度和压力逐渐升高，在冲击波作用下迅速形成高温高压气体；当高温高压气体达到膜片Ⅱ14的破膜阈值后膜片Ⅱ14发生破裂，高温高压气体推动二级段泵管6内的活塞Ⅱ16继续压缩二级段泵管6内的轻质气体，使其形成极高温高压气体；当二级段泵管6内的高温高压气体达到膜片Ⅲ17的破膜阈值后膜片Ⅲ17发生破裂，高温高压气体驱动弹丸19开始运动，并不断将其加速直至飞出炮口（即三级发射管8的发射端），获得理想的超高速运动状态。即该三级轻气炮通过膜片、活塞和弹丸的运动耦合，实现能量的转换与传递。同时弹丸19发射后，炮体内部的高压气体以及碰撞产生的高速碎片能够通过二级高压锥段部件A71与二级高压锥段部件B72之间的间隙卸载至扩散室63。

各膜片破裂后直接粘连在破膜器上，可直接取下，保护对应位置的泵管以及三级发射管8；而各泵管内的活塞运动至相应高压锥段处，受到锥壁挤压和前方轻质气体形成的阻滞力慢慢停止运动。

三级发射管8末端安装的磁测速装置10和弹托分离装置21，测量弹丸19出炮口速度并实现弹托分离；弹丸出炮口后将保持匀速运动状态，直至撞击碰撞靶室9的靶板22上。

该加载实验***的实验过程为：

首先将反应室1、一级段泵管4、一级高压锥段5、二级段泵管6、二级高压锥段组件7、三级发射管8、碰撞靶室9抽至真空状态。

然后通过注气装置3向反应室1中充入一定比例（通常为1:1）的氢气和氧气，再继续充入一定比例的惰性气体（通常为氮气），点火后反应剩余的单种气体和惰性气体可充当驱动介质，用来减轻泵管爆轰后的腐蚀压力。通过一级段泵管4和二级段泵管6上的注气孔向其充入一定压力的轻质气体。

反应室1中的混合反应气体通过点火装置2引燃后，达到一定压力和温度，气体反应由燃烧转为爆轰反应。爆轰波以反应剩余的单种气体和惰性气体为介质迅速传播至反应室1与一级段泵管4之间，使膜片Ⅰ11破裂，此时一级段泵管4内的活塞Ⅰ13底部压力急剧升高，获得较大的初始加速度，压缩一级段泵管4内部的轻质气体。在冲击波作用下，通过高压锥段5迅速形成高温高压气体，达到膜片Ⅱ14破膜阈值后膜片发生破裂，推动二级段泵管6内的活塞Ⅱ16，使其内部的轻质气体形成极高温高压气体，达到膜片Ⅲ17的破膜阈值后膜片发生破裂，高温高压气体驱动弹丸19开始运动，并不断将其加速直至飞出炮口，获得理想的超高速运动状态，按照预期规划着靶。

实施例2：

本实施例给出给出三级轻气炮的一个具体实施案例，反应室1尺寸为内径160mm、长度1.3m、气室容积26.1L，先后充入1：1氢气、氧气和适当氮气。反应室1与一级段泵管4连通的一端内径与一级段泵管4内径相同，均为110mm，一级段泵管4长度为12m；膜片Ⅰ11厚度为5mm、直径为138mm、凹槽长度为102mm；一级高压锥段5锥角为6°，大端内径为110mm、小端内径为30mm；二级段泵管6内径为30mm、长度为10.7m，一级段泵管4和二级段泵管6内部均充入1MPa氢气；膜片Ⅱ14厚度为5mm、直径为70mm、凹槽长度为34mm；二级高压锥段组件7中锥形内孔段的锥角为9°，大端内径为30mm，小端内径为10mm；三级发射管8内径为10mm，长度为31.7m；膜片Ⅲ17厚度为5mm、直径为70mm、凹槽长度为34mm；试验采用球形弹丸，直径为5mm，材料为铝。弹丸19在不同条件下的发射速度如表1所示，试验编号3中弹丸19的发射速度可达到18.55km/s。

表1 实测弹道速度

试验编号	反应室气压/MPa	弹丸质量/g	实测弹速度/km/s
				1	6	1.04	7.54
2	7	1.11	8.52
				3	7	1.09	18.55

由此可知，采用三级驱动方式，提高轻气炮的能量利用效率，使三级炮的稳定发射速度达到甚至超过12km/s。

实施例3：

在上述实施例1的基础上，作为加载单元的三级轻气炮为二级-三级可转换轻气炮。

基于此，碰撞靶室9配有两套法兰接口，一套用于配合三级发射管8，另一套用于配合二级段泵管6。对于一般高应变率效应下力学以及化学等研究领域，最高发射速度要求为8km/s以内的情况，直接去掉三级发射管8和二级高压锥段组件7，然后去掉活塞Ⅱ16，在该位置放置弹丸19，便可作为二级炮使用；即此时二级段泵管6作为发射管使用，便可完成三级到二级大口径轻气炮的转换。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.基于氢氧爆轰驱动的三级轻气炮加载实验***，其特征在于，包括：加载单元和碰撞靶室；

所述加载单元为基于反应气体爆轰驱动的三级轻气炮，包括：依次同轴相连的反应室、一级段泵管、一级高压锥段、二级段泵管、二级高压锥段组件和三级发射管；

所述反应室上设置有点火装置以及用于和注气装置相连的注气孔；

所述一级段泵管与反应室的连接处设置有膜片I和破膜器I；一级段泵管内部靠近破膜器I处放置活塞I；

所述二级段泵管与一级高压锥段的连接处设置有膜片Ⅱ和破膜器Ⅱ，二级段泵管内部靠近破膜器Ⅱ处放置活塞Ⅱ；

所述二级段泵管与二级高压锥段组件的连接处设置膜片Ⅲ和破膜器Ⅲ；

所述二级高压锥段组件与三级发射管内部相连的一端放置弹丸；所述二级高压锥段组件具备泄压功能；

所述三级发射管的发射端伸入碰撞靶室；发射端的端部安装有磁测速装置；碰撞靶室内部磁测速装置的前方依次设置有弹托分离装置和靶板。

2.如权利要求1所述的基于氢氧爆轰驱动的三级轻气炮加载实验***，其特征在于，所述二级高压锥段组件包括：二级段泵管过渡段、二级高压锥段部件A和二级高压锥段部件B；

所述二级段泵管通过二级段泵管过渡段与所述二级高压锥段组件相连；

所述二级高压锥段部件A的一端与所述二级段泵管过渡段同轴对接，另一端与所述二级高压锥段部件B同轴对接；二级高压锥段部件B的另一端与三级发射管密封对接；

所述二级高压锥段部件A的中心孔包括柱形孔和锥形孔，且柱形孔和锥形孔之间具有台阶面；所述柱形孔设置在与二级段泵管过渡段相连的一端，锥形孔的大端与柱形孔相连；所述二级高压锥段部件A的柱形孔内通过膜片限位环限位有膜片Ⅲ和破膜器Ⅲ；

所述二级高压锥段部件A与二级高压锥段部件B的对接端之间间隙配合；所述二级高压锥段部件A在该对接端的端面中心具有凹槽，二级高压锥段部件B在该对接端的端面中心对应具有与所述凹槽配合的凸起；通过所述凹槽和凸起的配合实现所述二级高压锥段部件A与二级高压锥段部件B对接处中心孔的密封；

所述弹丸放置在二级高压锥段部件B对接端凸起所在位置的中心孔内；所述二级高压锥段部件B的内径与三级发射管内径相同。

3.如权利要求2所述的基于氢氧爆轰驱动的三级轻气炮加载实验***，其特征在于，所述二级高压锥段组件还包括扩散室；

所述二级段泵管过渡段以及二级高压锥段部件A、二级高压锥段部件B的***设置有密封的扩散室，所述扩散室上设置有用于抽真空的通气孔。

4.如权利要求3所述的基于氢氧爆轰驱动的三级轻气炮加载实验***，其特征在于，所述二级高压锥段组件还包括压紧组件；

所述发射管位于扩散室内部的外圆周设置有前法兰，所述前法兰与扩散室内端面抵触；所述二级段泵管过渡段外圆周具有轴肩，在该轴肩与所述前法兰之间沿周向均匀间隔分布的多根丝杠形成压紧组件。

5.如权利要求2或3或4所述的基于氢氧爆轰驱动的三级轻气炮加载实验***，其特征在于，所述二级段泵管过渡段采用内筒和外筒套装且过盈配合的结构形式；所述内筒同轴套装在外筒内部，一端与外筒的端面平齐；另一端与伸入外筒内部的二级段泵管密封对接；所述二级段泵管与所述外筒固接；所述内筒的内径与所述二级段泵管的内径相同。

6.如权利要求3或4所述的基于氢氧爆轰驱动的三级轻气炮加载实验***，其特征在于，所述发射管采用两段式，包括同轴对接的发射管段A和发射管段B；

所述发射管段A一端伸入所述扩散室与所述二级高压锥段部件B同轴对接，另一端与发射管段B同轴对接。

7.如权利要求3或4所述的基于氢氧爆轰驱动的三级轻气炮加载实验***，其特征在于，所述扩散室上的通气孔通过抽真空管路与碰撞靶室连通，由此在对碰撞靶室抽真空的同时，完成对扩散室的抽真空。

8.如权利要求1-4任一项所述的基于氢氧爆轰驱动的三级轻气炮加载实验***，其特征在于，所述碰撞靶室配有两套法兰接口，一套用于和三级发射管相连，此时所述加载单元为基于氢氧爆轰驱动的三级轻气炮；另一套用于和所述二级段泵管相连，此时所述加载单元为基于氢氧爆轰驱动的二级轻气炮。

9.如权利要求1-4任一项所述的基于氢氧爆轰驱动的三级轻气炮加载实验***，其特征在于，所述注气装置包括：惰性气瓶、氧气瓶以及氢气瓶；所述惰性气瓶、所述氧气瓶以及所述氢气瓶均连接至设置有压力表和阀门的注气管路；所述注气管路与所述反应室上的注气孔连接。

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