超高速碰撞二級輕氣炮的研究

超高速碰撞二級輕氣炮的研究

需要在宇宙中開發(fā)出先進的高速鉆床制造技術。二級輕氣炮因為能發(fā)射各種形狀的彈丸,其質量、尺寸和材料有較寬的適應范圍,是超高速彈丸驅動中應用最廣泛的技術之一。傳統(tǒng)的二級輕氣炮大多是以火藥爆燃來驅動活塞(首級驅動)的,火藥的使用使炮體結構和實驗室附屬設備變得復雜,帶來安全、污染、炮的清潔等許多麻煩,這樣造成傳統(tǒng)的二級輕氣炮運行效率低、實驗成本高等缺點。為了適應學科的發(fā)展,在已運行的57mm口徑單級壓縮氣炮(以下簡稱57氣炮)的基礎上,加裝可拆卸的二級發(fā)射裝置,實現(xiàn)二級氣炮的功能。同時原單級氣炮的功能得以完整保留,這對節(jié)省二級炮的建造、運行費用和提高設備運行利用率都十分有利。氣體驅動雖然在二級驅動原理上與傳統(tǒng)火藥驅動并無大的區(qū)別,但它在結構及發(fā)射參數(shù)組合方面不能簡單引用已有的成果和經驗。在新型氣體驅動二級輕氣炮研制過程中面臨的技術難點為:(1)氣體驅動的能量遠低于火藥驅動,如何有效地提高能量利用效率,獲得實驗所需的彈重、彈速指標;(2)二級發(fā)射沖擊力是一級發(fā)射的幾十倍,如何減小沖擊力,使原有工程設施可在新發(fā)射條件下安全運行;(3)如何進一步降低實驗費用,提高實驗效率。本文簡要介紹該氣炮工作原理以及圍繞上述三個難點所作的設計工作。1真空靶室組成圖1.1是該氣炮的結構示意圖。它由壓縮氣炮(首級驅動)、彈丸發(fā)射裝置(二級驅動)、真空靶室和回收室組成。圖中虛線框內為首級驅動的壓縮氣炮,彈丸發(fā)射裝置(二級驅動)由二級氣室、隔離膜片及其裝夾機構、發(fā)射管等五部分組成。真空靶室中有彈丸脫殼器、測速系統(tǒng)、用于閃光X光照相和高速攝影的光學觀察窗口、靶架等。其工作原理為:泵管(一級炮發(fā)射管)抽真空后注入一定氣壓的輕質氣體,高速運動的活塞絕熱壓縮該氣體使其在泵管末端形成一個新的高壓氣室,當該氣室的氣壓超過隔離膜片的承受能力后則破膜發(fā)射彈丸。高壓氣室的氣壓可高達kMPa,氣溫可達2000～4000℃,聲速可達4000～8000m/s,所以由這種動高壓氣室發(fā)射的彈丸速度是靜壓氣室(單級氣炮氣室)遠不能比擬的。2關鍵設備的設計2.1氣炮設計的小尺寸模型實驗發(fā)射管內徑選取10mm,一是考慮到隨著計算仿真技術的發(fā)展,通過實驗研究基本現(xiàn)象規(guī)律來構筑和考核計算模型的比重加大,采用小口徑實驗在時間和費用上將成倍甚至成十倍地節(jié)省,這有利于用更充分的數(shù)據(jù)來支持計算模型的建立;二是測量技術的進步也使得利用小尺寸模型實驗揭示現(xiàn)象規(guī)律的能力在不斷提高,致使更多的實驗可用小口徑氣炮來完成;三是根據(jù)對57氣炮驅動能力進行評估后作出的技術選擇。57氣炮是1982年建成的單級壓縮氣炮,發(fā)射管內徑57mm,長12m,一級氣室容積0.01m3,設計最大充氣壓力30MPa.按等熵膨脹到標準大氣壓的膨脹功計算可得57氣炮的最大驅動能力為0.63MJ.而火藥驅動的勢能為4MJ/kg,由此可見火藥驅動能力遠大于氣體驅動。理論計算和實驗都表明,當發(fā)射管長度L>200d(d為發(fā)射管口徑)之后,彈速的提高是很有限的,而工藝難度和造價則快速增長,所以現(xiàn)有的氣炮發(fā)射管長度都取L=200～300d.根據(jù)工藝實際情況,本氣炮的發(fā)射管做成單節(jié),沒有管間接頭,這對保證管孔的平直度和截面形狀的一致性是很有利的。發(fā)射管長2.5m,即L=250d.2.2初充氮氣的影響火藥驅動二級輕氣炮泵管初充壓力一般較高,文獻MQP-3型氣炮,其初充壓力一般為0.4～0.8MPa.理論分析表明最高彈速是隨驅動氣體的音速提高而增大的,而音速是與氣體的溫度成正相變化的,較低的初充氣壓有利于提高壓縮比,增大驅動氣體的溫度,有利于彈速的提高。同時數(shù)值分析表明,對于彈速,泵管初充氣壓是除了一級驅動壓力外另一個強烈影響的因素,對于最高彈速存在一個最佳的初充氣壓。對于本氣炮其最佳值在0.1～0.2MPa之間。在一級驅動能有限的條件下,適當減少彈丸質量,采用了降低泵管初充氣壓而提高壓縮比,最終達到提高彈速的技術途徑。2.3柔性連接的設計二級氣炮泵管與發(fā)射管之間大多采用錐形過渡,這樣的過渡形式形成新的二級氣室。過渡錐角通常選在4～16°,小錐角有利于活塞平穩(wěn)入錐,減少活塞對氣炮結構的沖擊,但它將消耗更多的能量用于活塞變形。對于本氣炮,減少活塞變形能,提高對首級驅動能的利用效率比減少沖擊更重要,所以不必追求小錐角。綜合權衡取高壓段錐角為20°.由于大錐角的設計會造成活塞對高壓氣室的較大沖擊,沖擊力最終將傳遞到原57炮的基座,該座是按100kN的標準設計的,而二級發(fā)射沖擊力將遠遠超過57炮基座的設計能力。因此設計有效的柔性連接,減小傳遞到57炮基座的沖擊力是保證氣炮安全運行的關鍵之一。設計了如圖2.1(1密封O環(huán);2緩沖橡膠墊;3鋼質隔環(huán);4二級氣室管段;5連接螺紋套圈;6隔離膜片;7發(fā)射管)所示的泵管、二級氣室和發(fā)射管之間靠橡膠緩沖墊實現(xiàn)柔性連接,二級氣室及其后續(xù)部件可以在泵管末端的過渡段內滑動。其中的橡膠緩沖墊厚度h=0.12m,外半徑R=0.15m,內半徑r=0.12m,選用中等硬度的橡膠板,其彈性模量E=8MPa.將橡膠緩沖墊等效成彈簧系統(tǒng),利用動量、能量守恒定律可以計算出在極限發(fā)射情況下的沖擊力為93kN.由此可見,由于活塞入錐而產生的沖擊力經柔性連接緩沖后完全滿足原57炮基座設計要求。在橡膠緩沖墊之間插入適當?shù)匿撡|隔環(huán),是為了克服橡膠緩沖墊變形時出現(xiàn)的失穩(wěn)現(xiàn)象。2.4膠片夾持及密封隔離膜片有兩個功能:一是隔開泵管和真空發(fā)射管;二是制造一個盡可能高的二級氣室發(fā)射氣壓,以提高彈速。使用的膜片如圖2.2所示,其中圖2.2(a)用于高速發(fā)射的球形膜片,圖2.2(b)用于低速發(fā)射。球形膜片內部受力均勻,提高了破裂壓力,開裂后通氣截面積大,沒有碎片脫落。膜片材料選用1Cr18Ni9Ti,在1050～1100℃下水中淬火,這樣可使其延伸率達55%.為保證膜片對稱均衡撕裂以取得足夠大的通氣截面,膜片的受拉應力面預制六條徑向溝槽,使膜片沿其撕裂。由于采用了泵管同二級氣室管段的柔性連接,二級氣室的高壓氣擠壓發(fā)射管,其推力足以實現(xiàn)膜片的夾緊密封,這樣可以舍去笨重的膜片夾緊裝置,而只用了一個單人操作的螺紋套圈(參看圖2.1),它的初始夾緊力只是為了保證泵管不漏氣和發(fā)射管抽真空。當二級氣室氣壓開始下降(破膜之后)后的某一時刻,膜片夾持面將滲入高壓氣,繼而推開夾持面,為延緩此過程的發(fā)生,避免因膜片夾持面的泄氣影響彈丸的正常發(fā)射,膜片夾持面設計了兩個金屬圓柱密封面。圖2.3是隔離膜片及其夾持狀態(tài),圖中1～4分別為二級氣室、球形膜片、防燒蝕墊環(huán)、發(fā)射管。在圖中1至4的擠壓過程中,A、B、C面是順序壓緊的,并利用A、B面的鋁環(huán)塑性變形創(chuàng)造了兩個圓柱密封面。2.5燒蝕對二級氣室和發(fā)射管使用壽命的影響由于采用了較低的泵管初充氣壓,二級氣室氣溫將會很高,這會對二級氣室和發(fā)射管內壁造成燒蝕,嚴重的燒蝕將影響二級氣室和發(fā)射管的使用壽命。通過數(shù)值分析和實驗驗證發(fā)現(xiàn)燒蝕最嚴重的地方出現(xiàn)在二級氣室和發(fā)射管入口之間。據(jù)此,在該位置設計安裝了防燒蝕墊環(huán),以便更換,成功地解決了發(fā)射管燒蝕問題,延長了其使用壽命,降低了氣炮運行費用。該墊環(huán)同時又是膜片的定位裝置。2.6彈簧下活性彈簧的等壓發(fā)射作用活塞起到將一級氣室高壓氣體能量傳遞到泵管中的輕質氣體并在二級氣室形成常規(guī)方法難以達到的高溫、高壓,大幅度提高泵管內輕質氣體的音速,進而提高彈速的目的。根據(jù)理論和數(shù)值分析,選定活塞的質量在1kg左右,同時其頭部要有較強的變形能力,以適應進入錐形二級氣室后在頭部保持較快的速度進一步壓縮氣體以彌補彈丸向前運動而產生的驅動氣體壓降,使彈丸底部驅動氣體保持近似常壓,達到等壓發(fā)射的目的?；钊Y構如圖2.4所示,由尾部的配重銅柱和前端的聚乙烯組成,這樣既滿足了重量的要求又滿足了前端變形的要求,同時在入錐時配重銅柱的強大慣性可使聚乙烯保持較高的變形速度,銅柱可以回收重復使用。2.7彈托與彈簧分離在高速氣炮中發(fā)射的彈丸通常都是由彈托攜帶的,這是出于對不同形狀和亞彈徑彈丸發(fā)射的需要。在彈丸加速過程中,彈托起著對彈丸對心、支撐、保護的作用,確保其不與發(fā)射管和高溫驅動氣體的接觸。在離開發(fā)射管之后,彈托需與彈丸分離,通常依靠氣動力來完成。其原理是發(fā)射管出口激波和周圍流場共同作用在彈托上使其與彈丸分離。發(fā)射管周圍氣體密度越大,其氣動力也越大。這種分離方法需要較長的飛行距離和較高壓力的周圍氣體,這在短真空靶室中是難以實現(xiàn)的。據(jù)此,設計了如圖2.5所示的阻滯式脫殼裝置。圖中支架是安裝基座,驅動彈丸的氫氣從四周橢圓孔分散,脫殼裝置的彈道孔與發(fā)射管精確同軸。分離器的作用是通過由d1(10.5mm)向d2(10.0mm)的縮徑對彈托施加阻滯力使它與彈丸分離。流阻器是借助流體阻力來減緩彈托速度的,其內徑為d2,內壁涂一層石蠟,其內徑視彈丸直徑和彈丸的出口行程而定,原則是使流體阻力不影響和少影響彈丸運動,但能有效減緩彈托運動。套筒是支架的延伸。擴散段和發(fā)散器是為分散從流阻器擠出的液流用的,在環(huán)槽孔的作用下液流出口后將散射開,從而減少對彈丸擊靶的影響。隔板和緩沖墊是為了減小彈托分離時對支架的作用力?？傊?阻滯器的作用是利用彈道變徑產生彈托阻滯力,使它最終留在孔內,完成彈丸脫殼的任務的。3激光光束遮斷法彈丸出口速度是二級輕氣炮的重要指標,它直接反映了二級炮的發(fā)射能力。高精度的彈速測量不僅是氣炮調試的需要,更是開展其他研究工作的基礎。彈丸出口速度測量方法很多,但從技術和經濟的可行性考慮,建立了激光光束遮斷和固定磁體感應兩套測量裝置,均為高精度無接觸測量方法,兩種方法相互校準,增加測量的可靠度和精度。激光光束遮斷法測速原理是彈丸飛行時,依次遮斷布置在彈道上的若干束(一般為三束)平行激光,對應的接收光敏管因此產生電信號,由此測出遮光的時間間隔,再根據(jù)事先精確測量的激光間距,則可求出彈丸的出口速度。激光光束遮斷法曾成功應用于單級氣炮的速度測量,但應用于二級氣炮卻遇到了困難,泄漏到彈丸前端的氫氣發(fā)光會嚴重干擾光電管的信號,氣炮發(fā)射時的沖擊會使光路偏離彈道,尤其是對小尺寸彈丸。使用高強度的激光光源、具有頻率選擇性的光敏二極管,建立剛性很好的一體性的測試鋼架,這些措施的采用確保了激光光束遮斷法的成功應用。圖3.1為激光光束遮斷法測速典型波形。固定磁體感應測速法的原理是當彈丸飛過彈道上布置的若干(一般為三個)環(huán)形磁場時,彈丸內部激發(fā)起感生電流,其磁場與原磁場疊加,使拾波圈中的磁通發(fā)生變化,記錄拾波線圈中的感生電動勢,便可確定彈丸飛過各磁場的時間間隔,由事先精確測量的磁場空間距離,就可以得出彈丸的飛行速度。此方法要求彈丸為金屬材料,如果彈丸為非金屬材料,則可在彈丸尾部貼一薄銅箔。圖3.2為固定磁體感應測速法典型波形。這兩種測速方法各自及其相互的吻合程度均優(yōu)于1%。4彈簧出口速度測量系統(tǒng)改進本氣炮采用較大錐角的二級氣室、較低的泵管初充氣壓、球形膜片、可部分復用的組合式活塞成功地提高了首級驅能利用效率:獨特的柔性連接裝置有效地降低了發(fā)射沖擊力;防燒蝕墊環(huán)、簡易膜片裝夾機構、阻滯式彈丸脫殼裝置降低了使用成本,提高了設備的操作性能。激