基于汇聚激波反射诱导爆轰驱动的燃烧轻气炮的制作方法

本发明涉及一种超高速发射技术，尤其涉及一种基于汇聚激波反射诱导爆轰驱动的燃烧轻气炮。

背景技术：

轻气炮是一种利用高温下低分子量气体工质膨胀做功的方式来推动弹丸并使之获得极高速度的发射系统。它是一种通用的装置，能发射各种形状的弹丸，且弹丸的质量、尺寸和材料有很广的适应范围，在气动物理、气动力学、高速碰撞等领域发挥着不可替代的作用。

传统的轻气炮多采用固体发射药作为首级驱动能源，火药的使用使气炮结构和附属设备变得复杂，带来安全、污染、清洁等诸多问题；使用压缩气体作为驱动能源的轻气炮对结构密封性要求较高，且压缩气体的能量密度相对较低，不能满足较高速度的发射需求。上述二级或者多级轻气炮中，重型活塞的使用会使得有一部分能量消耗在活塞与壁面的摩擦损耗上，从而降低能量传递效率，而且活塞入锥的冲击会造成气炮结构的损伤，给后续的活塞取出工作造成麻烦。

燃烧驱动轻气炮是近些年来发展起来的一项新技术，其利用点火器实现燃烧爆轰后释放可燃轻质气体的化学能来驱动弹丸。由于没有活塞的参与，使得能量传递效率大大提高，运行时间缩短一个量级，然而这种采用爆轰波反射后形成驻室高压来驱动弹丸的方式，很难在锥形段内维持长时间高压，导致弹底压力很快降低，发射速度并不理想。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种运行效率高、运行时间短、结构简单、性能稳定的基于汇聚激波反射诱导爆轰驱动的燃烧轻气炮。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的基于汇聚激波反射诱导爆轰驱动的燃烧轻气炮，包括自后向前依次连接的驱动段、被驱动段、汇聚段、发射管，所述发射管的前端设有靶室；

所述驱动段为具有恒定圆形内截面的直筒形结构，其后端封闭，管身设有驱动段注气孔，所述驱动段注气孔与注气装置的氢气和氮气高压混合气体注气管连接；

所述被驱动段亦为具有恒定圆形内截面直筒形结构，在被驱动段与驱动段连接处设置有被驱动段膜片，被驱动段管身设有被驱动段注气孔，所述被驱动段注气孔与所述注气装置的氢气、氧气和氮气预混可燃气体注气管连接；

所述汇聚段为圆截面筒形结构，其内径自后向前逐渐缩小，直径缩小比值为4～10；

所述发射管为小孔径圆直管道，在其与所述汇聚段的连接处设有发射管膜片，发射管的前端开口，并位于靶室内；

在所述发射管内较靠近发射管膜片位置处放置弹丸。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于汇聚激波反射诱导爆轰驱动的燃烧轻气炮，通过发掘燃烧爆轰驱动方式的潜力，采用高效驱动手段，进一步提升了轻气炮的运行效率，降低了实验成本。解决了传统轻气炮采用固体发射药或者压缩气体驱动的弊端和问题，运行效率高、运行时间短、结构简单、性能稳定。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于汇聚激波反射诱导爆轰驱动的燃烧轻气炮结构示意图；

图2为本发明实施例中注气装置与驱动段和被驱动段的连接示意图；

图3为本发明实施例中的汇聚段的轴向剖视结构示意图；

图4为阐明本发明实施例中燃烧轻气炮运行原理的数值模拟压力分布x-t图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明的基于汇聚激波反射诱导爆轰驱动的燃烧轻气炮，其较佳的具体实施方式是：

包括自后向前依次连接的驱动段、被驱动段、汇聚段、发射管，所述发射管的前端设有靶室；

所述驱动段为具有恒定圆形内截面的直筒形结构，其后端封闭，管身设有驱动段注气孔，所述驱动段注气孔与注气装置的氢气和氮气高压混合气体注气管连接；

所述被驱动段为具有恒定圆形内截面的直筒形结构，在被驱动段与驱动段连接处设置有被驱动段膜片，被驱动段管身设有被驱动段注气孔，所述被驱动段注气孔与所述注气装置的氢气、氧气和氮气预混可燃气体注气管连接；

所述汇聚段为圆截面筒形结构，其内径自后向前逐渐缩小，直径缩小比值为4～10；

所述发射管为小孔径圆直管道，在其与所述汇聚段的连接处设有发射管膜片，发射管的前端开口并位于靶室内；

在所述发射管内较靠近发射管膜片位置处放置弹丸。

所述靶室一端与所述发射管做密封连接，另一端为封闭端。

所述汇聚段轴向截面内壁面型线由两部分组成：抛物线段和直线段；

所述抛物线段起于大径端，与被驱动段在大径端处光滑连接且平滑过渡，所述直线段起于抛物线段的末尾，且直线段与抛物线段光滑连接且平滑过渡，直线段末端位于小径端。

所述驱动段、被驱动段、汇聚段及发射管各管道均同轴。

所述注气装置包括氢气瓶、氮气瓶和氧气瓶。

本发明的基于汇聚激波反射诱导爆轰驱动的燃烧轻气炮，通过发掘燃烧爆轰驱动方式的潜力，采用高效驱动手段，进一步提升了轻气炮的运行效率，降低了实验成本。解决了传统轻气炮采用固体发射药或者压缩气体驱动的弊端和问题，运行效率高、运行时间短、结构简单、性能稳定。

本发明的运行原理：

通过高压气体冲破被驱动段膜片产生一道弱的入射激波，激波强度不足以引燃预混可燃气体；进入汇聚段后激波强度逐渐增强，对预混可燃气体进行预热，而后在发射管膜片处发生反射；反射后形成的高温驻室在瞬间起爆爆轰波并且冲破发射管膜片，在发射管入口附近形成极高温高压区，燃烧后的气体驱动弹丸在发射管内加速运动，在发射管口达到目标速度。

本发明的有益效果：

1、本发明使用预混可燃气体的化学能代替固体发射药和压缩气体驱动，能量利用率更高，并且不会产生有毒气体，不污染环境。

2、本发明采用抛物线作为内壁面型线的过渡，简单易操作，具有很好的可控性，使得激波在汇聚增强的过程中尽量平缓。

3、本发明采用反射激波诱导爆轰驱动手段，预混可燃气体会首先经过入射激波的预压缩和预热，而后反射激波起爆爆轰波使得燃烧释热和能量释放，能够充分利用气体动力学和化学反应动力学相结合的优势，运行效率高。

4、本发明所述燃烧轻气炮尺寸(长度)可以做得较小，结构简单易实现，降低了实验设备成本。

5、本发明避免了传统气炮中活塞与壁面的摩擦损耗和活塞入锥的冲击，对气炮的损伤更小，且由于无活塞的参与，发射时间大大减小，仅为毫秒量级。

6、本发明中被驱动段膜片破裂产生的接触面可以充当虚拟活塞的作用，维持弹底压力在较理想水平。

具体实施例：

参见附图1，基于汇聚激波反射诱导爆轰驱动的燃烧轻气炮，它包括：驱动段1、被驱动段2、汇聚段3、注气装置4、发射管5、靶室6、设置在驱动段和被驱动段连接处的被驱动段膜片7、设置在汇聚段和发射管连接处的发射管膜片8、弹丸9、驱动段注气孔10、被驱动段注气孔11。

驱动段1为具有恒定圆形内截面的直筒形结构，一端封闭，一端开口；管身开有驱动段注气孔10，实现与注气装置4的连通，注气装置4通过驱动段注气孔10向驱动段1内充入压力在10mpa～50mpa之间的氢气和氮气高压混合气体。

被驱动段2为具有恒定圆形内截面的直筒形结构，一端与驱动段1连接，连接处设置有被驱动段膜片7，另一端与汇聚段3连接；被驱动段管身开有被驱动段注气孔11，实现与注气装置4的连接，注气装置4通过被驱动段注气孔11向被驱动段2及汇聚段3内充入压力在0.1mpa～5mpa之间的氢气、氧气和氮气预混可燃气体。

汇聚段3内径逐渐缩小，直径缩小比值为4～10，大径与被驱动段2内径相同，小径和发射管5内径相同；汇聚段3大径与被驱动段2连接，小径与发射管5连接，连接处设有发射管膜片8。

发射管5为小孔径圆直管道，发射管5一端与汇聚段3连接，另一端位于靶室6内；发射管5中靠近发射管膜片8位置处放置弹丸9。

靶室6用于接收发射后的弹丸，在轻气炮运行之前，发射管5和靶室6内部做抽真空处理。

被驱动段膜片7和发射管膜片8均为中间预开十字凹槽的圆形金属膜片，被驱动段膜片7和发射管膜片8的破膜压力根据预十字凹槽的深度和圆形金属膜片的尺寸决定；不同运行工况下根据各段要充入的气体压力选择不同凹槽深度和不同尺寸的膜片。

驱动段1、被驱动段2、汇聚段3及发射管5各管道均同轴。

参见附图2，注气装置4包括氢气瓶12、氮气瓶13以及氧气瓶14；氢气瓶12和氮气瓶13通过驱动段注气孔10与驱动段1连接，向驱动段1内充入一定比例的氢气和氮气，氮气能有效地减轻结构的腐蚀；氢气瓶12、氮气瓶13和氧气瓶14通过被驱动段注气孔11与被驱动段2连接，向被驱动段2及汇聚段3内充入一定比例的氢气、氮气和氧气；通过配比合适的气体比例来保证被驱动段膜片7两侧气体的声速基本一致。

参见附图3，汇聚段3内壁面型线为抛物线段15和直线段16的结合；抛物线段15起于被驱动段2和汇聚段3的连接处，与被驱动段2在大径端处光滑连接、平滑过渡即斜率一致；抛物线段15和直线段16在过渡处两者光滑连接、平滑过渡即斜率一致，这样的型线设计可以使得激波在汇聚段3内汇聚增强的过程中尽量平缓过渡，具有很好的控制性，且流场简单易预测。为后续的反射激波诱导自点火起爆爆轰波提供良好的点火环境。

参见附图4，运行上述燃烧轻气炮时，首先各部分结构做抽真空处理，然后通过注气装置4向被驱动段2和汇聚段3内充入一定比例的氢气、氧气和氮气预混可燃气体，通过注气装置4向驱动段1内充入一定比例的氢气和氮气高压混合气体，并保证被驱动段膜片7两侧气体的声速基本一致；发射时通过高压气体冲破被驱动段膜片7产生一道激波强度为1.5～2的入射激波，激波强度不足以引燃预混可燃气体；进入汇聚段3后由于运行面积的减小，根据激波动力学相关理论，经过与抛物线段15和直线段16的相互作用，较小强度的入射激波在收缩管道中连续增强，而后在发射管膜片8处发生反射，反射后形成的高温驻室在瞬间起爆爆轰波并且冲破发射管膜片8，由于入射激波的预压缩及起爆爆轰波后燃烧释热和能量释放，在发射管5入口附近形成极高温高压区，燃烧后的气体驱动弹丸9在发射管5内加速运动，在发射管5出口达到目标速度，最后被靶室6接收。驱动段1内高压气体破膜时也会产生一接触面，接触面在后续传播过程中充当虚拟活塞的作用，能够在发射管5入口处较长时间内维持极高温高压水平，弹底压力能够维持在较理想状态。

本例中，驱动段1内径70mm，长度2000mm，内部充入7：3的氢气和氮气。被驱动段2内径70mm，长度700mm。汇聚段3大径70mm，小径8mm，抛物线段长150mm，直线段长390mm。被驱动段2和汇聚段3中充入7：3的氢气和氧气。发射管5内径8mm，长度3500mm。

表一给出了本发明在数值模拟各算例中发射管入口最高压、弹丸速度及发射时间：

从序号1、2比较来看，降低弹丸质量可以较明显提高弹速；从序号3、4、5比较来看，适当增加预混可燃气体初压有助于提高弹速；从序号3、6比较来看，适当增加驱动段气体压力有助于提高弹速。上述实施例的发射时间均在2.0ms～2.6ms之间，而传统的二级轻气炮运行时间多在25ms～60ms，可见上述燃烧轻气炮可以实现较短时间内发射较高弹速的弹丸。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求书的保护范围为准。