一种复合点火式燃烧轻气炮的制作方法

本发明涉及一种超高速发射轻气炮，特别涉及一种复合点火式燃烧轻气炮。

背景技术：

从第一座轻气炮诞生起，它就成为航空航天、武器装备和行星科学领域的有效研究工具。轻气炮是在传统火炮发射技术基础上发展起来的一种动高压加载装置，依靠高温高压下轻质气体骤然膨胀对弹丸做功，使之达到较高的发射速度。近年来，随着其应用领域的不断拓宽以及模型结构的复杂化，要求这种超高速发射系统，能够以较低的成本在较宽的发射范围内具有更优的内弹道性能。

目前使用较为广泛的是二级轻气炮。传统二级轻气炮采用火药、压缩气体或反应气体作为首级驱动。气炮运行时，火药燃气、压缩气体或者反应气体的燃烧产物驱动活塞压缩泵管中的轻质气体，在锥形段内形成短暂的极高温高压气室，驱动弹丸发射到很高的速度。然而活塞在充当能量传递工具的同时也会带来摩擦损耗，从而降低能量传递效率，而且活塞入锥会造成结构的损伤，给后续工作造成诸多不便。

20世纪90年代，utron公司提出燃烧轻气炮的概念，其是一种冲击推进式气炮，采用点火器实现燃烧爆轰，这种爆轰波可看作“反应活塞”，初始的预混物经过燃烧后变为热力学性质更适合作为推进剂的爆轰产物，而后爆轰波反射形成脉冲式高压驱动弹丸加速。燃烧轻气炮在尺寸、重量和可操作性方面与其他气炮系统相比具有不可替代的优势，且无活塞的参与使得能量传递效率显著提高。然而这种利用爆轰产物来驱动的方式，难以维持长时间高压，发射速度相比二级轻气炮并不理想。

为解决现有燃烧轻气炮存在的问题，近年来，申请人提出了一种反射激波诱导爆轰驱动的燃烧轻气炮(cn109539881a)，既保留了传统燃烧轻气炮的优势，又能达到二级轻气炮的出口速度，充分结合了激波的气动和热力学性质以及气相爆轰的强驱动性优势，运行效率较高。但其同样存在一个目前的轻气炮普遍存在，且现有技术无法解决的问题：弹底压力降低很快，也就是说弹丸逐渐“无力”。

为了最大化气炮性能，获得更高的发射速度和发射动能，一方面，各种新型驱动方式相继被提出来，如三级炮、爆炸气体炮、阻抗梯度飞片驱动等，但同时也会带来许多技术问题和高昂的成本；另一方面，研究者们针对气炮几何特征、推进气体以及弹丸(或者活塞)等进行了优化设计，尽管取得了一定的成效，但仍然不能从根本上解决问题。这主要是因为，对于任何一门气炮，均受到气体逃逸速度的限制。从气动原理上来说，推进气体在经过热力学状态重整(二级轻气炮经由活塞挤压，燃烧轻气炮经由爆轰)后形成高温高压“驻室”，随着弹丸的加速运动，弹后的空缺由紧挨的弹底气体填补，弹后不断发出稀疏波，导致弹底压力降低很快，远小于“驻室”内的压力。显然，这是气炮系统固有的问题，并不能仅仅只通过优化参数来解决。

技术实现要素：

本发明的目的是解决传统轻气炮系统弹底压力降低较快从而导致发射性能并不理想的问题，进一步发掘燃烧爆轰驱动方式的潜力，提升发射速度和发射动能，提供一种结构简单且运行效率更高、性能更优的燃烧轻气炮。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的复合点火式燃烧轻气炮，包括自后向前依次连接的驱动段、被驱动段、汇聚段和发射管，还包括作为附属设备的点火控制系统；

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，前端开口与所述被驱动段连接；

所述被驱动段亦为具有恒定圆形内截面直筒形结构，在与所述驱动段连接处夹装被驱动段膜片，被驱动段管身开有测压孔；

所述汇聚段为圆截面筒形结构，其内径自后向前连续且光滑地逐渐缩小，汇聚段管身开有至少一个螺孔；

所述发射管为小孔径直筒形结构，在与所述汇聚段的连接处夹装发射管膜片；

在所述发射管内发射管膜片前方附近位置处放置弹丸；

所述点火控制系统与所述测压孔和螺孔分别安装连接。

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复合点火式燃烧轻气炮，在反射激波诱导爆轰驱动型燃烧轻气炮的基础上，进一步发掘燃烧爆轰强驱动性的潜力，在较低的代价下实现了较高水平的弹底压力，大大提升了发射速度和发射动能。解决了传统轻气炮系统弹底压力降低较快从而导致发射性能并不理想的问题，结构简单且运行效率更高、性能更优。

附图说明

图1为本发明实施例提供的复合点火式燃烧轻气炮结构示意图；

图2a为本发明实施例中具有单个点火器的点火控制系统的组成及其与被驱动段和汇聚段的连接示意图；

图2b为本发明实施例中驱动段和被驱动段与驱动气瓶的连接示意图；

图3为本发明实施例中未实施点火器时燃烧轻气炮内弹道数值模拟压力分布x-t图；

图4为本发明实施例中延时触发点火器时复合点火式燃烧轻气炮内弹道数值模拟压力分布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。

本发明的复合点火式燃烧轻气炮，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、汇聚段和发射管，还包括作为附属设备的点火控制系统；

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，前端开口与所述被驱动段连接；

所述被驱动段亦为具有恒定圆形内截面直筒形结构，在与所述驱动段连接处夹装被驱动段膜片，被驱动段管身开有测压孔；

所述汇聚段为圆截面筒形结构，其内径自后向前连续且光滑地逐渐缩小，汇聚段管身开有至少一个螺孔；

所述发射管为小孔径直筒形结构，在与所述汇聚段的连接处夹装发射管膜片；

在所述发射管内发射管膜片前方附近位置处放置弹丸；

所述点火控制系统与所述测压孔和螺孔分别安装连接。

所述点火控制系统包括压电式压力传感器、电荷放大器、数字延时脉冲发生器和点火器，其中，压电式压力传感器安装在所述测压孔内，同时与电荷放大器输入端口相连，电荷放大器输出端口与数字延时脉冲发生器输入端口相连，数字延时脉冲发生器输出端口与点火器相连，点火器安装在所述螺孔内。

当实施多个点火器时，所述电荷放大器输出端口分别与多台数字延时脉冲发生器输入端口相连，各台数字延时脉冲发生器输出端口分别与各个点火器相连，各个点火器安装在所述汇聚段管身各个螺孔内。

所述汇聚段轴向壁面型线由两部分组成：曲线段和直线段；

所述曲线段起于所述汇聚段前端，所述直线段起于曲线段的末尾，且直线段与曲线段光滑连接且平滑过渡，直线段末位于所述汇聚段后端；

所述弹丸为圆柱状结构，直径与所述发射管内径相当。

本发明的复合点火式燃烧轻气炮，在反射激波诱导爆轰驱动型燃烧轻气炮的基础上进一步发掘燃烧爆轰强驱动性的潜力，在较低的代价下实现了较高水平的弹底压力，大大提升了发射速度和发射动能。解决了传统轻气炮系统弹底压力降低较快从而导致发射性能并不理想的问题，结构简单且运行效率更高、性能更优。

本发明的运行原理：

如图1至图2b所示，预先配比好的压缩驱动气体冲破被驱动段膜片，产生一道入射激波以及跟随其后的接触间断面，激波强度不足以直接引燃预混物；进入汇聚段后，由于运行面积的不断减小，激波强度逐渐增强，同时壁面的光滑设计能够尽量避免非预测性爆轰，预混气体在经历汇聚激波预处理后，其热力学性质发生初步改变，气体的压力和温度显著提高；而后激波在发射管膜片处发生反射，反射后形成的高温区在瞬间起爆爆轰波，化学能量的释放导致爆轰产物的压力骤增并且冲破发射管膜片，在发射管入口附近形成极高温高压“驻室”，驱动弹丸加速运动；同时，压力传感器在入射激波经过后将信号通过点火控制系统延时传递给点火器，点火器释放能量强制起爆爆轰波并与反射激波诱导的爆轰波相互作用产生强激波，若为多个点火器，通过控制各个点火器的延时触发时间，可实现多道爆轰波以及反射爆轰之间相互作用诱导出多道激波，而后强激波追赶上弹丸并反射，弹底压力瞬间增加，弹丸将会获得更高的发射速度和动能。

本发明的有益效果：

1、本发明使用预先配比好的富油氢氧混合气体，富余的氢气一方面可以降低推进气体的分子量从而增加声速，另一方面可以有效减少壁面烧蚀和腐蚀，并且爆轰产物清洁无污染。

2、本发明采用光滑过渡的汇聚段内壁面型线，使得入射激波在汇聚过程中尽量平缓，避免非预测性爆轰对气炮性能产生影响。

3、本发明采用复合点火形式，巧妙设计使得反射激波诱导爆轰与点火器强制起爆爆轰并存，一方面，能够有效改善气炮系统的能量分布形态，将“驻室”能量约束在更适合推动弹丸加速的区域；另一方面，两种点火形式所诱导的爆轰波相碰后诱导产生的强激波在弹丸的后续加速过程中起到了至关重要的作用，这是传统气炮所不具有的。

4、本发明摒弃了传统气炮中的活塞结构，能量传递效率更高，但同时接触间断面可作为“气动活塞”，从气动原理上说，接触间断面承担着和活塞相似的作用，其所推动的流场结构直接形成了高温高压“驻室”。

5、本发明采用点火控制系统实现精确单点和多点点火，附属设备简单易操作同时能获得较大的成效。

具体实施例：

参见附图1，一种复合点火式燃烧轻气炮，它包括：驱动段1、被驱动段2、测压孔3、汇聚段4、螺孔5、发射管6、夹装在驱动段1和被驱动段2连接处的被驱动段膜片7、夹装在汇聚段4和发射管6连接处的发射管膜片8、弹丸9、点火控制系统10。

驱动段1为具有恒定圆形内截面的直筒形结构，其后端封闭，前端开口；驱动段1内预先充入一定比例的氢气和氮气压缩气体。

被驱动段2为具有恒定圆形内截面直筒形结构，一端与驱动段1连接，连接处夹装被驱动段膜片7，另一端与汇聚段4连接；管身距被驱动段膜片7一定距离处开有测压孔3，实现与点火控制系统10的安装连接；被驱动段2及汇聚段4内预先充入一定比例的氢气和氧气可燃气体。

汇聚段4内径自后向前逐渐缩小，后径与被驱动段2直径相同，前径和发射管6直径相同，与发射管6的连接处夹装发射管膜片8；管身距与被驱动段2连接位置一定距离处开有螺孔5，实现与点火控制系统10的安装连接。

发射管6为小孔径直筒形结构，发射管6管筒内在靠近发射管膜片8前方位置处放置与发射管6内径相当的圆柱状弹丸9；发射管6内预先做抽真空处理。

参见附图2a，具有单个点火器14的点火控制系统10包括压电式压力传感器11、电荷放大器12、数字延时脉冲发生器13和点火器14，其中压电式压力传感器11安装在被驱动段2管身的测压孔3内，同时与电荷放大器12输入端口相连，电荷放大器12输出端口与数字延时脉冲发生器13输入端口相连，数字延时脉冲发生器13输出端口与点火器14相连，点火器14安装在汇聚段4管身的螺孔5内；压电式压力传感器11用于感知激波的运动，在激波经过时，压电式压力传感器11受力后将电荷信息传递给电荷放大器12，电荷放大器12将此微弱电荷变换成与其成正比的电压信号传递给数字延时脉冲发生器13，数字延时脉冲发生器13在经过预先调定的延迟时间后将触发信号传递给点火器14，点火器14在接收触发信号后释放能量起爆预混物；点火控制系统10通过信号的传输实现压电式压力传感器11和点火器14的运行时序。

参见附图3，在不运作点火控制系统10即不实施点火器14的条件下，上述燃烧轻气炮运行时，预先配比好的压缩驱动气体冲破被驱动段膜片7，产生一道入射激波以及跟随其后的接触间断面，激波强度不足以直接引燃一定氢氧比例的预混物；进入汇聚段4后，由于激波运行面积的不断减小，激波强度逐渐增强，同时壁面的光滑设计能够尽量避免非预测性爆轰，预混气体在经历汇聚激波预处理后，其热力学性质发生初步改变，气体的压力和温度显著提高；而后激波在发射管膜片8处发生反射，反射后形成的高温区在瞬间起爆爆轰波，化学能量的释放导致爆轰产物的压力骤增并且冲破发射管膜片8，在发射管6入口附近形成极高温高压“驻室”，驱动弹丸9加速运动，同时，弹底压力随着弹丸运动逐渐降低；随后，左行爆轰波遇到接触间断面并反射出激波，但诱导出的激波并没有追赶上弹丸做进一步的加速，接触间断面在后续过程中将燃烧释放的能量持续稳固在“驻室”区域内。

参见附图4，在运作点火控制系统10的条件下，与不实施点火器14的情况截然不同，上述复合点火式燃烧轻气炮运行时，压电式压力传感器11在入射激波经过后将信号通过点火控制系统10延时传递给点火器14实现精确点火，而后点火器14释放能量强制起爆爆轰波并与反射激波诱导的左行爆轰波相互作用产生一道强激波，而后强激波追赶上弹丸9并反射，形成另一短暂的动高压平台，弹底压力瞬间增加，弹丸9在发射管6出口获得了更高的发射速度和动能。接触间断面在后续过程中依然能够将燃烧释放的能量持续稳固在“驻室”区域内，而且复合点火形式下，反射激波诱导爆轰与点火器强制起爆爆轰并存，能够显著改善气炮系统的能量分布形态，“驻室”能量被约束在更适合推动弹丸加速的区域。

本例中，驱动段1内径70mm，长度1m，内部充入7：3的氢气和氮气。被驱动段2内径70mm，长度0.7m。汇聚段4后径70mm，前径8mm，长度0.54m，被驱动段2和汇聚段4中充入7：3的氢气和氧气。发射管6内径8mm，长度3.5m，放置在发射管6管筒内的弹丸9质量为0.3g。压电式压力传感器11与被驱动段膜片7距离为0.2m，点火器14设置单个，与被驱动段膜片7距离为0.75m。

表一给出了本发明在不实施精确点火和实施精确点火算例中发射管入口最高压、弹丸速度及发射时间的数值模拟结果：

从比较结果来看，不增加较复杂的附属设备，相同的发射条件下，通过复合点火形式能够使得出口速度增加近1km/s，提升了25％的发射速度，进一步发掘了燃烧爆轰驱动方式的潜力，结构简单且运行效率更高、性能更优。并且此气炮性能并不仅限于此，通过设置多个点火器并且控制各个点火器的位置和触发时间，能够诱导出多道激波先后追赶上弹丸，这也可能意味着更高的发射速度。

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。