一种基于压缩空气递升式弹射实验装置及实验方法

本发明涉及一种基于压缩空气递升式弹射实验装置及实验方法，用于模拟导弹、火箭、无人机的弹射过程，属于冷弹射实验。

背景技术：

1、随着导弹、火箭等武器的迅速发展，其发射方式也呈多样化发展。从发射动力角度考虑，主要包括热发射和冷发射两种方式。热发射是目前应用范围最广的发射方式，然而这种发射方式会产生大量的高温、高速、高压燃气流，燃气流核心区温度一般可达1000℃以上，不仅对发射台及导流装置烧蚀严重，影响其使用寿命，且对周边环境也有特殊要求，导致热发射装置设计上要求更苛刻，而且维护、保养也相对较困难，费用较高。此外，对处于封闭状态下的导弹或者火箭(如地下井内的导弹)采用热发射时还需要解决排焰问题，往往使发射设施变得复杂并增加阵地建设的难度。为有效解决热发射方式存在的问题，研究人员对冷发射方式进行了广泛研究，然而目前对于冷发射方式的研究，受限于弹射速度、通用性、成本、清洁等方面的限制，其应用效果并不好，且无法进行反复使用。

技术实现思路

1、针对目前已有的导弹、火箭的热发射方式存在的会产生大量的高温、高速、高压燃气流问题，而冷发射方式受限于弹射速度、通用性、成本等问题，本发明公开的一种基于压缩空气递升式弹射实验装置及实验方法，要解决的问题是：提供一种可反复使用、弹射速度快、无需热防护措施、通用性好、成本低、清洁等优点的基于压缩空气递升式弹射实验装置，并提供一种基于所述装置实现的弹射实验方法，在安全、清洁、高效的前提下，实现弹体递升式的阶段加速过程。本发明能够为弹体冷发射实验提供测试平台，既能够实现对不同弹体质量、不同弹射压力的对比试验，也能够实现弹射筒中模拟弹体发射过程的动态参数测量。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

3、本发明公开的一种基于压缩空气递升式弹射实验装置：包括高压储气罐、第一高压注气管、第二高压注气管、第一高压电磁阀、第二高压电磁阀、时序控制装置、弹射筒、电动推杆、弹体、压力传感器、温度传感器、振动加速度传感器、无线加速度测试装置、智能数据采集仪、高速摄像机、发射平台。所述高压储气罐的上部安装有压力表，高压储气罐底部设置第一出气口和第二出气口，两个出气口分别与第一高压注气管、第二高压注气管相连，其右端分别与第一高压电磁阀、第二高压电磁阀的左端相连；所述第一高压电磁阀、第二高压电磁阀分别与时序控制装置相连，再分别通过第一旋转式法兰盘、第二旋转式法兰盘与弹射筒底部的第一进气口、第二进气口相连；所述弹射筒底部的第二进气口与弹射筒内的l型变径喷管相连，l型变径喷管与支撑杆共同固定在弹射筒底部，且一同朝向筒口方向；所述弹射筒的中部与电动推杆的顶部相铰接，弹射筒与电动推杆同时固定在发射平台上，电动推杆通过plc控制箱进行控制；所述压力传感器、温度传感器、振动加速度传感器在弹射筒的上部、中部、底部均有布置，并通过信号传输缆与智能数据采集仪相连；所述弹体装在弹射筒内部，弹体底部与l型变径喷管、支撑杆相接触；所述无线加速度测试装置通过支架固定在弹体内部；所述高速摄像机位于发射平台右侧，正对弹射筒的筒口位置。

4、作为优选，所述高速摄像机位于发射平台右侧20m处。

5、作为优选，所述第一出气口、第一高压注气管、第一高压电磁阀、第一旋转式法兰盘、第一进气口的直径统一为100mm，第二出气口、第二高压注气管、第二高压电磁阀、第二旋转式法兰盘、第二进气口直径统一为50mm。

6、为了进一步通过压缩气体对弹射筒内的弹体进行递升式加速，作为优选，弹射筒底部的第一进气口位于第二进气口下方，第一进气口从弹射筒底部贯穿到弹体底部，第二进气口与筒内的l型变径喷管相连；l型变径喷管的下直径与第二进气口相连，上直径为弹体直径的1/2，且l型变径喷管的中心需与弹体的中心位置重合，l型变径喷管与支撑杆共同固定在弹射筒底部，且一同朝向筒口方向。

7、为了实现对弹体递升式加速的精准控制，便于对不同质量的弹体进行发射，作为优选，第一高压电磁阀、第二高压电磁阀的开启时间与间隔通过时序控制装置进行控制，开启顺序为：优先第二高压电磁阀，其次为第一高压电磁阀，时间间隔范围约为(0.1～1s)；所发射弹体的质量与初始压力所提供给弹体的初始加速度，以及后续压力的递升需要满足对弹体的加速度不超过10g，弹体的初始加速度可通过无线加速度测试装置与弹体的连接线未断开时给出，断开后由加速度计发射无线信号至信号接收器进行测试，加速度值的计算方法和加速度计的使用极限计算方法如下：

8、

9、为了防止数据采集的丢失，所述的无线加速度测试装置可实时跟踪弹射筒内弹体的运动进行加速度的测量，当弹体在弹射筒内运动时，无线加速度测试装置可通过有线的方式给出时序控制装置电信号，在弹体的尾部离开弹射筒后，连接线被扯断，无线加速度测试装置可将采集到电信号保存到装置内部，有利于数据的采集。

10、为了保证弹体能够反复使用，同时分析不同质量的弹体的发射效果，以提供更多的对比实验，作为优选的：所述弹体的头部包裹有ptfe材料，弹体的内部可通过增加或者减少配重块(每个配重块的质量约为10～15kg)调整重量；弹体底部固定有螺旋杆，根据耐磨性校核公式：

11、p＝fmax/(π*d2*h*z)≤[p]                    (2)

12、式中：fmax为最大轴向载荷，d2为螺旋杆的中径，h为螺纹工作高度，z为旋合圈数，p为计算工作压强，[p]为许用工作压强，作为优选，螺旋杆的耐磨性需大于25mpa，然后在螺旋杆上固定托盘，配重块可嵌套在螺旋杆的托盘上，通过旋转螺旋杆可将托盘上下移动，进而可控制配重块在弹体内的深度，再通过螺杆强度校核公式：

13、σ＝4*fmax*sqrt(1+12*[d2*tg(λ+ψ)/d1]2)/(π*d12)≤[σ]       (3)

14、式中：d1为螺杆小径，σ为计算应力，[σ]为许用应力，对螺旋杆的承重强度进行计算，当σ≤[σ]时，满足强度要求，作为优选，许用应力大于40mpa。

15、本发明还公开的一种基于压缩空气递升式弹射实验方法，在所述一种基于压缩空气递升式弹射实验装置的基础上实现，具体实现方法为：实验前，在确定后弹体的质量后，需要对弹射筒内的弹体加速度值进行模拟预估，根据公式(1)

16、p＝nrt/v                          (1)

17、式中：p是指理想气体的压强，v为理想气体的体积，n表示理想气体物质的量，而t则表示理想气体的热力学温度(t＝273.15+t)，r为理想气体常数，其与气体种类无关、与单位有关。以确定第二高压电磁阀释放气体时所提供的压力，通过提前设置时序控制装置对第一高压电磁阀、第二高压电磁阀的时间间隔，并估算高压储气罐所需要的气体体积，根据现有气室内的体积适当调整气体摩尔数；实验时，先将无线加速度测试装置安装到弹体内部，再将弹体装到弹射筒内，通过plc控制箱控制电动推杆将弹射筒固定到指定位置，然后将压力传感器、温度传感器、振动加速度传感器、固定在弹射筒上的指定位置，并通过信号传输缆连接智能数据采集仪；向高压储气罐内充注气体，并通过压力表观察实时示数，然后调整高速摄像机的位置，正对弹射筒筒口位置。实验时，设置高速摄像机、智能数据采集仪、时序控制装置进行同步触发，实验触发后，时序控制装置瞬时打开第二高压电磁阀，高压储气罐内的气体通过第二出气口、第二高压电磁阀、第二进气口到达弹射筒底部，经过l型变径喷管冲向弹体底部，弹体受到气体压力开始运动后，无线加速度测试装置向时序控制装置传递出电压信号，然后时序控制装置打开第一电磁阀，高压储气罐内的气体再通过第一出气口、第一高压电磁阀、第一进气口到达弹射筒底部，增大弹体与气体的接触面积，实现对弹体的递升式加速；弹射筒上的压力传感器、温度传感器、振动加速度传感器此时也进行相应的数据采集，弹体在离开弹射筒后，弹体内无线加速度测试装置与时序控制装置之间的连接线被扯断，此时无线加速度装置以电信号的方式将测试到数据保存到装置内部，直至弹体停止运动，待弹体着陆后完全停止运动，弹射实验测试完成，然后可进行重复实验或者通过改变测试工况进行对比实验。

18、有益效果：

19、1、相较已有的导弹、火箭的冷发射方式，本发明公开的一种基于压缩空气递升式弹射实验方法，所述的时序控制装置是基于异步控制方式分别对第一高压电磁阀、第二高压电磁阀实时控制，并能够充分根据所弹射弹体的质量调整压缩气体释放的时间间隔，进而实现对弹体在弹射筒内的递升式加速，将弹体的弹射速度大大加快，时序控制装置能够灵活的调整电磁阀开启的先后顺序，有利于气源的充分利用。

20、2、本发明公开的一种基于压缩空气递升式弹射实验方法，所述的无线加速度测试装置可实时跟踪弹射筒内弹体的运动进行加速度的测量，当弹体在弹射筒内运动时，无线加速度测试装置可通过有线的方式给出时序控制装置电信号，在弹体的尾部离开弹射筒后，连接线被扯断，无线加速度测试装置可将采集到电信号保存到装置内部，可防止数据采集的丢失，有利于数据的采集。

21、3、本发明公开的一种基于压缩空气递升式弹射实验装置，所述的弹体的质量可通过增加或者减少配重块，并可通过旋转螺旋杆改变配重块的固定位置，实现同一弹体的重心调整与着陆方式的改变，从而提高实验效率，减少加工成本。

22、4、本发明公开的一种基于压缩空气递升式弹射实验装置，可为气体弹射相关专业提供实验平台，模拟导弹、火箭、无人机的弹射过程，并对模拟弹在发射简内的位移、速度、加速度，弹射筒的压力、温度等参数进行实时测量，实现弹射筒中模拟弹发射过程的动态参数研究，实现弹射筒中导弹发射讨程的缩此试验。