新型气体驱动二级轻气炮研制

二级轻气炮是超高速弹丸驱动技术中使用最广泛的技术之一。本文介绍了为超高速碰撞研究而研制的新型高压气体驱动二级轻气炮。该气炮利用已经运行的单级压缩气炮作为首级驱动 ,加装可拆卸二级发射装置组成。原单级压缩气炮的功能得以完整保留。本文的工作是围绕如何提高能量利用效率、减小二级发射冲击力、降低实验成本和提高效率等几个方面开展的。目前该炮首级用 2 0MPa氮气、泵管用 0 1MPa氢气驱动 ,已将 0 7g弹丸加速到 7 2km/s .

二级轻气炮发射过程内弹道数值计算研究

从二级轻气炮的运行原理出发,发展了内弹道计算程序分析二级轻气炮的操作及其发射性能。建立的数值模型包括:准一维两相流模型用于模拟火药燃烧及其生成气体在火药室和泵管中的流动,准一维可压缩非定常流模型分析氢气在活塞和弹丸之间的流动,一维理想粘塑性模型计算活塞在高压段锥形过渡段中的挤进过程,以及结合经典摩擦定律的摩擦模型计算活塞和弹丸/弹托与炮管之间的运动,气体、活塞/弹托与炮管之间的摩擦和热传导也进行了模拟。采用CFD方法求解流场控制方程,在空间和时间上均具有二阶精度。计算了中国空气动力研究与发展中心的二级轻气炮在典型试验条件下的内弹道特性,并与试验获得的弹丸发射速度进行了对比,计算的弹丸发射速度和试验结果符合较好。发展的二级轻气炮内弹道计算程序还可获得活塞的运动过程,弹丸加速度过载的变化规律,为优化试验装填参数和提高二级轻气炮的发射性能提供理论指导。

用于三级轻气炮弹速测量的改进型激光测速系统

激光测速技术几乎可以满足各类轻气炮实验中的弹速测量要求,具有响应速度快、对弹丸种类和形状无限制等优点。三级轻气炮中弹丸加载速率较高,高温弹前激波的发光干扰给弹丸激光测速带来很大的困难。对弹前激波的发光强度进行了理论分析和估算,并综合采用增加弹道消波装置、改善激光光路、优化测量电路等技术手段,改进了传统激光测速系统,增强了测速系统的抗干扰能力,提高了信噪比,实现了三级轻气炮中非金属弹丸高达8.11 km/s弹速的精确测量。

轻气炮低温靶的结构及液态CO_2冲击压缩特性的研究

介绍了一种二级轻气炮的低温靶（温度可调范围为１８０～２９０Ｋ）系统以及高纯度低温分子液体样品的制备技术。利用该项技术，我们在低温靶中成功地制备出了符合冲击实验要求的液态ＣＯ２样品，并在２０～６０ＧＰａ区域获得七个冲击压缩数据点。经分析发现。

用于一级轻气炮的弹速激光测量系统

研制了用于5 7mm一级轻气炮的激光测速系统 ,采用红光LD作光源 ,PIN作为光电探测器 ,并研制了专用前置放大器 ,整个系统集成于炮管延长段中 ,不仅具有结构简单紧凑、抗振动、易于准直 ,而且避免了弹丸的自由飞 ,保持了极小的碰撞角。采用该系统已成功地测量了非标准异型弹丸和非金属弹丸的速度 ,速度测量的相对不确定度小于 0 .2 %。

NASA二级轻气炮设备简介

随着人类航天活动日益频繁,地球轨道上空间碎片总数逐年增长。航天器表面空间碎片防护工作受到各航天大国的高度重视。航天器针对毫米级空间碎片主要采用被动防护方式。超高速撞击实验是防护方案设计工作的基础。NASA在毫米级弹丸超高速撞击实验中采用的主要发射装置为二级轻气炮。本文对美国NASA和相关单位二级轻气炮设备及其未来发展趋势进行简要介绍,同时对我国相关单位超高速撞击实验设备进行分析,并对发展趋势进行讨论。

用于轻气炮弹速测量的新型高信噪比激光测速系统

传统激光测速系统易受高温弹前激波发光和空间电磁场的影响,从而导致系统信噪比下降。为获取高质量信号波形,设计了一种可用于轻气炮弹速测量的新型激光测速系统,并提出了激光光路和光电转换电路的改进方法。采用光纤对激光进行引导,避免长引线的使用,增强了系统抗干扰能力。选择输出功率40mW的固体激光器作为系统光源,设计了具有滤光、聚光功能的复合式激光接收探头,提高了信号光强度。详细分析了测量电路的噪声与带宽,改进和优化了光电转换电路,测量电路的信噪比提升为98dB。轻气炮弹速实际测试结果表明,使用该测速系统获得的信号波形质量良好,测速结果相对扩展不确定度为0.73%,满足轻气炮弹速测量系统需求。

隧道围岩爆破冲击损伤防护的轻气炮试验及数值模拟

为减小爆破对隧道围岩的损伤破坏,在传统光面爆破装药结构基础上,设计了一种在炮孔一侧安放PVC-U材料来保护隧道围岩的装药结构,并分析了该装药结构在爆破过程中对隧道围岩损伤防护的机理。为进一步验证PVC-U管的防护效果,利用57 mm口径的一级轻气炮装置和LS-DYNA 3D软件进行了岩石冲击损伤破坏分析。结果表明:保护层能够降低岩石试件冲击面上的应力波峰值和减小试件的损伤程度;在相同冲击速度下,岩石试件冲击面上的应力波峰值随保护层厚度的增加而不断下降。加有厚4 mm保护层材料的岩石试件的损伤度较无保护层时降低了21.1%。对岩石试件的冲击过程进行的数值模拟验证了理论分析和试验结果的正确性。说明放置在炮孔内的PVC-U管能够对岩石的爆破损伤破坏起到一定的防护作用。

短靶室轻气炮实验中弹托分离技术研究

为了解决短靶室轻气炮实验中的弹托分离问题。设计了新型弹托结构和弹托气动分离装置．采用实验和数值模拟相结合的方法研究了弹丸速度和弹托分离范围与分离容器充气压力、筒长及弹丸初始速度的关系．研究结果表明，分离容器中充氮气压力0．2～0．5MPa，弹速为1～2．5km／s，在分离装置内能够实现弹托完全分离，弹丸飞行和击靶的姿态和稳定性较好，能够满足短靶室轻气炮实验的使用要求；充气压力增加，弹托分离角增大；弹速越高，分离效果越明显；短的分离容器更有利于降低由气动力造成的弹道偏差．

一级轻气炮内弹道数值模拟

利用拉格朗日方法跟踪弹后工质的运动规律，采用ＶｏｎＮｅｕｍａｎｎＲｉｃｈｔｍｙｅｒ差分格式对带有坡膛、有限药室长的一级轻气炮进行了内弹道一维数值模拟，对不同的工质，在初温及相对装药量变化的情况下进行了计算．计算结果表明：（１）对同一种工质，初始装填压力ｐ０和ω／Ｍ相同时，初温对弹丸的相对初速ｖｇ／ｃ０和炮口压力ｐｇ几乎没有影响；（２）对同一种工质，在ｐ０相同时，ｖｇ／ｃ０可表示成ω／Ｍ的函数，并随ω／Ｍ的增大而增大；（３）同一初温下，在ｐ０和弹丸质量ｍ相同时，分子量小的气体可使压力降ｐｇ／ｐ０越小，从而使弹丸获得较大的初速ｖｇ．

轻气炮汽冷低温靶系统的研制

直接用低温液体储运杜瓦瓶作为冲击压缩实验液氮靶的冷源 ,通过调节外部加热电压 ,控制瓶底安装的加热元件的功率 ,从而调节氮过冷蒸汽的流量 ,与液氮直接冷却相比 ,过冷汽靶具有操作安全 ,靶体经受的热冲击小 ,冷却效果均匀的特点。调节样品室的气压和冷却速度能够清晰地观测到样品物相的变化。为准确测量低温物态方程 ,扩大冲击压缩实验的范围提供了可靠的技术平台。给出了液态CO2 样品的实验结果。

二级轻气炮发射过程中前冲气体的初步研究

在二级轻气炮发射过程中,靶室内的残存气体和绕行到弹丸前方的推进气体都有可能对实验结果造成影响。利用石英传感器测量并得到了二级轻气炮高速弹丸发射时前冲气体的压力信号,并计算得到了相应的压力。实验结果表明:二级轻气炮发射时确实存在前冲气体现象,但其压力幅值较小,约为10-2GPa量级,不会对高压物理实验的结果造成明显的影响。

点火过程和初始条件对燃烧轻气炮内弹道性能的影响

采用计算流体力学方法对燃烧轻气炮膛内燃烧过程进行数值模拟,分析不同的点火点数目和点火能量以及初始温度和压力对燃烧轻气炮内弹道特性的影响。结果表明,采用合理的点火点数目、初始温度和压力条件可以有效控制氢气的燃烧过程,减弱燃烧室内的压力波动。模拟结果对燃烧轻气炮膛内燃烧过程控制具有重要参考价值。

二级轻气炮压缩级发射技术研究

在25 mm二级轻气炮上进行了火药室与泵管之间有、无大膜片的实验研究,观察在相同装填参数下这两种发射的弹道差异。理论计算和实验结果表明,火药室和泵管之间有、无大膜片对弹道性能没有明显的影响。

二级轻气炮弹速激光测量系统

介绍了激光测速法在二级轻气炮弹丸速度研究中的应用。为了满足对二级轻气炮毫米级弹丸速度高精度测量的需求,采用激光光束遮断法,研制了毫米级弹丸片状激光测量系统,系统主要包括发射端和接收端两个部分。整个系统可安装于二级轻气炮的炮管延长段,结构紧凑、抗干扰、有效测量范围大,可作为高速弹丸速度测量手段。应用该系统进行了模拟测速实验和二级轻气炮弹丸现场测速实验,并给出了典型测速实验结果。

Φ100/30mm口径二级轻气炮研制

Φ100/30mm口径二级轻气炮主要用于EFP(Explosively Formed Projectile爆炸成形弹丸)、PELE(Penetrator with Enhanced Lateral Efficiency横向效应增强型侵彻弹)、分段杆条等杀伤元件对各类目标毁伤机理及高应变率材料动态性能等领域的高速、超高速撞击实验研究。该气炮以Φ100mm单级压缩气炮作为首级驱动,加装可拆卸的Φ30mm发射管,实现了一、二级气炮的功能。本文主要介绍了该气炮的高压锥段、发射管、膜片及活塞等关键零部件的结构设计、调试及实验研究情况。目前该炮作为一级气炮已将20kg弹丸驱动到349m/s,1kg弹丸驱动到1157m/s;作为二级气炮已将100g弹丸驱动到3005m/s,400g弹丸驱动到1520m/s。

燃烧轻气炮发射药成分对内弹道性能的影响分析

为分析不同发射药成分对燃烧轻气炮内弹道性能的影响,通过计算流体力学方法对燃烧轻气炮燃烧室的三维氢燃烧流场进行数值模拟,湍流模型采用RNGk-ε双方程模型,氢气燃烧采用EDM涡耗散模型模拟.结果表明,在发射药中加入适当含量的稀释气体能够有效地控制发射药的燃烧,减小燃烧室内压力振荡,降低燃烧室平均温度;采用氢气发射药比甲烷气体具有更好的内弹道性能;发射药成分对燃烧轻气炮内弹道性能有显著影响.

二级轻气炮发射过程数学模型和计算方法

建立起模拟二级轻气炮发射过程的数值方法。运用经典内弹道学理论描述药室内火药燃烧状况和活塞运动过程,可压缩流体一维变截面非定常无粘流动数学模型描述轻气室内气体流动状态和弹丸运动过程,并通过活塞运动状态将两者耦合到一起,建立起二级轻气炮发射过程的数学模型。运用经典Runge-Kutta方法求解药室方程,二阶MacCormack格式和Harten二阶TVD格式求解轻气室方程,通过两部分计算的交替进行,实现了二级轻气炮发射过程的数值模拟。分析不同差分格式对计算结果的影响,MacCormack格式具有较高的整体计算精度,而TVD格式可以更好地捕捉流场中的激波。

基于微波干涉测速技术的二级轻气炮/火炮内弹道参数诊断

测量二级轻气炮/火炮弹丸在内弹道的速度历程,对轻气炮/火炮的设计、内弹道计算、弹道异常现象诊断分析具有重要作用。因为不同波长微波的传输特性在不同炮管中不同,不同目标的反射特性也不同,为获得最佳的测试结果,设计了两个波长的微波干涉测速系统。对二级轻气炮和高速火炮的内弹道速度进行了连续测量,并利用短时傅里叶变换与相位计算相结合的方法进行了数据处理。实验成功获取了完整的内弹道数据,所测弹丸炮口速度与光束遮断测速装置测试结果差异小于0.5%。通过对内弹道实验数据的分析,证实了二级轻气炮在某些装填条件下易出现碎弹现象。此外,首次观测到二级炮内弹道内前冲气体速度历史,可为研究高速气体的温度、压力、电离等状态提供数据支撑。

燃烧轻气炮氢氧燃烧特性详细反应动力学模拟

应用氢氧燃烧19步详细化学反应机理,建立了某燃烧轻气炮氢氧燃烧单区模型,数值模拟了氢氧混合气体燃烧发射弹丸的过程。模拟结果与文献[1]实验结果基本吻合,较好地模拟了某燃烧轻气炮氢氧燃烧热力学过程。在此基础上,对多种工况参数下的氢氧混合气体燃烧进行了系统仿真计算,分别讨论了初始温度、初始压力、稀释气体成分与比例对燃烧轻气炮氢氧燃烧特性以及内弹道性能的影响,分析了氢氧燃烧过程中各化学组分的变化。研究结果表明,氢氧混合气体初始温度、初始压力和稀释气体成分与比例对燃烧轻气炮内弹道性能有着显著影响。