反应气体驱动二级轻气炮技术的初步研究(2)
3 系统设计原则与整体结构设计
为满足弹速设计指标和安全运行要求,反应气体驱动二级轻气炮采用氢气-氧气混合体系,气体反应室容积和气体装填参数以弹速5~6 km/s为目标进行设计。采用等能量法则并结合已有的同构型固体发射药确定最高气体装填参数,进行反应室容积及构型设计。
设计反应室时,已有文献中仅考虑了气体燃烧状态的强度校核,然而氢气-氧气混合气体在点火能量较高的情况下可能发生燃烧转爆轰现象,甚至直接发生爆轰,因此反应室结构设计及材料选择需根据最高装填参数下的爆轰条件来确定。此外,在反应气体驱动二级轻气炮设计中还需要考虑避免管路气体回流混合、气体混合均匀性、点火可靠性、气体加注参数测量以及可燃气体泄漏监测等因素,以满足实验安全要求。综合以上因素,我们设计了反应气体驱动二级轻气炮系统,其结构如图2所示。
图2 反应气体驱动二级轻气炮结构示意图Fig.2 Structural diagram of two-stage light gas gun using reactive gas as driving energy
4 实验结果与讨论
将反应气体驱动技术在20/57 mm构型(发射管直径dlaunch和泵管直径dpump分别为20和57 mm)二级轻气炮上进行初步的弹道性能实验,根据氢气与氧气的反应化学方程式
可以得出反应释放的总能量(E)和等效硝化棉质量构型反应气体驱动二级轻气炮的实验数据见表1。
表1 反应气体驱动20/57 mm二级轻气炮实验数据Table 1 Experimental data of 20/57 mm two-stage light gas gun using reactive gas as driving /(mm)dpump/(mm)E/(MJ)m*nitrocotton/(g)Cuflyerdimension/(mm×mm)mp/(g)up/(km/s).?18×.?18×.?18×
采用激光束遮断(Optical Beam Breakout,OBB)法测量弹丸速度,图3为测量系统示意图,弹丸速度为5.64 km/s时的测试信号如图4所示。激光束遮断法的测速原理:将OBB装置安装在轻气炮的炮口处,OBB装置在一定的间距位置上由激光器输出两束激光,弹丸运动并依次遮断两束激光,产生脉冲信号,一方面用于检测弹丸的完整性,另一方面可获得弹丸在间距内的运动时间,进而计算出弹丸速度。在实测OBB信号(见图4)中,弹丸遮挡光束产生起跳信号前,测量基线发生了一定幅度的衰减,并伴有噪声,主要原因是弹丸前方的少量高温前冲气体对测量光路产生干扰,但是弹丸遮断激光束引起的光强陡降信号非常明显,并不影响信号判读。
图3 OBB测速系统示意图Fig.3 Schematic of OBB system
图4 发射弹速为5.64 km/s时的OBB信号Fig.4 OBB signals at projectile velocity of 5.64 km/s
从实验结果可以看出:当反应能量为3.52 MJ时,20/57 mm构型二级轻气炮可将8.06 g弹丸发射到5.64 km/s。根据实验经验和弹道计算结果,认为发射管口径与泵管口径之比在1/3.5~1/5.0范围内为宜[7],而20/57 mm构型的口径比小于3,在优化结构下,应能获得更高的发射能力。
为了初步检验反应气体驱动二级轻气炮的弹道稳定性,在装填参数相同的条件下进行了对比实验,结果见表1。可见,在反应能量均为2.59 MJ的装填条件下,弹丸炮口动能分别为0.097和0.101 MJ,相对偏差小于5%,此差异部分归因于弹丸质量的不同。若将弹丸质量由9.47 g变为9.21 g,则换算后的弹速为4.58 km/s,与实测弹速4.70 km/s的相对偏差约为2.5%,说明该反应气体驱动二级轻气炮的弹道稳定性基本满足使用要求。此外,考虑到实验中气体装填量由精度为0.1 MPa的气压传感器监测,导致注气量和发射能量存在一定的误差,可以预见在采用更高精度的压力传感器控制注气量、提高气体装填精度时,将能获得更稳定的发射性能。
图5为实验后活塞、活塞前大膜片和弹丸前小膜片的实物图。从图5(a)中可以看出:随着弹丸速度的增加,活塞挤进高压段的变形量增大;当弹丸速度为5.64 km/s时,活塞头部的变形量很大,明显挤进高压段直段,此现象在发射能量较高、活塞速度较快的条件下才会出现,说明采用氢气-氧气反应方式驱动一级活塞的能力满足实验要求。由图5(b)和图5(c)可知,大膜片和小膜片均正常破裂。
图5 实验后活塞、大膜片和小膜片的实物图Fig.5 Photographs of actual pistons,big films and small films after experiments
5 结 论
开展了反应气体驱动二级轻气炮发射技术的实验研究,采用等能量估算方法,确定了反应气室容积和结构参数,设计了相应的注气、点火以及气体压力监测系统,建立了20/57 mm构型反应气体驱动二级轻气炮样机,并开展了初步弹道性能实验,获得了5.6 km/s的较高发射速度。
文章来源:《高压物理学报》 网址: http://www.gywlxbzz.cn/qikandaodu/2021/0722/585.html