CN101907426A - 发射药变容燃速测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发射药变容燃速测试装置，属于火炸药性能测试领域。其技术特点是，燃烧室壁上和活塞上各装一个压力传感器，活塞与活塞腔滑动配合且通过与之固连的活塞杆将其内传感器的连接线引到活塞腔外，点火药包和被测发射药放在燃烧室中；测试时，被测发射药在燃烧室中燃烧并推动活塞运动，两个压力传感器分别记录测试过程中燃烧室固定位置和活塞底部的压力曲线即p₁-t曲线和p₂-t曲线，高速摄像仪记录活塞杆的运动行程-时间曲线即L-t曲线；通过数据采集与处理系统的后期计算与处理，最终获得被测发射药的燃速压力系数和燃速压力指数。本发明不仅解决了发射药变容燃速的测量问题，同时还解决了模拟测量弹底压力的技术问题。

Description

发射药变容燃速测试装置

技术领域

本发明属于火炸药性能测试领域，主要涉及一种发射药的燃烧性能测试装置，尤其涉及一种可在密闭变容条件下对身管武器发射药的燃速进行测试的装置。

背景技术

发射药是身管武器完成弹丸发射的动力源，它的燃烧性能直接决定了弹丸的初速、武器身管的寿命以及身管武器发射的稳定性。在身管武器发射药的研制过程中，一般采用密闭爆发器试验法对发射药的燃速进行测试，以对发射药的燃烧性能进行评估。由于试验中所采用的密闭爆发器是一种定容测试装置，一般有100ml、200ml、500ml和800ml等型号，这些不同型号的密闭爆发器可以测试出发射药在不同压力段内的燃速分布，放在每个型号密闭爆发器内的发射药都可以认为是静止的，而且发射药在燃烧过程中所处的容积始终不变。然而，发射药在身管武器的膛内的燃烧是伴随着发射药及燃气的高速运动以及燃烧室容积的急剧变化。因此，用爆发器试验法测试发射药的燃烧速度存在以下问题：(1)发射药处于定容状态下燃烧，与实际应用过程中的变容过程相差太大；(2)发射药燃烧时，基本保持静止状态，与实际应用中发射药在一定运动速度下燃烧的条件不相符。可见，通过爆发器试验法获得的发射药燃速不能真实的反映出发射药的燃烧性能，因而也不能直接应用于身管武器的内弹道设计及装药设计。国内到目前为止，在身管武器的内弹道设计及装药设计中，还普遍采用发射药燃速的经验值作为设计输入值，这在一定程度上增大了设计值和试验值之间的误差，最终影响到身管武器的性能。

随着身管武器向初速更高、发射更快、打击更准的目标和方向发展，对内弹道设计和装药设计也提出了更高的要求，因此，能否获得接近膛内环境即变容条件下，发射药的真实燃速数据显得尤为重要。从目前检索的技术资料中，尚未见有关在密闭变容条件下对发射药进行燃速测试的公开报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有发射药燃速测试装置存在的不足，提供一种发射药变容燃速测试装置，具体而言，该装置可以模拟身管武器膛内的变容环境，并能够获得发射药在变容和运动条件下的燃速数据，从而为发射药的研制和武器装药设计提供较可靠的输入数据。

为解决上述技术问题，本发明提供的发射药变容燃速测试装置包括本体组件、点火组件、第一压力传感器、第二压力传感器、数据采集与处理系统和高速摄像仪组件；所述本体组件含有本体、第一密封堵头、第二密封堵头、缓冲垫、活塞杆、第一垫圈、第二垫圈和活塞：所述本体带有燃烧室和活塞工作腔，活塞工作腔的孔壁上设有与外部相通的第一安装孔，燃烧室的直径大于活塞工作腔的直径且两者通过锥面过渡，活塞工作腔在与锥面交界处设有一个环形定位台，所述第一压力传感器对应密封安装在第一安装孔中；所述第一密封堵头的两端面之间设有两个过线孔，所述本体的燃烧室一端用第一密封堵头和第一垫圈密封；所述活塞杆为空心杆体，所述活塞带有第二安装通孔，其外径与所述活塞工作腔滑动配合，所述第二压力传感器固连在活塞底端一侧的第二安装通孔中，活塞前端一侧的第二安装通孔与活塞杆的一端固连且第二压力传感器的电信号连接线由活塞杆的通孔引出，活塞的底端面定位于所述环形定位台处；所述第二密封堵头带有两端相通的滑孔，所述本体的活塞工作腔一端用第二密封堵头和第二垫圈密封，所述活塞杆的另一端由所述滑孔伸到本体之外；所述点火组件含有点火电极、点火丝、点火药包和点火器，点火电极的正极插在所述第一密封堵头的一个过线孔中，负极插在第一密封堵头的另一过线孔中，点火电极位于燃烧室中的正、负极端头与穿过所述点火药包的所述点火丝两端对应相接；点火电极暴露在本体之外的正、负极端头分别通过导线与所述点火器相连；第一压力传感器和第二压力传感器的电信号连接线均通与所述数据采集与处理系统相连；所述高速摄像仪组件包括高速摄像仪和含有刻度线的背景靶，背景靶沿活塞杆伸出方向放置且测试前活塞杆的伸出端与背景靶的一段刻度线重叠，高速摄像仪通过电缆与数据采集与处理系统连接，高速摄像仪的镜头垂直正对背景靶，以拍摄所述活塞杆沿背景靶刻度线运动的图像；测试时，将被测发射药放在所述点火药包的周围，当所述数据采集与处理系统控制点火器输出点火信号时，所述第一压力传感器、第二压力传感器和高速摄像仪被同步触发，且第一压力传感器记录燃烧室固定位置在变容燃烧过程中的压力-时间曲线即第一p-t曲线，第二压力传感器记录燃烧室变容位置在变容燃烧过程中的压力-时间曲线即第二p-t曲线，高速摄像仪记录活塞杆运动过程中的行程-时间曲线即l-t曲线；所述数据采集与处理系统的功能是，接收通过键盘输入的已知参数；在被测发射药燃烧过程结束后，通过数据采集卡采集第一压力传感器、第二压力传感器和高速摄像仪分别记录的p₁-t曲线、p₂-t曲线、L-t曲线；根据内置的算法公式依次完成以下计算与处理步骤：根据运动方程，将L-t曲线转换成随时间变化的活塞运动速度曲线即v-t曲线；根据内弹道理论的能量平衡方程式，将v-t曲线转换成随时间变化的发射药燃烧百分数曲线即Ψ-t曲线；根据发射药燃烧定律中燃烧百分数与燃烧厚度的关系式，将Ψ-t曲线转换成随时间变化的发射药燃烧厚度曲线即Z-t曲线；根据发射药燃烧定律中燃烧厚度与燃速的关系式，将Z-t曲线转换成随时间变化的发射药变容燃速曲线即u-t曲线；通过获取p₁-t曲线和p₂-t曲线上每个相同时刻的平均压力数据而构成随时间变化的燃烧室压力曲线即

曲线；将u-t曲线和

曲线转换成随燃烧室压力变化的发射药变容燃速曲线即

曲线：根据u＝u₁pⁿ指数关系式对曲线进行拟合，最终获得被测发射药的燃速压力系数u₁和燃速压力指数n。

本发明还包括一个由橡胶材料制作的缓冲垫，缓冲垫套在位于活塞工作腔内的所述活塞杆上，并与所述第二垫圈端面固连。

本发明的有益效果体现在以下几个方面。

(一)本发明采用具有密闭结构的活塞运动体，密闭结构能够很好的保证发射药燃烧的能量不外泄，通过试验手段和理论分析能够定性定量的求出每一部分能量的损失或转化，为从理论和试验研究发射药变容燃速提供了必备的技术保障。与现有技术相比，能够在运动的条件下，精确分析测试各个部分所耗能量的多少，做到对发射药变容燃速的真实反映。

(二)本发明中所用的在密闭环境下的运动活塞，能够很好的模拟弹丸在火炮中的运动状态，能够研究发射药运动状态对燃烧的影响，尤其在起始阶段与火炮发射状态相同，因此能够很好的研究弹丸起始运动和发射药燃烧之间的影响因素，在密闭的条件下测量各运动参数。与现有技术相比，摒除了其它各种弹道因素的影响而主要研究发射药的燃烧，能够精确测定发射药变容燃烧的相关参数，是现有技术空白的补充。

(三)本发明采用了空心活塞杆和带孔活塞的连接结构，活塞杆的一端安装第二压力传感器并固定在活塞孔中，第二压力传感器的电信号连接线通过活塞杆的通孔引出到本体外，可以在活塞运动期间获得活塞底部的压力，而活塞底部的受压情况与弹丸在火炮膛内的受压情况基本相同。因此，本发明能够模拟测得弹丸的膛底压力，解决了迄今为止不能直接测量弹底压力的技术问题，这对分析装药的内弹道和发射药的膛内燃烧至关重要。

附图说明

图1是本发明变容燃速测试装置的组成示意图。

图2是图1中所示的本体结构示意图。

图3和图4分别是图1中所示活塞的主视图和左视剖视图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

正如图1所示，发射药变容燃速测试装置的优选实施例包括本体组件，点火组件，高速摄像仪组件，第一、第二压力传感器6、16和数据采集与处理系统14。第一、第二压力传感器6、16均为制式产品，其型号为KISTLER6213B。

本体组件含有本体5、第一密封堵头3、第二密封堵头8、缓冲垫15、活塞杆10、第一垫圈4、第二垫圈9和活塞7。本体5带有多阶通孔，从其左端至右端(参见图2)依次为螺孔5-1、大直径孔5-3和小直径孔5-5：大直径孔5-3的尺寸为Φ45mm×150mm且孔壁上设有与外部相通的第一安装孔5-2；大直径孔5-3和小直径孔5-5通过45°锥面过渡；小直径孔5-5的尺寸为Φ30mm×250mm且在45°锥面交界处设有一个环形定位台5-4。本体5在其小直径孔5-5一侧的一段外壁为径向内缩且设有外螺纹5-6。第一压力传感器6对应密封安装在第一安装孔中，大直径孔5-3作为本发明中的燃烧室，小直径孔5-5作为本发明中的活塞工作腔。第一密封堵头3为凸形圆柱体且小圆柱体上设有外螺纹，两端面之间设有两个过线孔，其中，第一过线孔位于端面中心，第二过线孔的中心与端面中心相距3cm。第一密封堵头3与本体上的螺孔5-1连接，小圆柱体端面通过第一垫圈4与本体5的阶梯面接触，由此实现了第一密封堵头3对本体5一端的密封。活塞杆10为空心杆体，活塞7带有第二安装通孔，其外径与所活塞工作腔5-5滑动配合，底端面定位于所述环形定位台5-4处；第二安装通孔为阶梯孔(参见图3、图4)，第二压力传感器16固连在活塞7底端一侧的两个阶梯孔中，活塞7前端一侧的螺孔与活塞杆10的一端固连且第二压力传感器16的电信号连接线由活塞杆10的通孔引出。缓冲垫15带有中心孔且采用橡胶材料制作，缓冲垫15套在活塞杆10的中部。第二密封堵头8为U形，其内壁带有螺纹且底部带有两端相通的滑孔，第二密封堵头8与本体5上径向内缩的外螺纹5-6连接，由此实现了第二密封堵头8对本体5另一端的密封，其中：第二密封堵头8的U形内底面通过第二垫圈9与本体5的环形端面接触，第二垫圈9的另一端与缓冲垫15固连，活塞杆10的另一端由滑孔伸到本体5之外。

点火组件含有点火电极1、绝缘套2、点火丝18、点火药包19和点火器20。点火器20为制式产品，其功能是提供点火电能。点火药包19为硝化棉点火药包。点火丝18选用Φ0.1-0.2的镍铬丝。点火电极1选用35CrMnSiA材料制作，其正极、负极分别插在第一密封堵头3上的第一、第二过线孔中，负极通过绝缘套2与第二过线孔密封绝缘，点火电极1位于本体5腔内的正、负极端头与穿过点火药包19的点火丝18两端对应相接；点火电极1暴露在本体5之外的正、负极端头分别通过导线与点火器20相连。第一、第二压力传感器6、16的电信号连接线均与数据采集与处理系统14相连。

高速摄像仪组件含有高速摄像仪13和背景靶12、背景靶上带有刻度线11。高速摄像仪13为制式产品，其型号为phant om V7.2。背景靶12为1200mm×2000mm×15mm的纸质板，上面画有最小刻度为1mm的刻度线11，背景靶12沿活塞杆10的运动方向垂直立于地面，且测试前活塞杆10的伸出端与背景靶12的一段刻度线11重叠，高速摄像仪13通过电缆与数据采集与处理系统14连接，高速摄像仪13的镜头垂直正对背景靶12，以拍摄所述活塞杆10沿背景靶刻度线11运动的图像。

测试时，将被测发射药17放在燃烧室5-3的左端，装填密度不大于0.3g/ml。当点火器20输出电信号后，电流通过点火丝18点燃点火药包19，点火药包19燃烧将燃烧室中的发射药17点燃；两者共同作用使燃烧室中压力不断上升，当压力达到活塞7的挤进压力时，活塞7连同活塞杆10开始在活塞工作腔内运动，当活塞7运动到第二密封堵头8处，活塞7与缓冲垫15相互作用使得活塞7减速并停止下来。在此期间，第一压力传感器6记录燃烧室5-3固定位置在变容燃烧过程中的压力-时间曲线(简称第一p-t曲线)；第二压力传感器16记录燃烧室5-3变容位置即活塞7底部在变容燃烧过程中的压力-时间曲线(简称第二p-t曲线)；高速摄像仪13记录活塞杆的行程-时间曲线即L-t曲线，被测发射药17完全燃烧后，放掉燃烧室中的气体，即完成一次试验过程。

数据采集与处理系统14为装有存储器、数据采集卡和数据处理软件包的计算机系统。数据处理软件包的功能是，接收通过键盘输入的已知参数；在被测发射药17燃烧过程结束后，通过数据采集卡采集第一、第二压力传感器6、16和高速摄像仪13分别记录的p₁-t曲线、p₂-t曲线和L-t曲线；根据内置的算法公式进行以下步骤的计算：

(1)根据运动方程和高速摄像仪获得的L-t曲线，解算活塞在测试过程中任意时刻的速度，并获得随时间变化的活塞运动速度曲线即v-t曲线；

$v_i=v_{i-1}+\frac{L_i-L_{i-1}}{t_i-t_{i-1}}$ 且i＝1，2，3...N，v₀＝0，L₀＝0，t₀＝0

其中：t_i为L-t曲线上第i个采样点所对应的时刻，L_i为L-t曲线上t_i时刻所对应一个行程数据，N为L-t曲线上所含行程数据的总数量。v₀、L₀、t₀为事先存入存储器中的参数。

(2)根据下式计算p₁-t曲线和p₂-t曲线上相同时刻的平均压力数据，获得随时间变化的燃烧室压力曲线，即

曲线：

$\stackrel{\‾}{p}=\frac{p_1+p_2}{2}$ 且i＝1，2，3...N

(3)根据内弹道理论的能量平衡方程式，解算发射药在测试过程中任意时刻的已燃百分数，获得随时间变化的发射药燃烧百分数曲线，即Ψ-t曲线：

且i＝1，2，3...N其中：Ψ_i为发射药燃烧百分数；

为曲线上第i个压力值；1₀为燃烧室的缩径长；Δ为发射药的装填密度；δ为发射药密度；α为发射药的余容；L_i为活塞在在t_i时刻的运动距离；f为发射药的火药力，ω为发射药的装药量；θ＝α-1；

为次要功计算系数，取值范围在1.0～1.2并根据经验选取；m为活塞的质量。在上述参量中，1₀、m为事先存入存储器的参数；而Δ、δ、α、f、ω、θ和均为键盘输入的已知参数。

(4)根据发射药燃烧定律中燃烧百分数与燃烧厚度的关系式，解算发射药在测试过程中任意时刻的相对燃烧厚度，获得随时间变化的发射药燃烧厚度曲线，即Z-t曲线：

Ψ_i＝xZ_i(1+λZ_i)且i＝1，2，3...N

其中：x、λ为发射药的形状特征参量，为键盘输入的已知参数；Z_i为发射药在t_i时刻的相对燃烧厚度，且取0≤Z_i≤1作为有效数据。

(5)根据发射药燃烧定律中燃烧厚度与燃速的关系式，解算发射药在测试过程中任意时刻的变容燃速，获得随时间变化的发射药变容燃速曲线，即u-t曲线：

$u_i=\frac{\mathrm{\Δe}}{\mathrm{\Δ}{t}_i}=\frac{e_1\·\mathrm{\Δ}{Z}_i}{\mathrm{\Δ}{t}_i}$ 且1≤i≤N

其中：Δt_i为当前时刻与前一时刻之差；ΔZ_i为发射药当前时刻的相对燃烧厚度与前一时刻的相对燃烧厚度之差；e₁为1/2发射药燃烧层厚度且为键盘输入的已知参数。

(6)根据u-t曲线和

曲线，获得随燃烧室压力变化的发射药变容燃速曲线，即

曲线。

(7)根据下式对

曲线进行指数式拟合，最终获得燃速压力系数和燃速压力指数。

u＝u₁pⁿ

其中：u₁为被测发射药的燃速压力系数；n为被测发射药的燃速压力指数。

Claims (2)

1.一种发射药变容燃速测试装置，包括本体组件和点火组件，其特征在于：还包括第一压力传感器[6]、第二压力传感器[16]、数据采集与处理系统[14]和高速摄像仪组件；所述本体组件含有本体[5]、第一密封堵头[3]、第二密封堵头[8]、第一垫圈[4]、第二垫圈[9]和活塞[7]；所述本体[5]带有燃烧室[5-3]和活塞工作腔[5-5]，活塞工作腔[5-5]的孔壁上设有与外部相通的第一安装孔[5-2]，燃烧室[5-3]的直径大于活塞工作腔[5-5]的直径且两者通过锥面过渡，活塞工作腔[5-5]在与锥面交界处设有一个环形定位台[5-4]；所述第一压力传感器[6]对应密封安装在第一安装孔[5-2]中；所述第一密封堵头[3]的两端面之间设有两个过线孔，所述本体[5]的燃烧室[5-3]一端用第一密封堵头[3]和第一垫圈[4]密封；所述活塞杆[10]为空心杆体，所述活塞[7]带有第二安装通孔，其外径与所述活塞工作腔[5-5]滑动配合，所述第二压力传感器[16]固连在活塞[7]底端一侧的第二安装通孔中，活塞[7]前端一侧的第二安装通孔与活塞杆[10]的一端固连且第二压力传感器[16]的电信号连接线由活塞杆[10]的通孔引出，活塞[7]的底端面定位于所述环形定位台[5-4]处；所述第二密封堵头[8]带有两端相通的滑孔，所述本体[5]的活塞工作腔[5-5]一端用第二密封堵头[8]和第二垫圈[9]密封，所述活塞杆[10]的另一端由所述滑孔伸到本体[5]之外；所述点火组件含有点火电极[1]、点火丝[18]、点火药包[19]和点火器[20]，点火电极[1]的正极插在所述第一密封堵头[3]的一个过线孔中，负极插在第一密封堵头[3]的另一过线孔中，点火电极[1]位于燃烧室[5-3]中的正、负极端头与穿过所述点火药包[19]的所述点火丝[18]两端对应相接；点火电极暴露在本体[5]之外的正、负极端头分别通过导线与所述点火器[20]相连；第一压力传感器[6]和第二压力传感器[16]的电信号连接线均通与所述数据采集与处理系统[14]相连；所述高速摄像仪组件包括高速摄像仪[13]和含有刻度线[11]的背景靶[12]，背景靶[12]沿活塞杆[10]伸出方向放置且测试前活塞杆[10]的伸出端与背景靶[12]的一段刻度线[11]重叠，高速摄像仪[13]通过电缆与数据采集与处理系统[14]连接，高速摄像仪[13]的镜头垂直正对背景靶[12]，以拍摄所述活塞杆[10]沿背景靶刻度线[11]运动的图像；测试时，将被测发射药[17]放在所述点火药包[19]的周围，当所述数据采集与处理系统[14]控制点火器[20]输出点火信号时，所述第一压力传感器[6]、第二压力传感器[16]和高速摄像仪[13]被同步触发，且第一压力传感器[6]记录燃烧室[5-3]固定位置在变容燃烧过程中的压力-时间曲线即第一p-t曲线，第二压力传感器[16]记录燃烧室[5-3]变容位置在变容燃烧过程中的压力-时间曲线即第二p-t曲线，高速摄像仪[13]记录活塞杆[10]运动过程中的行程-时间曲线即l-t曲线；所述数据采集与处理系统[14]的功能是，接收通过键盘输入的已知参数；在被测发射药[17]燃烧过程结束后，通过数据采集卡采集第一压力传感器[6]、第二压力传感器[16]和高速摄像仪[13]分别记录的p₁-t曲线、p₂-t曲线、L-t曲线；根据内置的算法公式依次完成以下计算与处理步骤：根据运动方程，将L-t曲线转换成随时间变化的活塞运动速度曲线即v-t曲线；根据内弹道理论的能量平衡方程式，将v-t曲线转换成随时间变化的发射药燃烧百分数曲线即Ψ-t曲线；根据发射药燃烧定律中燃烧百分数与燃烧厚度的关系式，将Ψ-t曲线转换成随时间变化的发射药燃烧厚度曲线即Z-t曲线；根据发射药燃烧定律中燃烧厚度与燃速的关系式，将Z-t曲线转换成随时间变化的发射药变容燃速曲线即u-t曲线；通过获取p₁-t曲线和p₂-t曲线上每个相同时刻的平均压力数据而构成随时间变化的燃烧室压力曲线即

曲线；将u-t曲线和曲线转换成随燃烧室压力变化的发射药变容燃速曲线即

曲线：根据u＝u₁pⁿ指数关系式对

曲线进行拟合，最终获得被测发射药的燃速压力系数u₁和燃速压力指数n。

2.根据权利要求1所述的发射药变容燃速测试装置，其特征在于：还包括一个由橡胶材料制作的缓冲垫[15]，缓冲垫[15]套在位于活塞工作腔[5-5]内的所述活塞杆[10]上，并与所述第二垫圈[9]端面固连。

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