CN101907427B - 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。该装置包括含有本体和活塞的本体组件、点火组件、两个压力传感器和数据采集与处理系统；本体上设有燃烧室和活塞工作腔并通过相应的堵头形成密闭空间，活塞与活塞工作腔滑动配合，点火组件中的点火药包位于燃烧室中并通过电极和导线与本体外部的点火器相连；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和活塞工作腔的压力曲线即p₁-t曲线和p₂-t曲线，被测发射药燃烧结束后，数据采集与处理系统采集p₁-t曲线和p₂-t曲线并对其进行一系列的计算与处理，最终获得被测发射药的燃速压力系数和燃速压力指数。本发明解决了发射药变容燃速的测量问题。

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。

随着身管武器向更高、更快、更准的目标方向发展，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、第二压力传感器和数据采集与处理系统；所述本体组件含有本体、第一密封堵头、第二密封堵头、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；所述活塞为圆柱体，其外径与所述活塞工作腔滑动配合，活塞一端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第二安装孔，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；所述第一压力传感器、第二压力传感器对应密封安装在所述第一安装孔和所述第二安装孔中，第一压力传感器和第二压力传感器的信号输出端均通过电缆与所述数据采集与处理系统相连；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，第一压力传感器和第二压力传感器被同步触发，且第一压力传感器记录燃烧室变容燃烧过程中的压力-时间曲线即p₁-t曲线，第二压力传感器记录活塞工作腔变容过程中的压力-时间曲线即p₂-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、第二压力传感器分别记录的p₁-t曲线、p₂-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：根据气体定律方程，将p₂-t曲线转换成随时间变化的活塞工作腔容积曲线即V₂-t曲线；根据活塞工作腔容积与活塞运动速度关系式，将V₂-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曲线上每两个相邻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。

根据本发明，所述一个过线孔位于第一密封堵头的端面中心，另一个过线孔与端面中心相距3cm。

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。

附图说明

图1是本发明变容燃速测试装置组成示意图。

图2是图1中所示的本体结构示意图。

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，第一、第二压力传感器8、13和数据采集与处理系统16。

本体组件含有本体6，第一、第二密封堵头4、10，第一、第二垫圈5、11和活塞9。本体6带有多阶通孔，从其左端至右端(参见图2)依次为螺孔6-1、大直径孔6-3和小直径孔6-5：大直径孔6-3的尺寸为Φ45mm×150mm且孔壁上设有与外部相通的第一安装孔6-2；大直径孔6-3和小直径孔6-5通过45°锥面过渡；小直径孔6-5的尺寸为Φ30mm×250mm且在45°锥面交界处设有一个环形定位台6-4。本体6在其小直径孔6-5一侧的一段外壁为径向内缩且设有外螺纹6-6。大直径孔6-3作为本发明中的燃烧室，小直径孔6-5作为本发明中的活塞工作腔。第一密封堵头4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4与本体上的螺孔6-1连接，小圆柱体端面通过第一垫圈5与本体6的阶梯面接触，由此实现了第一密封堵头4对本体6一端的密封。活塞9为圆柱体，其外径与本体6的活塞工作腔滑动配合；活塞9一端定位于环形定位台6-4处。第二密封堵头10为U形，其内壁带有螺纹且底部带有两端相通的第二安装孔，第二密封堵头10与本体6上径向内缩的外螺纹6-6连接，其U形的内底面通过第二垫圈11与本体6的环形端面接触，由此实现了第二密封堵头10对本体6另一端的密封。

点火组件含有点火电极2、绝缘套3、点火丝20、点火药包21和点火器22。点火器22为制式产品，其功能是提供点火电能。点火药包21为硝化棉点火药包。点火丝20选用Φ0.1～0.2的镍铬丝。点火电极2选用35CrMnSiA材料制作，其正极、负极分别插在第一密封堵头4上的第一、第二过线孔中，负极通过绝缘套3与第二过线孔密封绝缘，点火电极2位于本体6腔内的正、负极端头与穿过点火药包21的点火丝20两端对应相接；点火电极2暴露在本体6之外的正、负极端头分别通过导线与点火器22相连。

第一、第二压力传感器8、13均为制式产品，其型号为KISTLER6213B。第一、第二压力传感器8、13对应密封安装在本体6上的第一安装孔6-2和第二密封堵头10上的第二安装孔中，第一、第二压力传感器8、13的信号输出端通过电缆与数据采集与处理系统16相连。

测试时，将被测发射药19放在燃烧室的左端，装填密度不大于0.3g/ml。当点火器22输出电信号后，电流通过点火丝20点燃点火药包21，点火药包燃烧将燃烧室中的发射药19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9的挤进压力时，活塞9开始在活塞工作腔内运动，当活塞9运动到第二密封堵头10处，活塞9与第二密封堵头10堵头相互作用使得活塞9减速并停止下来。在此期间，第一压力传感器8记录燃烧室一侧变容燃烧过程中的压力-时间曲线(简称p₁-t曲线)；第二压力传感器13记录活塞运动的压力-时间曲线(简称p₂-t曲线)，被测发射药19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16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19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8、13分别记录的p₁-t曲线、p₂-t曲线；根据内置的算法公式进行以下步骤的计算：

(1)根据气体定律方程，解算活塞工作腔在测试过程中任意时刻的容积，并获得随时间变化的活塞工作腔的容积曲线即V₂-t曲线；

  且i＝1，2，3...N

其中：V_2i为活塞工作腔在某一时刻的容积；p₀为活塞工作腔的初始压力；即一个大气压0.1MPa，V₀为活塞工作腔的初始容积，p_2i为p₂-t曲线上的某一个压力数据，N为p₂-t曲线上所含压力数据的总数量。p₀、V₀为事先存入存储器中的参数。

(2)根据活塞工作腔的容积与活塞运动速度关系式，解算活塞在测试过程中任意时刻的运动速度，获得随时间变化的活塞运动速度曲线，即v-t曲线：

V_2i＝V₀-Sv_it_i  且i＝1，2，3...N

其中：S为活塞的横截面积，即事先存入存储器的参数，t_i为测试时间段内的某一时刻，v_i为活塞在t_i时刻的运动速度。

(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；p_i为p₁-t曲线上的某个压力值；l₀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，即等于活塞运动速度乘以活塞运动时间；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，l₀、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)根据下式计算p₁-t曲线上每两个相邻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：

$\stackrel{\‾}{p_{\mathrm{li}}}=\frac{p_{\mathrm{li}}+p_{1(i+1)}}{2}$    且1≤i≤N

其中：Δt_i为任意两个相邻时刻之间的时间段，为燃烧室在任意Δt_i时间段内的平均压力值。

(7)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。

(8)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，点火组件，其特征在于：还包括第一压力传感器[8]、第二压力传感器[13]和数据采集与处理系统[16]；所述本体组件含有本体[6]、第一密封堵头[4]、第二密封堵头[10]、第一垫圈[5]、第二垫圈[11]和活塞[9]，所述本体[6]带有燃烧室[6-3]和活塞工作腔[6-5]，活塞工作腔[6-5]的孔壁上设有与外部相通的第一安装孔[6-2]，燃烧室[6-3]的直径大于活塞工作腔[6-5]的直径且两者通过锥面过渡，活塞工作腔[6-5]在与锥面交界处设有一个环形定位台[6-4]；所述第一密封堵头[4]的两端面之间设有两个过线孔，所述本体[6]的燃烧室一端用第一密封堵头[4]和第一垫圈[5]密封；所述活塞[9]为圆柱体，其外径与所述活塞工作腔[6-5]滑动配合，活塞[9]一端定位于所述环形定位台[6-4]处；所述第二密封堵头[10]带有两端相通的第二安装孔，所述本体[6]的活塞工作腔一端用第二密封堵头[10]和第二垫圈[11]密封；所述点火组件含有点火电极[2]、点火丝[20]、点火药包[21]和点火器[22]，点火电极[2]的正极插在所述第一密封堵头[4]的一个过线孔中，负极插在第一密封堵头[4]的另一过线孔中，点火电极[2]位于燃烧室中的正、负极端头与穿过所述点火药包[21]的所述点火丝[20]两端对应相接；点火电极[2]暴露在所述本体[6]之外的正、负极端头分别通过导线与所述点火器[22]相连；所述第一压力传感器[8]、第二压力传感器[13]对应密封安装在所述第一安装孔[6-2]和所述第二安装孔中，第一压力传感器[8]和第二压力传感器[13]的信号输出端均通过电缆与所述数据采集与处理系统[16]相连；测试时，将被测发射药[19]放在所述点火药包[21]的周围，当所述数据采集与处理系统[16]控制点火器[22]输出点火信号时，第一压力传感器[8]和第二压力传感器[13]被同步触发，且第一压力传感器[8]记录燃烧室[6-3]变容燃烧过程中的压力-时间曲线即p₁-t曲线，第二压力传感器[13]记录活塞工作腔[6-5]变容过程中的压力-时间曲线即p₂-t曲线；所述数据采集与处理系统[16]的功能是，接收通过键盘输入的已知参数；在被测发射药[19]燃烧过程结束后，通过数据采集卡采集所述第一、第二压力传感器[8、13]分别记录的p₁-t曲线、p₂-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：根据气体定律方程，将p₂-t曲线转换成随时间变化的活塞工作腔容积曲线即V₂-t曲线；根据活塞工作腔容积与活塞运动速度关系式，将V₂-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曲线上每两个相邻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：所述一个过线孔位于第一密封堵头[4]的端面中心，另一个过线孔与端面中心相距3cm。