CN104020250B - 发射药变容燃速测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了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；该装置可以模拟身管武器膛内的运动环境，并能够获得发射药在高速运动和变容条件下的燃速数据，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。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。

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条件下对高速运动的发射药变容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在高速运动条件下，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、发射药高速运动条件下对发射药进行燃速测试的公开报道。

发明内容

针对现有发射药燃速测试装置存在缺陷或不足，本发明的目的在于，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运动环境，并能够获得发射药在高速运动和变容条件下的燃速数据，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。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种发射药变容燃速测试装置，其特征在于，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；其中：

所述本体组件包括有本体、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、运动燃烧器和活塞杆：

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，所述运动燃烧器带有第二安装通孔，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运动燃烧器底端一侧的第二安装通孔中，运动燃烧器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，运动燃烧器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；其中，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。

根据本发明，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。

根据本发明，所述的运动燃烧器由盛药组件和活塞组件组成；其中：

盛药组件包括有钢丝网罩和支撑壳体；所述的支撑壳体为带底筒体结构，其敞口段带有缩径外螺纹，底端段带有半圆柱形缺口；

所述的钢丝网罩卷制成半圆形柱状，其尺寸与支撑壳体的半圆柱形缺口一致，钢丝网罩填充在半圆柱形缺口处且其相应部位与半圆柱形缺口的周边焊接固连；

所述的活塞组件包括有活塞和弹带，其中：

所述的活塞为钢制盖体结构，其敞口端带有扩径内螺纹，所述的弹带的内圈以过盈配合方式套在活塞的外壁上，支撑壳体的空腔中装发射药后，其缩径外螺纹与活塞的扩径内螺纹连接后，形成了一个带弹带的圆柱体，即完整的运动燃烧器。

采用本发明的发射药变容燃速测试装置，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。

本发明的发射药变容燃速测试装置，与现有技术相比，有益效果体现在以下几个方面：

(1)采用具有密闭结构的运动燃烧器，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动态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，做到对发射药动态燃速的真实反映。

(2)所用的在密闭环境下的运动活塞，能够很好的模拟发射药在火炮中的运动状态，能够研究发射药高速运动对燃烧的影响。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动态燃烧的相关参数，是现有技术空白的补充。

(3)采用了空心活塞杆和运动燃烧器的连接结构，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，可以在运动燃烧器运动期间获得运动燃烧器底部的压力，而运动燃烧器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是本发明动态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是图1中所示运动燃烧室的结构图。其中图(a)是剖视图，图(b)是图(a)的侧视图。

下面结合附图及发明人给出的实施例对本发明作进一步的详述。

具体实施方式

如图1所示，本实施例给出一种发射药变容燃速测试装置的优选结构，包括本体组件，点火组件，高速摄像仪组件，第一压力传感器6、第二压力传感器16和数据采集与处理系统14和高速摄像仪组件。

本实施例中，第一、第二压力传感器(6、16)均为制式产品，其型号为KISTLER6213B。

本体组件包括有：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、运动燃烧器7和活塞杆10。

本体5为管状结构，内径为多阶梯通孔，从其左端至右端(参见图2)依次为螺孔段5-1、大直径孔段5-3和小直径孔段5-5：大直径孔段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；大直径孔段5-3和小直径孔段5-5通过45°锥面过渡；小直径孔段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在其小直径孔段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5-2中,大直径孔段5-3作为燃烧室，小直径孔段5-5作为活塞工作腔。

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5上的螺孔段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。

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的另一端由所述滑孔伸到本体5之外。。

如图3所示，运动燃烧器9由盛药组件和活塞组件组成，其中：

盛药组件包括有钢丝网罩7-1和支撑壳体7-3，支撑壳体7-3为带底筒体结构，其敞口段带有缩径外螺纹，底端段带有半圆柱形缺口。

钢丝网罩7-1卷制成半圆形柱状，其尺寸与支撑壳体7-3的半圆柱形缺口一致，钢丝网罩7-1填充在半圆柱形缺口处且其相应部位与半圆柱形缺口的周边焊接固连。钢丝网罩7-1的空隙平均直径大于1mm，根据发射药的不同，可以选取平均直径不同的空隙。

活塞组件包括有活塞7-6和弹带7-5，其中活塞7-6为钢制盖体结构，其敞口端带有扩径内螺纹7-4，弹带7-5为铜制环形块，其内圈直径为30mm，外径为33mm。

活塞杆10为空心杆体，活塞7-6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)，第二压力传感器16固连在活塞7-6底端一侧的两个阶梯孔中，活塞7-6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。

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。其中的点火器20选择已知的制式产品，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。

高速摄像仪组件包括有高速摄像仪13和背景靶12。背景靶12有刻度线11。本实施例中，高速摄像仪13选择制式产品，其型号为phantomV7.2。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5-3中压力不断上升，当压力达到活塞7-6的挤进压力时，活塞7-6连同活塞杆10开始在活塞工作腔内运动，当活塞7-6运动到第二密封堵头8处，活塞7-6与缓冲垫15相互作用使得活塞7-6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7-6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10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；

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：

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；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；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

式中：x、λ分别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：

$u_i=\frac{\mathrm{\Δe}}{{\mathrm{\Δt}}_i}=\frac{e_1\·{\mathrm{\ΔZ}}_i}{{\mathrm{\Δt}}_i}$ 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 (3)

1.一种发射药变容燃速测试装置，其特征在于，包括本体组件、点火组件、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；其中：

所述本体组件包括本体(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)、运动燃烧器(7)和活塞杆(10)；

所述本体(5)带有燃烧室(5-3)和活塞工作腔(5-5)，燃烧室(5-3)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；

所述的运动燃烧器(7)由盛药组件和活塞组件组成；其中：盛药组件包括有钢丝网罩(7-1)和支撑壳体(7-3)；所述的支撑壳体(7-3)为带底筒体结构，其敞口段带有缩径外螺纹，底端段带有半圆柱形缺口；所述的钢丝网罩(7-1)卷制成半圆形柱状，其尺寸与支撑壳体(7-3)的半圆柱形缺口一致，钢丝网罩(7-1)填充在半圆柱形缺口处且其相应部位与半圆柱形缺口的周边焊接固连；所述的活塞组件包括有活塞(7-6)和弹带(7-5)，其中：所述的活塞(7-6)为钢制盖体结构，其敞口端带有扩径内螺纹(7-4)，所述的弹带(7-5)的内圈以过盈配合方式套在活塞(7-6)的外壁上，支撑壳体(7-3)的空腔(7-2)中装发射药(17)后，其缩径外螺纹与活塞(7-6)的扩径内螺纹(7-4)连接后，形成了一个带弹带(7-5)的圆柱体，即完整的运动燃烧器(7)；

所述活塞杆(10)为空心杆体，所述运动燃烧器(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)固连在运动燃烧器(7)底端一侧的第二安装通孔中，运动燃烧器(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，运动燃烧器(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；

所述点火组件包括点火电极(1)、点火丝(18)、点火药包(19)和点火器(20)，其中，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(1)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)，其中背景靶(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。

2.如权利要求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。

3.如权利要求1所述的发射药变容燃速测试装置，其特征在于，所述的两个过线孔其中的一个过线孔位于端面中心，另外一个过线孔的中心与端面中心相距3cm。