CN104048563A - 一种发射药动态燃速测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发射药动态燃速测试装置，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，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。摒除了其它各种弹道因素的影响，而主要研究弹后空间变化对发射药燃烧的影响，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。

Description

一种发射药动态燃速测试装置

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能源，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。在身管武器用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静态定容测试装置，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，自身基本处于静止状态，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。

(2)发射药是在一恒定的容积中燃烧，从开始到燃烧结束密闭爆发器的容积始终不变。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动态燃烧性能，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。到目前为止，国内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，能否获得接近膛内燃烧环境即在高速运动条件下，发射药真实的燃速数据显得尤为重要。申请人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的缺陷或不足，本发明提供一种发射药动态燃速测试装置，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。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术解决方案：

一种发射药动态燃速测试装置，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；其中：本体组件包括本体、第一密封堵头、第一垫圈、第二密封堵头、第二垫圈和运动燃烧器；本体带有多阶梯通孔，从其左端至右端依次为螺纹孔段、大直径孔段和小直径孔段；在大直径孔段的内壁上设有与外部相通的第一安装孔，大直径孔段和小直径孔段通过45°锥面过渡，锥面交界处设有一个环形定位台，本体在其小直径孔段一侧的一段外壁为径向内缩，且设有外螺纹，其中，大直径孔段用于放置运动燃烧器，并作为燃烧室，而小直径孔段作为活塞工作腔；所述运动燃烧器的外径与本体的活塞工作腔滑动配合；运动燃烧器一端定位于环形定位台处；第一密封堵头为凸形圆柱体，且小圆柱体上设有与本体的螺纹孔段相连接的外螺纹，在第一密封堵头的两端面之间设有两个过线孔，第一密封堵头与本体上的螺孔段相连接，小圆柱体端面通过第一垫圈与本体的阶梯面接触，以实现第一密封堵头对本体一端的密封；第二密封堵头为U形，其内壁带有螺纹且底部带有两端相通的第二安装孔，第二密封堵头与本体上径的向内缩的外螺纹连接，其U形的内底面通过第二垫圈与本体的环形端面接触，以实现第二密封堵头对本体的另一端密封；点火组件包括点火电极、绝缘套、点火丝、点火药包和点火器；其中，点火电极位于本体腔内的正、负极端头与穿过点火药包的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点火器相连；

第一传感器和第二压力传感器对应密封安装在本体上的第一安装孔和第二密封堵头上的第二安装孔中，第一压力传感器和第二压力传感器的信号输出端通过电缆与数据采集与处理系统相连。

根据本发明，运动燃烧器由盛药组件和挤进组件组成；其中：盛药组件包括有钢丝网罩和支撑壳体，其中：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；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；挤进组件包括有挤进头和弹带，其中：挤进头为钢制盖体结构，其敞口端带有扩径内螺纹，弹带的内圈以过盈配合方式套在挤进头的外壁上，支撑壳体的空腔中装发射药后，其缩径外螺纹与挤进头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。

根据本发明，所述两个过线孔其中的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。

本发明与现有技术相比，带来的有益效果体现在以下几个方面：

(1)采用具有弹带的运动燃烧器，初始位置时，弹带与燃烧室的缩径环形定位面接触且燃烧室与运动燃烧器之间留有一定缝隙，当运动燃烧器中的发射药被点燃后，燃烧所产生的气体经过钢丝网罩的过滤后进入环形缝隙中，当压力达到一定值时，弹带变形而脱离缩径环形面的约束，在燃气的推动下运动燃烧器沿燃烧室运动，发射药在运动燃烧器中燃烧，从而使得发射药与运动燃烧器以一定的速度一起运动，得到了发射药在高速运动下燃烧的环境。与现有技术相比，能够在发射药高速运动的条件下，进行发射药燃烧相关参数的测试，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燃烧器，能够很好的模拟弹丸在火炮中的运动状态，能够研究弹丸运动时弹后空间变大对发射药燃烧性能的影响。

该装置摒除了其它各种弹道因素的影响，而主要研究弹后空间变化对发射药燃烧的影响，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。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是图1中所示的本体结构示意图。

图3是图1中所示的运动燃烧器结构示意图，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

参见图1和图2所示，本实施例给出一种发射药动态燃速测试装置的优选结构，包括本体组件，点火组件，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。

本体组件包括本体6、第一密封堵头4、第一垫圈5、第二密封堵头10、第二垫圈11和运动燃烧器9。

本体6带有多阶梯通孔，从其左端至右端(参见图2)依次为螺纹孔段6-1、大直径孔段6-3和小直径孔段6-5，大直径孔段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；大直径孔段6-3和小直径孔段6-5通过45°锥面过渡；小直径孔段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在其小直径孔段6-5一侧的一段外壁为径向内缩，且设有外螺纹6-6。大直径孔段6-3用于放置运动燃烧器9，并作为燃烧室，小直径孔段6-5作为活塞工作腔。

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。第一密封堵头4与本体6上的螺纹孔段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。

如图3所示，运动燃烧器9由盛药组件和挤进组件组成，其中：

盛药组件包括有钢丝网罩9-1和支撑壳体9-3，支撑壳体9-3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9-1卷制成半圆形柱状，其尺寸与支撑壳体9-3的半圆柱形缺口一致，钢丝网罩9-1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9-1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。

挤进组件包括有挤进头9-6和弹带9-5，其中挤进头9-6为钢制盖体结构，其敞口端带有扩径内螺纹9-4，弹带9-5为铜制环形块，其内圈直径为30mm，外径为33mm。

弹带9-5的内圈以过盈配合方式套在挤进头9-6的外壁上。支撑壳体9-3的空腔9-2中装发射药19后，其缩径外螺纹与挤进头9-6的扩径内螺纹9-4连接后，形成了一个带弹带且外径为33mm的圆柱体，即完整的运动燃烧器9。

运动燃烧器9外径与本体6的活塞工作腔滑动配合；运动燃烧器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。

点火组件包括点火电极2、绝缘套3、点火丝20、点火药包21和点火器22。其中点火器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～Φ0.2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上的两个过线孔中，负极通过绝缘套3与其中一个过线孔密封绝缘，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。

第一传感器8、第二压力传感器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放在运动燃烧器9内，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，点火药包燃烧将运动燃烧器9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，当压力达到运动燃烧器9的挤进压力时，运动燃烧器9开始在活塞工作腔内运动，发射药19和运动燃烧器9保持同一速度运动，当运动燃烧器9运动到第二密封堵头10处，运动燃烧器9与第二密封堵头10堵头相互作用使得运动燃烧器9减速并停止下来。在此期间，第一压力传感器8记录燃烧室一侧动态燃烧过程中的压力-时间曲线(简称第一p-t曲线)；第二压力传感器13记录活塞运动的压力-时间曲线(简称第二p-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运动燃烧器运动速度关系式，解算运动燃烧器在测试过程中任意时刻的运动速度，获得随时间变化的运动燃烧器运动速度曲线，即v-t曲线：

V_2i＝V₀-Sv_it_i且i＝1，2，3…N

其中：S为运动燃烧器的横截面积，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为运动燃烧器在ti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为运动燃烧器在t_i时刻的运动距离，即等于运动燃烧器运动速度乘以运动燃烧器运动时间；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为运动燃烧器和发射药的总质量。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动态燃速，获得随时间变化的发射药动态燃速曲线，即u-t曲线：

$u_i=\frac{\mathrm{\Δe}}{\mathrm{\Δ}{t}_i}=\frac{e_1\·{\mathrm{\ΔZ}}_i}{{\mathrm{\Δt}}_i}$ 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：

$\stackrel{\‾}{p_{1i}}=\frac{p_{1i}+p_{1(i+1)}}{2}$ 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动态燃速曲线，即曲线。

(8)根据下式对曲线进行指数式拟合，最终获得动态燃烧条件下，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 (6)

1.一种发射药动态燃速测试装置，其特征在于，包括本体组件、点火组件、第一压力传感器(8)、第二压力传感器(13)和数据采集与处理系统(16)；其中：

所述的本体组件包括本体(6)、第一密封堵头(4)、第一垫圈(5)、第二密封堵头(10)、第二垫圈(11)和运动燃烧器(9)；

所述的本体(6)带有多阶梯通孔，从其左端至右端依次为螺纹孔段(6-1)、大直径孔段(6-3)和小直径孔段(6-5)；在大直径孔段(6-3)的内壁上设有与外部相通的第一安装孔(6-2)，大直径孔段(6-3)和小直径孔段(6-5)通过45°锥面过渡，锥面交界处设有一个环形定位台(6-4)，本体(6)在其小直径孔段(6-5)一侧的一段外壁为径向内缩，且设有外螺纹(6-6)，其中，大直径孔段(6-3)用于放置运动燃烧器(9)，并作为燃烧室，而小直径孔段(6-5)作为活塞工作腔；

所述运动燃烧器(9)的外径与本体(6)的活塞工作腔滑动配合；运动燃烧器(9)一端定位于环形定位台(6-4)处；

所述的第一密封堵头(4)为凸形圆柱体，且小圆柱体上设有与本体(6)的螺纹孔段(6-1)相连接的外螺纹，在第一密封堵头(4)的两端面之间设有两个过线孔，第一密封堵头(4)与本体上的螺孔段(6-1)相连接，小圆柱体端面通过第一垫圈(5)与本体(6)的阶梯面接触，以实现第一密封堵头(4)对本体(6)一端的密封；

所述的第二密封堵头(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)上径的向内缩的外螺纹(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，以实现第二密封堵头(10)对本体(6)的另一端密封；

所述的点火组件包括点火电极(2)、绝缘套(3)、点火丝(20)、点火药包(21)和点火器(22)；其中，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；

第一传感器(8)和第二压力传感器(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，第一压力传感器(8)和第二压力传感器(13)的信号输出端通过电缆与数据采集与处理系统(16)相连。

2.如权利要求1所述的发射药动态燃速测试装置，其特征在于，所述的运动燃烧器(9)由盛药组件和挤进组件组成；其中：

盛药组件包括有钢丝网罩(9-1)和支撑壳体(9-3)；所述的支撑壳体(9-3)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(9-1)卷制成半圆形柱状，其尺寸与支撑壳体(9-3)的半圆柱形缺口一致，钢丝网罩(9-1)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；

所述的挤进组件包括有挤进头(9-6)和弹带(9-5)，其中：

所述的挤进头(9-6)为钢制盖体结构，其敞口端带有扩径内螺纹(9-4)，所述的弹带(9-5)的内圈以过盈配合方式套在挤进头(9-6)的外壁上，支撑壳体(9-3)的空腔(9-2)中装发射药(19)后，其缩径外螺纹与挤进头(9-6)的扩径内螺纹(9-4)连接后，形成了一个带弹带(9-5)的圆柱体，即完整的运动燃烧器(9)。

3.如权利要求1所述的发射药动态燃速测试装置，其特征在于，所述的大直径孔段(6-3)的尺寸为Φ45mm×150mm，所述的小直径孔段(6-5)的尺寸为Φ30mm×250mm。

4.如权利要求1所述的发射药动态燃速测试装置，其特征在于，所述的钢丝网罩(9-1)的空隙平均直径大于1mm，根据发射药的不同，或选取平均直径不同的空隙。

5.如权利要求1所述的发射药动态燃速测试装置，其特征在于，所述弹带(9-5)为铜制环形块，其内圈直径为30mm，外径为33mm。

6.如权利要求1所述的发射药动态燃速测试装置，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。