CN105547058B - 一种基于动量定理的弹托分离系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于动量定理的弹托分离系统，它涉及一种弹托分离系统。现有整体式弹托依靠空气阻力或炮口挡圈实现弹托与射弹的分离时，弹托与弹体分离需要较长的飞行距离，弹托对弹体的轨迹影响大，同时因弹托随弹体一同入水而直接干扰射弹入水后形成的水面喷溅形状以及空泡形状，并且由于弹托的干扰使操作人员对射弹入水画面的拍摄质量下降，致使画面提供的数据不准确。本发明中加速弹托和阻挡弹托之间设置有缓冲垫片，缓冲垫片与阻挡弹托相贴紧，加速弹托为回转体，加速弹托内有射弹放置腔，射弹设在射弹放置腔内且射弹的弹头朝向炮口设置，阻挡弹托沿其长度方向加工有射弹通过孔，回收罩位于炮管外且朝向炮管的炮口设置。本发明用于超空泡射弹实验中。

Description

一种基于动量定理的弹托分离系统
技术领域
本发明具体涉及一种基于动量定理的弹托分离系统。
背景技术
具有特殊外形的超空泡射弹在发射入水后，高速运动的射弹表面附近流场压力迅速降低，压力低于实验中水的饱和蒸汽压时，处于超空泡射弹表面区域的水会发生汽化，形成空泡。当射弹速度足够高时，形成的完整包裹其自身的空泡称之为超空泡。超空泡射弹依靠空泡的隔绝作用，大幅降低了射弹在水中受到的粘滞阻力，从而显著增加射弹的有效射程和打击目标时的能量。超空泡射弹实验是研究超空泡射弹技术的重要技术手段之一，可以对利用独立扩张原理或CFD计算的结果进行很好的验证作用，实验数据往往更加具有说服力。
目前的超空泡射弹发射装置主要有两种，一种是火炮，另一种是轻气炮。鉴于安全和方便性考虑，目前开展超空泡射弹的实验装置主要是轻气炮发射射弹。因为科学研究的射弹直径往往较小，而又需要其拥有很高的发射速度，所以发射时需将射弹装入具有适配器功能的弹托中。依靠弹托可以有效的扩充轻气炮的内部横截面积从而提高轻气炮的气体利用效率，另一方面弹托可以起到对射弹的约束作用，使射弹的弹道更加稳定。当射弹与弹托一起离开发射管后，需要射弹尽快与弹托分离，防止弹托进入水槽中影响射弹弹道。
目前轻气炮所用的弹托多为整体式弹托，这种弹托相较于其他分离方式的弹托具有气密性好、稳定性高的特点。整体式弹托依靠空气阻力或炮口挡圈实现弹托与射弹的分离，但实际使用表明，如果靠气动阻力使得弹托与弹体分离不但需要较长的飞行距离，还易导致弹托进入水中，对射弹的水下弹道有较大影响，水面喷溅形状以及空泡的形状因受弹托影响而变形，影响拍摄质量及后续的数据分析；而如果依靠炮口挡圈的方式，往往容易造成弹托的变形或损坏，从而影响射弹的初始弹道，这些不但不利于超空泡射弹实验研究而且还会造成弹托的不必要浪费。
发明内容
本发明为解决现有整体式弹托依靠空气阻力或炮口挡圈实现弹托与射弹的分离时，弹托与弹体分离需要较长的飞行距离，弹托对弹体的轨迹影响大，同时因弹托随弹体一同入水而直接干扰射弹入水后形成的水面喷溅形状以及空泡形状，并且由于弹托的干扰使操作人员对射弹入水画面的拍摄质量下降，致使画面提供的数据不准确的问题。提出一种基于动量定理的弹托分离系统。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种基于动量定理的弹托分离系统，所述弹托分离系统包括加速弹托、阻挡弹托、回收罩、炮管、射弹和缓冲垫片，所述加速弹托和阻挡弹托均设置在炮管内，所述加速弹托远离炮管的炮口设置，所述阻挡弹托靠近炮管的炮口设置，加速弹托和阻挡弹托之间设置有缓冲垫片，所述缓冲垫片与阻挡弹托相贴紧，所述加速弹托为回转体，所述加速弹托内加工有射弹放置腔，所述射弹设置在射弹放置腔内且射弹的弹头朝向炮口设置，所述阻挡弹托沿其长度方向加工有射弹通过孔，所述回收罩位于炮管外且朝向炮管的炮口设置。
所述加速弹托为纺锤形回转体。
所述缓冲垫片为橡胶制成的垫片，所述缓冲垫片的中心加工有通孔，所述通孔与射弹通过孔同轴设置且相连通。
所述加速弹托上加工有进气通道，所述进气通道与射弹放置腔相连通。
所述射弹通过孔为圆孔，该圆孔包括等直径孔和变径孔，等直径孔和变径孔相连通且变径孔靠近炮口设置，所述变径孔内表面的底部为倾斜的弧面，所述变径孔朝向炮口方向渐扩。
所述回收罩为锥形罩体，所述回收罩设置在炮管和水池的水面之间，所述锥形罩体的大口端为射弹进口，射弹进口朝向炮管的炮口设置，所述锥形罩体的小口端为射弹出口。
所述弹托分离系统还包括连接绳，所述回收罩通过连接绳与炮管的外壁相连接。
所述弹托分离系统还包括两个第一密封圈和两个第二密封圈，所述加速弹托上套装有两个第一密封圈，所述阻挡弹托上套装有两个第二密封圈，所述加速弹托通过两个第一密封圈与炮管的内壁相贴紧，所述阻挡弹托通过两个第二密封圈与炮管的内壁相贴紧。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明通过合理设计加速弹托、阻挡弹托的结构使射弹与二者快速分离，加速弹托和阻挡弹托对射弹弹道的影响最小。通过加速弹托、阻挡弹托、炮管与射弹之间的配合设置有效提高射弹的稳定性。同时提高加速弹托、阻挡弹托与射弹的分离速度，提高超空泡射弹的发射效率。
2、第一密封圈设置有效增加加速弹托和炮管之间的气密性，提高气体利用效率，从而提高射弹初速度，同理第二密封圈设置有效增加阻挡弹托和炮管之间的气密性，提高气体利用效率，从而提高射弹初速度。
3、缓冲垫片由橡胶制成，缓冲垫片上加工的通孔为射弹的穿过孔。缓冲垫片能够有效缓冲加速弹托和阻挡弹托之间的刚性碰撞。
4、阻挡弹托在加速弹托的推动下开始运动，由于阻挡弹托上射弹通过孔的设置，使射弹经过阻挡弹托时与阻挡弹托没有直接接触，因此阻挡弹托的设置既能起到停顿加速弹托的作用，还对射弹的运动无干扰。
5、加速弹托在阻挡弹托的阻碍下，将大部分动量传递给阻挡弹托，加速弹托迅速减速，而射弹具有惯性作用，保有原来的速度，使加速弹托和射弹分离的更快。
6、依靠加速弹托和阻挡弹托之间的弹性碰撞减速，避免了依靠气动分离方式造成的飞行距离远的缺陷，也避免了依靠炮口固定挡圈造成的弹托的严重变形甚至损坏造成的弹托损失。
7、通过回收罩的设置能够回收加速弹托和阻挡弹托，防止二者入水，最大限度地减小加速弹托和阻挡弹托对射弹水下弹道的影响，使射弹入水画面的拍摄质量高，无干扰因素，通过本发明使拍摄出的射弹入水画面中水面喷溅的形状和空泡形状明显且完整，从而能够通过该画面准确分析出射弹的相关数据，有利于后续的研究。同时加速弹托和阻挡弹托的回收再利用，有效降低实验成本。
附图说明
图1是本发明的主视结构剖面图，图中去掉回收罩3，图中箭头表示高压气体的方向；
图2是加速弹托1的主视结构示意图；
图3是图2的右视图；
图4是阻挡弹托2的主视结构示意图；
图5是图4的右视图；
图6是回收罩3的立体结构示意图；
图7是回收罩3、连接绳和炮管4之间的连接关系示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7说明本实施方式，本实施方式中包括加速弹托1、阻挡弹托2、回收罩3、炮管4、射弹5和缓冲垫片9，所述加速弹托1和阻挡弹托2均设置在炮管4内，所述加速弹托1远离炮管4的炮口设置，所述阻挡弹托2靠近炮管4的炮口设置，加速弹托1和阻挡弹托2之间设置有缓冲垫片9，所述缓冲垫片9与阻挡弹托2相贴紧，所述加速弹托1为回转体，所述加速弹托1内加工有射弹放置腔，所述射弹5设置在射弹放置腔内且射弹5的弹头朝向炮口设置，所述阻挡弹托2沿其长度方向加工有射弹通过孔7，所述回收罩3位于炮管4外且朝向炮管4的炮口设置。
本发明在实验过程中还需要搭配水池，本发明中的炮管4倾斜45°角设置在水池旁，炮管4的炮口与水池内水面之间的直线距离为6米，回收罩3设置在炮管4的炮口与水面之间，炮管4的炮口到回收罩3之间直线距离为1米。
本发明中炮管4上加工有泄气孔11，所述泄气孔11沿炮管4的长度方向设置，泄气孔11的设置使加速弹托1高速运动产生的高压空气不至使阻挡弹托2发生运动。
本发明中回收罩3的设置用于回收加速弹托1和阻挡弹托2。
本发明中射弹5质量为m0，射弹5为不锈钢材料制成；加速弹托1为轻质的尼龙材料或铝合金制成，加速弹托1质量为m1；阻挡弹托2为钢材制成，阻挡弹托的质量是m2。
令m1<m2，合理调整这两种弹托的质量并令m2不易过大，使加速弹托1和阻挡弹托2碰撞后不会被弹回。
发射后，加速弹托1和射弹5拥有共同的速度为v1，阻挡弹托2的速度为0。
碰撞后，通常情况下两个弹托碰撞后会合并在一起，其共同的速度为v2，且v2<v1，射弹5由于自身惯性作用，速度保持v1不变，实现射弹5与加速弹托1的分离，射弹5通过射弹通过孔7实现与阻挡弹托2的分离。加速弹托1和阻挡弹托2会受到空气的作用发生偏转并被回收罩3拦阻。
极个别情况下，碰撞后，加速弹托1突然静止，而阻挡弹托2以速度v2运动，射弹5依旧以速度v1运动，射弹5通过射弹通过孔7，实现射弹5与两个弹托的分离。阻挡弹托2会受到空气的作用发生偏转并被回收罩3拦阻，而静止与炮管4的炮口处的加速弹托1也易于取出。
具体实施方式二：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式中所述加速弹托1为纺锤形回转体。本实施方式中加速弹托1设置的纺锤形结构能够有效降低其重量，其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式中所述缓冲垫片9为橡胶制成的垫片，所述缓冲垫片9的中心加工有通孔，所述通孔与射弹通过孔7同轴设置且相连通。缓冲垫片9的设置是为了缓冲两个弹托之间的刚性碰撞，避免弹托损坏。橡胶制成的缓冲垫片的缓冲效果更佳。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式中所述加速弹托1上加工有进气通道8，所述进气通道8与射弹放置腔相连通。进气通道8的设置是由于射弹5在加速弹托1内易使射弹放置腔内处于真空状态，当射弹5发射时，加速弹托1不易与射弹5分离，所以进气通道8的设置有利于射弹5和加速弹托1的分离。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式五：结合图1、图4和图5说明本实施方式，本实施方式中所述射弹通过孔7为圆孔，该圆孔包括等直径孔和变径孔，等直径孔和变径孔相连通且变径孔靠近炮口设置，所述变径孔内表面的底部为倾斜的弧面，所述变径孔朝向炮口方向渐扩。
本实施方式中射弹通过孔7的设置是为了当阻挡弹托2离开炮管4的炮口进行飞行时，空气阻力通过这个倾斜的弧面对阻挡弹托造成一定的偏航力，这个偏航力能够使阻挡弹托2快速翻滚而直接脱离射弹5的运行轨迹，使阻挡弹托2在最短时间内偏离射弹5的轨迹，最大限度地减小阻挡弹托2对射弹5运行的影响。同时由于加速弹托1贴紧阻挡弹托2使加速弹托1也会受到同样的偏航影响，从而实现快速脱离炮管4的中心轴线弹道而落入回收罩3中。
其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式一或四相同。
具体实施方式六：结合图1和图6说明本实施方式，本实施方式中所述回收罩3为锥形罩体，所述回收罩3设置在炮管4和水池的水面之间，所述锥形罩体的大口端为射弹进口，射弹进口朝向炮管4的炮口设置，所述锥形罩体的小口端为射弹出口。
如此设置是为了射弹5顺利脱离回收罩3。由于回收罩3是为了回收与射弹5分离的加速弹托1和阻挡弹托2，所以回收罩3必将要设置在射弹5射程范围内，同时回收罩3的网眼内径最大尺寸小于两种弹托的尺寸，以保证回收工作的有效性。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图7说明本实施方式，本实施方式中所述弹托分离系统还包括连接绳，所述回收罩3通过连接绳与炮管4的外壁相连接。如此设置便于控制回收罩3。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式中所述弹托分离系统还包括两个第一密封圈6和两个第二密封圈10，所述加速弹托1上套装有两个第一密封圈6，所述阻挡弹托2上套装有两个第二密封圈10，所述加速弹托1通过两个第一密封圈6与炮管4的内壁相贴紧，所述阻挡弹托2通过两个第二密封圈10与炮管4的内壁相贴紧。
本实施方式中第一密封圈6和第二密封圈10的设置有效增加加速弹托1和炮管4之间的气密性，提高气体利用效率，从而提高射弹初速度。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式七相同。
本发明的工作原理：
由于轻气炮内部的气体作用，推动加速弹托1和射弹5一起加速运动，由于第一密封圈6和第二密封圈10的密封作用，加速弹托1和射弹5具有更好的加速效果。由于炮管4的前端有泄气孔11以及阻挡弹托2为中空结构，所以加速弹托1的运动产生的高压空气不会使阻挡弹托2发生运动；由于两种弹托的碰撞之间很短，故忽略了这两种弹托和炮管4的摩擦作用。
当加速弹托1撞到阻挡弹托2以后会推动阻挡弹托2一起向前运动。加速弹托1运动到接近炮口时具有速度v1，其动量为m1v1，在撞击后变成m1v2，阻挡弹托2由于撞击作用会和加速弹托1一同向前运动，速度为v2，具有动量m2v2，射弹5由于自身的惯性作用依旧具有原来的速度v1和原有的动量m0v1。根据动量守恒公式，(m1+m0)v1＝(m1+m2)v2+m0v1，有v2＝m1v1/(m1+m2)，由于m1<m2，所以v2<v1。
极个别情况下，碰撞后，加速弹托1突然静止，而阻挡弹托2以速度v2运动，这时，(m1+m0)v1＝m1*0+m2v2+m0v1，有v2＝m1v1/m2，由于m1<m2，所以v2<v1。
如果加速弹托1被弹回，我们只需适当减小阻挡弹托2的质量m2即可。
综上，加速弹托1碰撞后的速度v2将远小于接近炮管6的炮口时的速度v1，这样两个弹托的速度小于射弹5的速度v1，射弹5快速与加速弹托1分离。射弹5穿过阻挡弹托2的射弹通过孔7和回收罩3飞向水下目标。加速弹托1和阻挡弹托2运动出炮管6后阻挡弹托2因射弹通过孔7的形状，会在空气作用下偏离射弹5的轴线弹道，其后部紧紧贴住阻挡弹托2的加速弹托1也会在阻挡弹托2偏航的影响下偏离轴线弹道，两个弹托之后会受到回收罩3的的阻拦回收，以备下次实验利用，同时射弹5入水形成完整且明显的水面喷溅的形状和空泡形状。

Claims (8)

1.一种基于动量定理的弹托分离系统，其特征在于：所述弹托分离系统包括加速弹托(1)、阻挡弹托(2)、回收罩(3)、炮管(4)、射弹(5)和缓冲垫片(9)，所述加速弹托(1)和阻挡弹托(2)均设置在炮管(4)内，所述加速弹托(1)远离炮管(4)的炮口设置，所述阻挡弹托(2)靠近炮管(4)的炮口设置，加速弹托(1)和阻挡弹托(2)之间设置有缓冲垫片(9)，所述缓冲垫片(9)与阻挡弹托(2)相贴紧，所述加速弹托(1)为回转体，所述加速弹托(1)内加工有射弹放置腔，所述射弹(5)设置在射弹放置腔内且射弹(5)的弹头朝向炮口设置，所述阻挡弹托(2)沿其长度方向加工有射弹通过孔(7)，所述回收罩(3)位于炮管(4)外且朝向炮管(4)的炮口设置。
2.根据权利要求1所述的一种基于动量定理的弹托分离系统，其特征在于：所述加速弹托(1)为纺锤形回转体。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于动量定理的弹托分离系统，其特征在于：所述缓冲垫片(9)为橡胶制成的垫片，所述缓冲垫片(9)的中心加工有通孔，所述通孔与射弹通过孔(7)同轴设置且相连通。
4.根据权利要求3所述的一种基于动量定理的弹托分离系统，其特征在于：所述加速弹托(1)上加工有进气通道(8)，所述进气通道(8)与射弹放置腔相连通。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于动量定理的弹托分离系统，其特征在于：所述射弹通过孔(7)为圆孔，该圆孔包括等直径孔和变径孔，等直径孔和变径孔相连通且变径孔靠近炮口设置，所述变径孔内表面的底部为倾斜的弧面，所述变径孔朝向炮口方向渐扩。
6.根据权利要求5所述的一种基于动量定理的弹托分离系统，其特征在于：所述回收罩(3)为锥形罩体，所述回收罩(3)设置在炮管(4)和水池的水面之间，所述锥形罩体的大口端为射弹进口，射弹进口朝向炮管(4)的炮口设置，所述锥形罩体的小口端为射弹出口。
7.根据权利要求6所述的一种基于动量定理的弹托分离系统，其特征在于：所述弹托分离系统还包括连接绳，所述回收罩(3)通过连接绳与炮管(4)的外壁相连接。
8.根据权利要求7所述的一种基于动量定理的弹托分离系统，其特征在于：所述弹托分离系统还包括两个第一密封圈(6)和两个第二密封圈(10)，所述加速弹托(1)上套装有两个第一密封圈(6)，所述阻挡弹托(2)上套装有两个第二密封圈(10)，所述加速弹托(1)通过两个第一密封圈(6)与炮管(4)的内壁相贴紧，所述阻挡弹托(2)通过两个第二密封圈(10)与炮管(4)的内壁相贴紧。
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