CN106895750B - 一种弹药快速烤燃实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弹药快速烤燃实验系统，其组成包括气体燃料储存运输装置、气体燃料火焰喷射装置、气体燃料火焰喷射装置固定夹具、弹药支撑悬挂装置、烤燃实验系统固定支撑架、水泥基座、热电偶、信号调理器、数据采集器、红外热像仪、高速摄影机及计算机等。相比传统的快速烤燃实验系统，本发明采用一种新型的燃烧装置，通过可组装的气体燃料火焰喷射装置和连续可调的角度设计来适用于不同直径不同长度的弹药的烤燃实验，同时各个组件的可拆卸可组装性也极大地方便了本发明实验系统的可重复使用性，且采用清洁的新型气体可燃物作为燃料，既方便存储运输，且清洁高效。依据本发明的弹药快速烤燃实验系统，解决了传统油池实验引起的严重污染问题，且在不同大小弹药的快速烤燃实验中有非常好的推广应用前景。

Description

一种弹药快速烤燃实验系统

技术领域

本发明涉及一种弹药烤燃实验系统，特别是一种弹药快速烤燃实验系统，属于弹药热安全性研究领域。

背景技术

弹药热安全性一直是弹药安全性评估中的重点。美军标中最早的不敏感弹药WR-50标准中，快速烤燃就作为了三项易损性实验之一。经历了十多次的不敏感弹药政策、标准的制定和修订，快速烤燃始终作为不敏感弹药实验项目之一。国内不敏感弹药研究起步较晚，但在已有相关标准中，热安全性始终是武器炸药等的一项重要要求。

近年来，环境污染问题越来越严重，而传统的液体燃料油池进行弹药快速烤燃实验的污染特别严重。油池燃烧过程中会产生大量的煤烟、灰尘，污染空气；巨大的敞口燃料池会产生燃料飞溅，污染土壤；实验准备工作复杂繁重，清理工作繁杂，用时较长，且浪费较为严重，因此，选择清洁燃料替代传统油池进行快速烤燃实验是必然趋势。而选用清洁燃料则必须有相应的新型快速烤燃装置，目前，美国、荷兰、瑞典以及德国等一些国家已验证丙烷燃烧器产生的火焰可替代传统的油池火焰，也设计了一些不同样式的新型装置，但哪种装置更优却没有定论。且国外所设计的装置火焰喷射轨迹一般都是固定的，且设计的装置都是针对小型弹药或者弹药组件的热安全性研究，对于大型的弹药，尤其是长径比较大的弹药是不适用的。而在国内，对于采用清洁燃料的新型快速烤燃实验系统的研究更是鲜有报道。

2009年，德国Meppen，WTD 91建立了液态丙烷注射燃烧器，该装置在地面固定环绕四个方向的基座，在基座上固定一定数量的喷嘴，喷射液态丙烷液滴，液滴在空中蒸发燃烧，并测试了火焰温度及热通量，结果表明与油池火焰基本相似。但这种装置的局限性很大，首先是四个方向的基座固联且固定在地面上，其烤燃的实验样品的大小有限；其次水平喷射丙烷液滴，在重力作用下，液滴下降，无法保证实验弹药完全吞没于火焰当中；且四边同时喷射丙烷液滴，若四边长度不等，会造成弹药周围燃料密度不均，进而产生的空间温度场不均，而绝大多数弹药都是长径比较大的弹药，因而这种装置也不适用于弹药实验。2013年，荷兰应用研究所和国防部联合改进了快速烤燃装置，这种装置虽然具备了可调节角度的优点，但这种调节是微小的，且调节不方便，需要拆卸固定等多项繁琐过程。2015年瑞典Jon Toreheim等人展示了THE BOFORS HELLFLUTE的新型快速烤燃装置，这项快速烤燃装置与美国所设计的燃烧器类似，是在实验样品下方排布一系列具有小孔的钢管作为火焰喷射装置，这种装置无法改变火焰喷射的角度，对大型弹药烤燃需要设计足够长的钢管，且这种装置排布面积越大，中心区域越容易缺少氧气而造成燃烧不充足，影响整个温度场的分布。

可以说，现有的丙烷快速烤燃装置，还处于探索研究优化当中，究竟哪种装置更优，哪种实验系统更完善，尚不可下结论。但不敏感弹药实验标准中对快速烤燃实验火焰有明确要求，即30s内达到550℃，且达到550℃之后直到实验结束的平均温度不低于800℃。而随着军备技术的不断进步，标准也会不断修订，最可靠的标准就是根据威胁危险性分析进行判断，即实验中的样品所处的环境与其真实作战环境一致。因此，在弹药快速烤燃实验系统的设计中，需要考虑现有标准的要求，也要根据实验对象的真实作战环境而做适当调整，这种条件下所做的实验才具有实际指导意义。

发明内容

为了克服上述的种种不足和局限，设计出一种适用于弹药的清洁燃料快速烤燃实验系统，本发明提出采用丙烷汇流排为烤燃装置提供气体燃料，设计一种可调节角度，可拆卸可组装的燃烧器提供实验所需的火场环境，配合合适的热电偶、数据采集器、高速摄影以及红外摄像，可用于弹药快速烤燃实验的进行及图像和数据的测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

按照本发明提供的实验思路，设计一个弹药快速烤燃实验系统，其组成主要包括气体燃料储存运输装置、气体燃料火焰喷射装置、气体燃料火焰喷射装置固定夹具、弹药支撑悬挂装置、弹药实验样品、烤燃实验系统固定支撑架、水泥基座、热电偶、信号调理器、数据采集器、红外热像仪、高速摄影机及计算机，其中进行快速烤燃实验的弹药通过弹药支撑悬挂装置支撑或悬挂于气体燃料火焰喷射装置上方，弹药中心水平面及竖直面四周放置若干个热电偶，所述热电偶分别与信号调理器、数据采集器连接，计算机分别与数据采集器和红外热像仪、高速摄影机连接，红外热像仪与高速摄影机放置在弹药侧方，红外摄像仪用于拍摄火焰，观察整个过程中火焰温度分布情况，高速摄像仪用于拍摄烤燃过程。

所述气体燃料储存运输装置选用可燃气体丙烷、甲烷、庚烷等新型清洁燃料，本发明选用丙烷气体作具体说明。

所述气体燃料储存运输装置选用不锈钢单侧式汇流排，通过汇流排配置的减压装置控制气体燃料流速。

所述气体燃料火焰喷射装置沿弹药实验样品长度方向排布两侧，尾端与气体燃料储存运输装置相连，点火后，气体燃料火焰喷射装置喷射火焰，产生弹药快速烤燃实验的火场。

所述气体燃料火焰喷射装置上端通过气体燃料火焰喷射装置固定夹具的凹槽杆支撑卡位，下端通过预制带孔面板的预制沟槽孔卡位，气体燃料火焰喷射装置与气体燃料火焰喷射装置固定夹具组合成连杆机构，随着预制带孔面板绕角度调节器中心轴连续改变角度，进而改变两则气体燃料火焰喷射装置之间的角度夹角，气体燃料火焰喷射装置角度调节范围为30°～60°。

所述气体燃料火焰喷射装置固定夹具固定于烤燃实验系统固定支撑架上，包括凹槽杆、滑动机构、角度调节器、预制带孔面板和卡扣，其中凹槽杆与滑动机构相连，滑动机构可沿烤燃实验系统固定支撑架预留的竖直导轨上下滑动，同时带动水平凹槽杆上下移动，角度调节器固定在烤燃实验系统固定支撑架上，预制带孔面板的一端与角度调节器连接，可以连续改变与水平面的夹角，预制带孔面板上有预制的沟槽孔，沟槽孔与气体燃料火焰喷射装置管道配合，可卡住气体燃料火焰喷射装置，预制带孔面板之间通过卡扣相互连接固定。

所述气体燃料火焰喷射装置固定夹具的预制带孔面板可规格化，预制沟槽孔的中心距离即气体燃料火焰喷射装置之间的距离，可通过不同宽度的预制带孔面板调整实验系统中气体燃料火焰喷射装置的水平间隙，本发明的预制带孔面板的宽度可选范围为10cm～30cm，可与角度调节器以及相互之间组装和拆卸，进而调整气体燃料火焰喷射装置的排布长度。

所述弹药支撑悬挂装置固定于地面水泥板上，可悬挂可支撑弹药实验样品，弹药实验样品选用的约束形式应与符合其实际工作剖面，且距离火焰初始高度可调节。

所述烤燃实验系统固定支撑架为钢制框架，用地脚螺栓固定于地面水泥板上，对气体燃料火焰喷射装置及气体燃料火焰喷射装置固定夹具起固定支撑作用。

所述热电偶采用封装在二氧化硅内的30号规格K型热电偶，采用钢丝分别固定于弹药上下左右前后六个方向上，距离弹体40-60mm，若弹药实验样品长径比较大，沿长度方向应适当增加热电偶数量。

本发明与现有快速烤燃实验系统相比，其显著优点在于：(1)采用清洁气体燃料为快速烤燃装置燃料，实验准备程序更方便快捷，污染、浪费大幅度降低；(2)采用可悬挂可支撑并且可调节高度的弹药支撑悬挂装置，可根据实验样品威胁危险性分析采取更符合实际的边界约束；(3)采用可组装可调节角度的气体燃料火焰喷射装置固定夹具，使得该快速烤燃实验系统可广泛应用于不同大小弹药的快速烤燃实验中；(4)增加红外摄影仪以及热电偶数量观测火场温度，更利于实验者对快速烤燃实验过程弹药反应与火场温度变化关系的分析。

附图说明

图1为本发明的弹药快速烤燃实验系统组成示意图。

图2为本发明的弹药快速烤燃实验系统结构示意图。

图3为本发明的气体燃料火焰喷射装置固定夹具面板部分结构示意图。

图4为本发明的气体燃料火焰喷射装置固定夹具凹槽杆部分结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

结合图1，一种弹药快速烤燃实验系统，包括弹药支撑悬挂装置1、弹药实验样品2、热电偶3、气体燃料储存运输装置4、计算机5、信号调理器6、数据采集器7、气体燃料火焰喷射装置8、气体燃料火焰喷射装置固定夹具9、烤燃实验系统固定支撑架10、红外热像仪11、高速摄影机12以及水泥基座13；弹药实验样品2通过弹药支撑悬挂装置1悬挂或支撑在两侧气体燃料火焰喷射装置8夹角中心线正上方，距离弹药实验样品2中心线的上下左右前后六个方向40～60mm处分别设置若干个热电偶3，热电偶3的数目与弹药实验样品2的大小尺寸相关，一般小型弹在中心线的上下左右前后六个方向各设置一个，长径比较大的弹则需要才长度方向按一定比例设置多个；所述热电偶3分别与数据采集器7连接，数据采集器7与信号调理器6连接，计算机5分别与信号调理器6、红外热像仪11和高速摄影机12连接，红外热像仪11和高速摄影机12分别位于弹药实验样品2的侧方，分别用于观察整个过程中火焰温度分布情况和拍摄烤燃过程。气体燃料火焰喷射装置固定夹具9固定气体燃料火焰喷射装置8，所述气体燃料火焰喷射装置固定夹具9与烤燃实验系统固定支撑架10相连，烤燃实验系统固定支撑架10用地脚螺栓固定在水泥基座13上。

结合图2和图3，所述弹药支撑悬挂装置1和烤燃实验系统固定支撑架10均通过地脚螺栓固定在水泥基座13上，气体燃料火焰喷射装置固定夹具9包括凹槽杆9-1、滑动机构9-2、角度调节器9-3、预制带孔面板9-4、卡扣9-5，所述滑动控制器9-2与角度调节器9-3连接在烤燃实验系统固定支撑架10上，气体燃料火焰喷射装置8的杆件与气体燃料火焰喷射装置固定夹具9的预制带孔面板9-4上的沟槽孔9-6相互配合卡位。气体燃料火焰喷射装置8下部穿过沟槽孔9-6，上部卡在凹槽杆9-1之上，形成连杆运动机构。当预制带孔面板9-4以角度调节器9-3为轴旋转时，带动气体燃料火焰喷射装置8改变角度，同时支撑气体燃料火焰喷射装置8上半部分的凹槽杆9-1则随着滑动机构9-2沿竖直方向运动。

所述预制带孔面板9-4与角度调节器9-3为可拆卸连接，预制带孔面板9-4之间通过双卡扣9-5相互固定。预制带孔面板9-4的宽度决定了气体燃料火焰喷射装置8水平排布距离，因此可制作不同宽度标准的预制带孔面板9-4来调节气体燃料火焰喷射装置8火焰喷射的密集程度。

工作过程：

将预先准备好的弹药实验样品2通过弹药支撑悬挂装置1，悬挂或支撑于气体燃料火焰喷射装置8双排中心线正上方一定高度，通过气体燃料火焰喷射装置固定夹具9调节气体燃料火焰喷射装置8与弹药实验样品2之间的夹角，气体燃料储存运输装置4向气体燃料火焰喷射装置8输送燃料，通过气体燃料储存运输装置4的压力控制器调节丙烷流量，进而控制火焰大小，燃料燃烧形成均匀火场，可通过红外摄像仪观测火场温度的基本分布，由热电偶3测量弹药实验样品2各个方向的温度，数据采集器7采集热电偶3测量的温度数据，通过信号调理器6放大，同时高速摄影机对烤燃过程进行拍摄，将烤燃过程的温度数据和图像分别传到计算机5中，从而可以得到烤燃过程中弹药实验样品2周围各特征点温度随时间的变化曲线以及对应不同时刻的实验现象，便于对弹药快速烤燃实验特性进行分析。

Claims (4)

1.一种弹药快速烤燃实验系统，其特征在于：包括弹药支撑悬挂装置(1)、弹药实验样品(2)、热电偶(3)、气体燃料储存运输装置(4)、计算机(5)、信号调理器(6)、数据采集器(7)、气体燃料火焰喷射装置(8)、气体燃料火焰喷射装置固定夹具(9)、烤燃实验系统固定支撑架(10)、红外热像仪(11)、高速摄影机(12)以及水泥基座(13)；弹药实验样品(2)通过弹药支撑悬挂装置(1)悬挂或支撑在两侧气体燃料火焰喷射装置(8)夹角中心线正上方，距离弹药实验样品(2)上下左右前后六个方向40～60mm处分别设置若干热电偶(3)，热电偶(3)的数目与弹药实验样品(2)的大小尺寸相关；所述热电偶(3)分别与数据采集器(7)连接，数据采集器(7)与信号调理器(6)连接，计算机(5)分别与信号调理器(6)、红外热像仪(11)和高速摄影机(12)连接，红外热像仪(11)和高速摄影机(12)分别位于弹药实验样品(2)的侧方，分别用于观察整个过程中火焰温度分布情况和拍摄烤燃过程；所述气体燃料火焰喷射装置固定夹具(9)包括凹槽杆(9-1)、滑动机构(9-2)、角度调节器(9-3)、预制带孔面板(9-4)、卡扣(9-5)；所述滑动机构(9-2)与角度调节器(9-3)连接在烤燃实验系统固定支撑架(10)上，气体燃料火焰喷射装置(8)的杆件与气体燃料火焰喷射装置固定夹具(9)的预制带孔面板(9-4)上的沟槽孔(9-6)相互配合卡位；气体燃料火焰喷射装置(8)下部穿过沟槽孔(9-6)，上部卡在凹槽杆(9-1)之上，形成连杆运动机构，可连续调节气体燃料火焰喷射装置(8)水平夹角，夹角调节范围为30°～60°。

2.根据权利要求1所述的一种弹药快速烤燃实验系统，其特征在于：所述气体燃料选用丙烷、甲烷、庚烷。

3.根据权利要求1所述的一种弹药快速烤燃实验系统，其特征在于：所述气体燃料火焰喷射装置固定夹具(9)的预制带孔面板(9-4)，宽度可选范围为10cm～30cm，可通过不同宽度的预制带孔面板调整实验系统中气体燃料火焰喷射装置的水平间隙，可组装可拆卸，相互之间通过卡扣(9-5)固定。

4.根据权利要求1所述的弹药快速烤燃实验系统，其特征在于：所述热电偶(3)距离弹药实验样品(2)中心线的上下左右前后六个方向40～60mm处分别设置若干个，长径比较大的弹药实验样品(2)则需要在长度方向按一定比例设置多个。