CN108180784A - 双反应气体驱动高速发射系统 - Google Patents

Abstract

一种双反应气体驱动高速发射系统，包括装有弹丸（2）的发射管（1），反应室，设于反应室与发射管（1）之间的膜片（3），其特征在于反应室中装有活塞（7），活塞（7）将反应室隔离成反应室I区（5）和反应室II区（4）两个区域，其中膜片（3）位于反应室II区（4）端部，反应室I区（5）中装有点火元件（6），反应室II区（4）中也装有点火元件（8），反应室I区（5）中加注有爆燃物，反应室II区（4）中也加注有爆燃物。本发明使用既不需要增压泵，又能大大增加初始压力提高能量密度的有效方法，实现结构简单且可方便快捷地获得气体高能量密度状态，从而实现弹丸高速发射。

Description

双反应气体驱动高速发射系统

技术领域

本发明属于反应气体驱动轻气炮技术。

背景技术

材料高压物性、动态响应、高速碰撞等研究的动态加载系统中，轻气炮、火炮加载系统因具有压力调节范围大、实验精度高以及对场地条件要求不高等优点得到了广泛应用。在动态发射技术研究中，如何提高系统的发射效率，获得更高的温度压力状态以达到更高的发射速度始终是核心问题。

反应气体驱动轻气炮技术是利用低分子量的可燃混合气体反应释能的方式来推进弹丸，使之获得较高速度的发射技术。它使用两种或多种气体，如氢气、甲烷等与氧气等反应释放能量，代替传统固体发射药作为驱动能源。因此相对固体发射药燃气，氢/氧、甲烷/氧等混合气体反应产生的高温高压气体平均分子量较低而声速较高，在高速发射技术中具有优势，据公开资料报导，在同等当量条件下，这种发射技术所能提供的炮口动能比先进的固体发射药火炮高出至少30%。

但是，气体的密度较小，单位体积气体反应释放的能（即能量密度）较低，要获得较高的能量密度可采取降低初始温度或增加初始压力的方法，降低初始温度涉及复杂的低温系统，价格昂贵，并且对于初始300K的气体而言，即使温度降低到液氮温区77K，理想气体假设下，气体密度（未液化情况下）也仅增加3倍多一点，相比较之下，增加初始压力是提高能量密度的更有效方法。如采用普通的增压泵增加气体压力，存在终态压力受限，设备体积庞大，随着容器中气体压力升高效率迅速降低等问题，

如中国专利申请CN201210257817.8公开了一种以压缩氮气驱动的三级轻气炮，包括一级气室、一级泵管、二级气室、二级泵管、三级气室、发射管；一级气室与一级泵管相连且二者之间设置有快开阀门；一级泵管与二级气室相连；二级气室与二级泵管相连且二者之间设置有二级膜片；二级泵管与三级气室相连；三级气室与发射管相连且二者之间设置有三级膜片。

再如中国专利申请CN201710137286.1公开了一种基于氢氧混合爆轰驱动的三级轻气炮，该发明属于基于氢氧混合爆轰驱动的三级轻气炮，其技术方案是：一级泵管的内径与二级泵管内径的比值在2～4，二级泵管的内径与发射管内径的比值在3～5；一级泵管的长径比为3～5，二级泵管的长径比为4～7，发射管的长径比为1～2；一级高压锥段的锥角为5～25°，二级高压锥段的锥角为5～25°；燃烧室内充入氢气、氧气与氮气的混合气体，一级泵管、二级泵管内分别充入氢气，发射管抽真空处理。本发明采用氢氧混合气体作为驱动源，加载能力更强、低污染、稳定发射1g质量弹丸速度超过10km/s。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明设计了一种结构简单可方便快捷地获得气体高能量密度状态，从而实现弹丸（载荷）高速发射能力的双反应气体驱动高速发射装置。

本发明是这样实现的：

一种双反应气体驱动高速发射系统，包括装有弹丸的发射管，反应室，设于反应室与发射管之间的膜片，其特征在于反应室中装有活塞，活塞将反应室隔离成反应室I区和反应室II区两个区域，其中膜片位于反应室II区端部，反应室I区中装有点火元件，反应室II区中也装有点火元件，反应室I区中加注有爆燃物，反应室II区中也加注有爆燃物。

进一步的方案是：活塞的质量大于弹丸的质量，活塞的质量与弹丸的质量的比值根据需要设计计算。

进一步的方案是：反应室I区的直径为D₁，反应室II区包含直径为D₁和D₂的两个部分，发射管直径为D₀，D₀小于D₂，膜片位于D₂部分与发射管之间，D₂小于D₁，D₁与D₂的比值按需求设计，活塞位于反应室II区一侧设有凸头，凸头直径为D₃，D₃略小于D₂。

更进一步的方案是：爆燃物是氧气和可燃气体的混合物，爆燃物也可以是火药或炸药。

本发明中，活塞大端尺寸设计应该满足与反应室D₁部分的动态及静态气密性要求。弹丸（载荷）放置于发射管尾部，膜片用于密封气体。I区、II区体积比均根据需求进行设计。可燃气体如氢、甲烷、乙烯、乙炔等，氧气质量及可燃气体种类、质量根据需要确定。如果需要也可加注不参与反应的气体如氦气、氮气、氩气等作为稀释气体，以调节反应过程与反应后气体温度、压力状态。I区、II区初始压力可以相等，即P₁₀=P₂₀,此时移动活塞两侧受力均衡保持不动；如I区设置活塞阻挡机构，则II区气体压力可以大于I区，即P₂₀>P₁₀，具体条件需根据结构尺寸及活塞材料参数确定，II区不能设置活塞阻挡机构。如果弹丸设计可保证高压反应室点火前弹丸不发生明显位移，且满足气体密封要求，则膜片可以省去。所有结构尺寸及气体加注参数需根据使用要求设计。

本发明与现有技术相比，使用既不需要增压泵，又能大大增加初始压力提高能量密度的有效方法，实现结构简单且可方便快捷地获得气体高能量密度状态，从而实现弹丸/载荷高速发射能力的双反应气体驱动高速发射装置。

附图说明

图1是本发明双反应气体驱动高速发射系统结构示意图。

图2是I区气体反应推动活塞压缩反应室II区气体示意图。

图3是活塞压缩II区气体的最终状态示意图。

图4是膜片破裂高温高压气体推动弹丸高速发射示意图。

图中：1、发射管；2、弹丸（载荷）；3、膜片；4、反应室II区；5、反应室I区， 6、点火元件；7、活塞；8、点 火元件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，但并不意味着对本发明内容的任何限定。

如图1，一种双反应气体驱动高速发射系统，包括装有弹丸2的发射管1，反应室，设于反应室与发射管1之间的膜片3，其特征在于反应室中装有活塞7，活塞7将反应室隔离成反应室I区5和反应室II区4两个区域，其中膜片3位于反应室II区4端部，反应室I区5中装有点火元件6，反应室II区4中也装有点火元件8，反应室I区5中加注有爆燃物，反应室II区4中也加注有爆燃物。

活塞7的质量应大于弹丸2的质量。

反应室I区5的直径为D₁，反应室II区4包含直径为D₁和D₂的两个部分，发射管1直径为D₀，D₀小于D₂，膜片3位于D₂部分与发射管1之间，D₂小于D₁，活塞7位于反应室II区4一侧设有凸头，凸头直径为D₃，D₃小于D₂。

爆燃物是氧气和可燃气体的混合物。

加注爆燃物后，反应室I区5初始体积为V₁₀，压力为P₁₀，温度为T₁₀，反应室II区4初始体积为V₂₀，压力为P₂₀，温度为T₂₀。

如图2，反应室I区5的点火元件6点火后，反应室I区5中气体反应（燃烧、爆燃、爆轰）释放能量，反应室I区5反应后气体达到高温高压状态推动活塞7移动，压缩反应室II区4气体，使反应室II区4气体密度增加，压力、温度增加。此时反应室I区5由初始变为体积V₁₁，压力为P₁₁，温度为T₁₁，反应室II区4由初始变为体积为V₂₁，压力为P₂₁，温度为T₂₁。

如图3，最终变成反应室II区4气体完全被压缩至直径为D₂的部分，即形成活塞7压缩反应室II区4气体的最终状态：反应室I区5变为体积V₁₂，压力为P₁₂，温度为T₁₂，反应室II区4变为体积为V₂₂，压力为P₂₂，温度为T₂₂。此时反应室II区4气体密度为初始密度的约V₂₀/V₂₂倍。

如图4，当活塞7压缩反应室II区4气体至最终状体时，反应室II区4的点火元件8点火，反应室II区气体反应（燃烧、爆燃、爆轰）释能，反应室II区4气体反应后达到高温高压状态使膜片破裂，高温高压气体推动弹丸（载荷）高速运动完成发射。

Claims (4)

1.一种双反应气体驱动高速发射系统，包括装有弹丸（2）的发射管（1），反应室，设于反应室与发射管（1）之间的膜片（3），其特征在于反应室中装有活塞（7），活塞（7）将反应室隔离成反应室I区（5）和反应室II区（4）两个区域，其中膜片（3）位于反应室II区（4）端部，反应室I区（5）中装有点火元件（6），反应室II区（4）中也装有点火元件（8），反应室I区（5）中加注有爆燃物，反应室II区（4）中也加注有爆燃物。

2.根据权利要求1所述的双反应气体驱动高速发射系统，其特征在于活塞（7）的质量大于弹丸（2）的质量。

3.根据权利要求1所述的双反应气体驱动高速发射系统，其特征在于反应室I区（5）的直径为D₁，反应室II区（4）包含直径为D₁和D₂的两个部分，发射管（1）直径为D₀，D₀小于D₂，膜片（3）位于D₂部分与发射管（1）之间，D₂小于D₁，D₁与D₂的比值按需求设计，活塞（7）位于反应室II区（4）一侧设有凸头，凸头直径为D₃，D₃小于D₂。

4.根据权利要求1所述的双反应气体驱动高速发射系统，其特征在于爆燃物是氧气和可燃气体的混合物，也可以是火药或炸药。