CN109870069A - 一种可连续发射的单管空气炮 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可连续发射的单管空气炮，包括发射管1、上弹装置2、上弹用电动伺服作动器3、实验控制系统4、发射/补气用电动伺服作动器5、发射气室6、组合式阀体7；补气气室8；其中，发射管1和上弹装置2连接，上弹装置2内可预置多颗弹丸，在上弹用电动伺服作动器3的推动下单次一颗弹丸进入发射管；发射管1和发射气室6连接，发射气室为旋成体类台阶圆柱体结构，由右端的大室和左端的小室组成；发射气室6和补气气室8的小室通过气路连接；本发明技术方案可满足飞机结构、高速列车结构、风电叶片等高速运动机械连续外物撞击的试验需求，同时可以通过控制参数的调整设定发射的间隔或频次。

Description

一种可连续发射的单管空气炮
技术领域
本发明属于特种冲击试验加载装置研制领域，用于实现弹丸连续冲击加载，可根据加载要求调整发射间隔和发射数量。
背景技术
复合材料具有比强度、比刚度高、可设计性强、抗疲劳性能好等优点，可明显减轻结构重量，提高结构承载效率，降低运营成本，现代飞机、高铁等越来越多的使用复合材料。Boeing 787和A350XWB上复合材料所占比重均可达50％以上，复合材料用量的高低已成为衡量现代民机先进程度的重要参考。为了降低能耗，高铁领域也在开展复合材料车体的研究和应用工作。飞机复合材料结构服役过程中可能遭遇工具坠落、飞鸟和冰雹等的冲击，高速列车也可能地面多余物和飞鸟等的撞击，复合材料结构对冲击异常敏感，冲击后易出现内部损伤、裂纹、分层甚至是穿透破坏，损坏后的结构承载能力将发生显著下降，如果不能及时检出并维修，可能直接或间接导致事故的发生，研究复合材料结构的冲击行为具有重要的理论与工程意义。
复合材料工程应用前，需要通过大量的材料实验确定材料许用值和设计许用值，材料许用值是针对材料本身的性能，而设计许用值需要结合复合材料具体的使用环境，通过元件级的实验统计分析获得，确定设计许用值的最关键试验是冲击后压缩试验(Compress After Impact，简称CAI试验)。其试验过程是先先复合材料试验件人工引入损伤(通过落锤装置或空气炮装置)，再进行压缩试验，通过测试冲击后压缩载荷的变化情况得到材料的冲击损伤门槛值，再结合其他的实验测试数据，从而获得材料的许用值，用于指导复合材料结构的设计。
冲击后压缩试验模拟的其中一个典型冲击环境就是冰雹冲击，现阶段研究的主要是单颗大质量冰雹的冲击问题(大直径一般为50mm，这个尺寸的冰雹可代表自然界形成的95％冰雹)，研究的速度可达200m/s(对于飞机而言，对于高铁可达到100ms/以上)。但是自然界的冰雹总是密集产生的，结构可能在数分钟内承受上百颗冰雹的撞击，这种连续的冰雹撞击产生的损伤特性和单颗冰雹撞击的损伤特性是完全不同的。
除了复合材料结构，飞机的雷达罩、风挡玻璃、发动机短舱、发动机风扇叶片也都需要进行冰雹的撞击试验，如风挡玻璃和雷达罩就要求进行区域内的连续冰雹撞击试验，以评价雷达罩结构的承载特性和电磁特性变化，同时评价风挡玻璃透明件冰雹撞击后对抗鸟撞能力的影响和光学特性的影响，但目前国内还没有类似的单点连续撞击试验用的试验装置。
在工程实践中，有通过多根炮管次序发射实现连续撞击的试验系统，如发动机整机试车台吞鸟试验中使用的9管甚至16管空气炮，每根发射管使用一套独立的发射机构，通过试验台架将多套单管发射机构组合到一起实现连续发射的目的，这种实验系统结构极为复杂，成本也很高，且无法保证发射物的撞击位置精度，散布范围较大，难以实现撞击间隔的精确控制，多用于模拟区域内的连续撞击。
本发明提出一种可以连续发射的单发射管空气炮装置，通过特殊设计的联动式发射控制装置，实现空气炮的装弹-充气-发射-再装填-再充气-发射过程的循环控制，可基于一根炮管实现连续撞击试验，可通过发射控制系统调节发射的间隔时间，同时由于弹丸通过一个发射管发射，撞击点的重复性可以得到保证。
发明内容
发明目的：提出一种可连续发射的单管空气炮，通过单发射管，可连续发射多颗模拟弹丸撞击试验对象，用于评估结构件在模拟弹丸(如人工冰雹)连续撞击下的损伤特性。
技术方案
一种可连续发射的单管空气炮，其特征在于，包括发射管(1)、上弹装置(2)、上弹用电动伺服作动器(3)、实验控制系统(4)、发射/补气用电动伺服作动器(5)、发射气室(6)、组合式阀体(7)；补气气室(8)；
其中，发射管(1)和上弹装置(2)连接，上弹装置(2)内可预置多颗弹丸，在上弹用电动伺服作动器(3)的推动下单次一颗弹丸进入发射管；
发射管(1)和发射气室(6)连接，发射气室为旋成体类台阶圆柱体结构，由右端的大室和左端的小室组成；
发射气室(6)和补气气室(8)的小室通过气路连接；
组合式阀体(7)安装在发射气室(6)内，左端发射/补气用电动伺服作动器(5)连接受其控制，右端为锥形密封头，可于发射前，运动至发射管(1)和发射气室(6)连接处，将发射气室(6)和炮管(1)隔离；组合式阀体(7)的中段为凸台结构，凸台与发射气室(6)的小室之间为滑动密封关系，凸台上开有气孔，当组合阀体(7)在发射/补气用电动伺服作动器(5)的推动下向右运动密封发射气室(6)和发射管(1)时候，气孔将补气气室(8)和发射气室(6)连通，压缩空气进入发射气室(6)。
所述的发射管(1)和上弹装置(2)通过滑槽连接。
所述的发射管(1)和发射气室(6)通过法兰连接。
所述的实验控制系统(4)控制发射/补气用电动伺服作动器(5)和上弹用电动伺服作动器(3)按时序运动，实现连续发射。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
其中，发射管1、上弹装置2、上弹用电动伺服作动器3、实验控制系统4、发射/补气用电动伺服作动器5、发射气室6、组合式阀体7；补气气室8。
有益效果
本发明技术方案可满足飞机结构、高速列车结构、风电叶片等高速运动机械连续外物撞击的试验需求，通过设计补气/密封一体式组合阀体，实现了发射过程的气源隔离和准备发射阶段的快速补气，通过配备补气气源(如较大容积的气罐)，可以实现连续发射过程中的补气要求，从而提高系统的响应速度，使得较快的连续发射成为可能，同时可以通过控制参数的调整设定发射的间隔或频次。同时弹丸从一根发射管发射，撞击点的重复性可以得到保证。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案实施方式做详细叙述。
如图1所示，本发明装置由发射气室、炮管、补气气室、气源、组合式阀体、上弹装置、发射/补气用电动伺服作用器、装弹用电动伺服作用器、控制系统组成，系统以压缩空气为做功介质。上弹装置及工装中装由多颗弹丸，与炮管通过高精度滑槽连接，单次发射一颗弹丸，下一颗弹丸在装弹用伺服作动器的作用下按控制指令推入待发射位置。
发射气室与炮管通过组合式阀体的锥头进行密封，将高压气体与待发射弹丸隔离。(补气气室与发射气室通过气路连接，组合阀体上的滑块上预制通孔，待发射状态下，气路打开，补气气室与发射气室连通，补气气室的压力与发射气室一致)。
启动发射控制电动伺服作动器，组合式阀体的锥头打开，高压空气从发射气室进入炮管，推动弹丸沿着炮管加速。同时组合式阀体的滑块将补气气室与发射气室隔离。
检测到弹丸离开炮口后，发射控制作动器将推动组合阀体，锥头将发射气室与炮管隔离，组合式阀体的滑块运动后将补气气室与发射气室连通，发射气室补气。
当检测到发射气室的锥阀密封到位后，上弹作动器推动下一发弹丸就位，进入下一个发射流程，从而实现单炮管的连续发射。假定伺服作动器的运动速度为1m/s，上弹距离为50mm，密封距离为50mm，发射管长度为2.5m，发射速度100m/s，单次完整的循环需要约125ms，考虑控制周期和系统迟滞，理论上可达到约5颗每秒的最大发射速度。

Claims (4)

1.一种可连续发射的单管空气炮，其特征在于，包括发射管(1)、上弹装置(2)、上弹用电动伺服作动器(3)、实验控制系统(4)、发射/补气用电动伺服作动器(5)、发射气室(6)、组合式阀体(7)；补气气室(8)；
其中，发射管(1)和上弹装置(2)连接，上弹装置(2)内可预置多颗弹丸，在上弹用电动伺服作动器(3)的推动下单次一颗弹丸进入发射管；
发射管(1)和发射气室(6)连接，发射气室为旋成体类台阶圆柱体结构，由右端的大室和左端的小室组成；
发射气室(6)和补气气室(8)的小室通过气路连接；
组合式阀体(7)安装在发射气室(6)内，左端发射/补气用电动伺服作动器(5)连接受其控制，右端为锥形密封头，可于发射前，运动至发射管(1)和发射气室(6)连接处，将发射气室(6)和炮管(1)隔离；组合式阀体(7)的中段为凸台结构，凸台与发射气室(6)的小室之间为滑动密封关系，凸台上开有气孔，当组合阀体(7)在发射/补气用电动伺服作动器(5)的推动下向右运动密封发射气室(6)和发射管(1)时候，气孔将补气气室(8)和发射气室(6)连通，压缩空气进入发射气室(6)。
2.根据权利要求1所述的一种可连续发射的单管空气炮，其特征在于，所述的发射管(1)和上弹装置(2)通过滑槽连接。
3.根据权利要求1所述的一种可连续发射的单管空气炮，其特征在于，所述的发射管(1)和发射气室(6)通过法兰连接。
4.根据权利要求1所述的一种可连续发射的单管空气炮，其特征在于，所述的实验控制系统(4)控制发射/补气用电动伺服作动器(5)和上弹用电动伺服作动器(3)按时序运动，实现连续发射。
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