CN112146512A - 基于轻气炮的超高速发射弹托设计方法 - Google Patents

基于轻气炮的超高速发射弹托设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于轻气炮的超高速发射弹托设计方法，能够根据发射要求和弹型选择合理的弹托结构，校核弹托承载力，同时预估最大发射速度，使其能够满足轻气炮发射使用要求，采用该方法进行弹托设计能够有效节省时间和经济成本。弹托的设计包括选择弹托材料和选择弹托结构，设计时首先依据设定的弹丸发射速度对应的初始弹底压力，选择弹托材料；然后再进行弹托结构的选择，采用本发明的方法进行弹托设计可以选择适宜弹体的弹托结构，保证弹体姿态，且能够减少实验次数，缩短实验时间，节省大量的人力和物力成本。

Description

基于轻气炮的超高速发射弹托设计方法
技术领域
本发明涉及一种弹托设计方法，具体涉及一种基于轻气炮的超高速发射弹托设计方法，属于高超声速至超高速发射技术领域。
背景技术
轻气炮是依靠压缩气体膨胀做功，使弹丸获得超高初速的试验装置，可用于航天器、高超声速武器以及天体碰撞等领域的研究。在轻气炮超高速发射过程中一般使用次口发射技术，即弹丸直径小于发射管直径。为了传递气体压力，避免弹体划伤炮管(发射管)，保证弹丸获得较高的初始速度，需要弹托对弹丸进行保护和密封炮管。
弹托在加载弹丸过程中需要承载高温、高压气体作用。弹托承载力如果不满足要求，很有可能发生破碎。此时弹托不但无法加速弹体，而且还可能损伤炮管，造成巨大经济损失和安全隐患。高超声速战斗部模拟发射比超高速发射更难，超高速主要发射的是球形弹丸；而高超声速发射的弹更重，弹的形状是杆状。使用轻气炮发射长杆弹时如果弹托选择不合理，则不能很好地保持弹体姿态，弹体出炮口后往往出现明显的攻角，难以保证实验效果。
轻气炮的内弹道问题相当复杂，无法准确的对弹托进行理论计算，研究人员一般是根据大量的次口径的发射经验进行弹托设计，然后进行发射实验，不断调整优化弹托的材料和类型，获得满足实验要求的弹托结构。在试验过程中，往往需要消耗大量的人力、物力和财力。因此，急需形成一种轻气炮超高声速弹托设计方法，解决实验室条件下超高声速次口径发射弹托设计难题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于轻气炮的超高速发射弹托设计方法，能够根据发射要求和弹型选择合理的弹托结构，校核弹托承载力，同时预估最大发射速度，使其能够满足轻气炮发射使用要求，采用该方法进行弹托设计能够有效节省时间和经济成本。
基于轻气炮的超高速发射弹托设计方法，弹托的设计包括选择弹托材料和选择弹托结构：
步骤1：依据设定的弹丸发射速度对应的初始弹底压力p0，选择弹托材料：
弹丸在发射管内的速度V与其在发射管内的运动距离x之间的关系为：
其中：V(x)是运动距离为x时弹丸的速度，p0是初始弹底压力，a是轻气炮发射管的长度与发射管内径的比值，b是弹丸长度与弹托外径的比值，
Figure BDA0002692934840000022
是弹丸的等效质量系数，ρp是弹丸的密度，γ是空气的绝热指数，x′是弹丸运动距离x与弹托外径比值；
将弹丸的发射速度V1代入上述公式(1)计算初始弹底压力p0，此时x′是发射管的长度与弹托外径D比值；然后依据计算的弹底压力p0选择弹托材料：
当p0≤5GPa时，弹托的材料采用特种工程塑料；
当5GPa＜p0＜8GPa时，弹托的材料采用轻质高强合金；
当8GPa≤p0≤pmax时，弹托的材料采用特种工程塑料和轻质高强合金的复合材料；pmax是轻气炮能加载的最大弹底压力；
步骤2：选择弹托结构：
弹托结构包括杯型弹托和环形弹托，弹托质量与弹丸的质量之间存在如下关系：
Figure BDA0002692934840000023
其中：ms为弹托质量，mp为弹丸质量，d为弹丸直径，D为弹托外径，V1为弹丸的发射速度，V0为轻气炮的最大发射速度；
先依据上述公式(2)计算弹托质量ms，然后依据比值d/D和比值ms/mp选择所需使用的弹托结构：
当d/D＜K1，ms/mp＞K2时，使用杯型弹托；
当d/D≤K1，ms/mp≤K2时，使用环型弹托；
当d/D＞K1，ms/mp＜K2时，使用增加了金属底座的杯型弹托。
其中K1为设定的d/D比值常数，K2为设定的ms/mp比值常数。
作为本发明的一种优选方式，所述步骤一中：当所计算的p0＞pmax时，表明设定的弹丸发射速度过大，超过轻气炮的最大加载能力，重新设定弹丸发射速度；然后进行初始弹底压力p0的计算，直至所计算的弹底压力p0小于pmax。
作为本发明的一种优选方式，所述步骤二中，所述步骤二中，d/D比值常数K1＝0.5，ms/mp比值常数K2＝3。
有益效果：
采用本发明的方法进行弹托设计可以选择适宜弹体的弹托结构，保证弹体姿态，且能够减少实验次数，缩短实验时间，节省大量的人力和物力成本。
由于通过弹丸发射速度对应的初始弹底压力进行弹托材料的选择，能够保证弹底压力控制在安全范围以内，防止弹托破碎和弹体划伤炮管。
附图说明
图1为本发明弹托设计方法的流程图；
图2为通过杯型弹托将弹丸放置在发射管内的结构示意图；
图3为通过环型弹托将弹丸放置在发射管内的结构示意图。
其中：1-杯型弹托，2-弹丸，3-发射管，4-环形弹托
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：
本实施例提供一种基于轻气炮的超高速发射弹托设计方法，采用该方法进行弹托设计能够减少实验次数，缩短实验时间，节省大量的人力和物力成本。
弹托位于轻气炮发射管3内，其外径与发射管3内径匹配(可以理解为弹托外径与轻气炮发射管3内径相同)，内径与弹丸2直径匹配(可以理解为弹托内径与弹丸2直径相同)，对弹托的设计包括选择弹托材料以及选择弹托结构。
具体步骤为：
步骤1：依据弹丸发射速度(发射速度为设定值)对应的初始弹底压力p0，选择弹托材料：
弹丸2在发射管内的速度V(弹丸2在发射管内的速度从零增大至发射速度，发射速度即为弹丸2出管速度)与其在发射管3内的运动距离x之间的关系为：
Figure BDA0002692934840000031
其中，V(x)是运动距离为x时弹丸2的速度，p0是初始弹底压力，a是轻气炮发射管3的长度与发射管内径D的比值，b是弹丸长度与弹托外径D(即发射管内径)的比值，
Figure BDA0002692934840000032
是弹丸2的等效质量系数，ρp是弹丸2的密度，γ是空气的绝热指数，x′是弹丸运动距离x与弹托外径D比值。
将设定的弹丸2的发射速度V1代入上述公式(1)计算初始弹底压力p0(发射速度V1对应的弹丸运动距离x即为发射管3的长度，则将发射速度V1代入上述公式(1)时，x′是发射管3的长度与弹托外径D比值，此时x′＝a)，然后依据计算的弹底压力p0选择弹托材料：
当p0≤5GPa时，弹托的材料选择聚醚酮(peek)高性能特种工程塑料或聚碳酸酯等特种工程塑料；
当5GPa＜p0＜8GPa时，弹托的材料选择6061铝或5052镁铝合金等轻质高强合金；
当8GPa≤p0≤pmax时，弹托的材料选择上述特种工程塑料和轻质合金两种材料组成的复合材料；
当p0＞pmax时(pmax是轻气炮能加载的最大弹底压力)，表明设定的弹丸发射速度过大，超过轻气炮的最大加载能力，需重新设定弹丸发射速度，然后进行初始弹底压力p0的计算，直至所计算的弹底压力p0小于pmax。
步骤2：选择弹托结构：
弹托结构包括杯型弹托1和环形弹托4，先根据下述公式(2)计算弹托质量ms：
Figure BDA0002692934840000041
其中：ms为弹托质量，mp为所需发射的弹丸2的质量，d为所需发射的弹丸直径，D为弹托外径，V1为弹丸的发射速度，V0为轻气炮的最大发射速度。
依据上述公式(2)计算得到弹托质量ms后，然后依据比值d/D和比值ms/mp选择所需使用的弹托结构：
当d/D＜K1，ms/mp＞K2时，使用杯型弹托；
当d/D≤K1，ms/mp≤K2时，使用环型弹托；
当d/D＞K1，ms/mp＜K2时，使用增加了金属底座的杯型弹托。
其中K1为设定的d/D比值常数，K2为设定的ms/mp比值常数；K1和K2均为经验值，本例中d/D比值常数K1＝0.5，ms/mp比值常数K2＝3。
步骤3：根据步骤1选定的弹托材料和步骤2确定的弹托结构，以及已知的弹托内径和外径值设计弹托，并进行发射实验。
实施例2：
基于上述实施例1给出的弹托设计方法，具体的：
当需要使用二级轻气炮将柱形弹丸发射到3.2km/s时(即弹丸的发射速度为3.2km/s)，由公式(1)计算初始弹底压力p0＜5GP，选取聚碳酸酯作为弹托材料，由公式(2)计算出弹托与弹丸质量的比ms/mp＜3，弹丸直径与弹托外径的比值d/D＝0.414＜0.5，所以选择如图3所示的环形弹托，发射试验后，弹托完整无破碎，弹体垂直射向于靶板。
实施例3：
基于上述实施例1给出的弹托设计方法，具体的：
使用二级轻气炮将球形弹丸发射到5.3km/s时(即弹丸的发射速度为5.3km/s)，由公式(1)计算初始弹底压力p0＝2GPa＜5GPa，选取聚碳酸酯作为弹托材料，由公式(2)计算出弹托与弹丸质量的比ms/mp＜3，又弹丸直径与弹托外径的比值d/D＝0.71＞0.5，所以选择加金属底座的杯型弹托，发射试验后，聚碳酸酯作为弹托材料发射球形弹丸在靶板上形成的圆形开孔说明弹托完整。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于轻气炮的超高速发射弹托设计方法，其特征在于，弹托的设计包括选择弹托材料和选择弹托结构：
步骤1：依据设定的弹丸发射速度对应的初始弹底压力p0，选择弹托材料：
弹丸在发射管内的速度V与其在发射管内的运动距离x之间的关系为：
Figure FDA0002692934830000011
其中：V(x)是运动距离为x时弹丸的速度，p0是初始弹底压力，a是轻气炮发射管的长度与发射管内径的比值，b是弹丸长度与弹托外径的比值，
Figure FDA0002692934830000012
是弹丸的等效质量系数，ρp是弹丸的密度，γ是空气的绝热指数，x′是弹丸运动距离x与弹托外径比值；
将弹丸的发射速度V1代入上述公式(1)计算初始弹底压力p0，此时x′是发射管的长度与弹托外径D比值；然后依据计算的弹底压力p0选择弹托材料：
当p0≤5GPa时，弹托的材料采用特种工程塑料；
当5GPa＜p0＜8GPa时，弹托的材料采用轻质高强合金；
当8GPa≤p0≤pmax时，弹托的材料采用特种工程塑料和轻质高强合金的复合材料；pmax是轻气炮能加载的最大弹底压力；
步骤2：选择弹托结构：
弹托结构包括杯型弹托和环形弹托，弹托质量与弹丸的质量之间存在如下关系：
Figure FDA0002692934830000013
其中：ms为弹托质量，mp为弹丸质量，d为弹丸直径，D为弹托外径，V1为弹丸的发射速度，V0为轻气炮的最大发射速度；
先依据上述公式(2)计算弹托质量ms，然后依据比值d/D和比值ms/mp选择所需使用的弹托结构：
当d/D＜K1，ms/mp＞K2时，使用杯型弹托；
当d/D≤K1，ms/mp≤K2时，使用环型弹托；
当d/D＞K1，ms/mp＜K2时，使用增加了金属底座的杯型弹托。
其中K1为设定的d/D比值常数，K2为设定的ms/mp比值常数。
2.如权利要求1所述的基于轻气炮的超高速发射弹托设计方法，其特征在于，所述步骤一中：当所计算的p0＞pmax时，表明设定的弹丸发射速度过大，超过轻气炮的最大加载能力，重新设定弹丸发射速度；然后进行初始弹底压力p0的计算，直至所计算的弹底压力p0小于pmax。
3.如权利要求1所述的基于轻气炮的超高速发射弹托设计方法，其特征在于，所述步骤二中，d/D比值常数K1＝0.5，ms/mp比值常数K2＝3。
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