CN112834150B - 一种混合驱动气炮 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混合驱动气炮，包括高压气室，其包括冷发射气室和安装在冷发射气室内的热发射气室；注气管路，其包括与冷发射气室连接的第一注气管路和与热发射气室连接的第二注气管路；发射管，其与冷发射气室连接，且冷发射气室靠近发射管的一端为锥形结构；液压装置，其安装在冷发射气室内；感应装置，其安装在发射管上；点火装置，其与热发射气室远离发射管的一端连接，当感应装置感应到发射载荷时，点火装置将点燃热发射气室内的气体。本发明通过在冷发射时抛散纳米铝粉，在热发射时通过点燃纳米铝粉持续提供驱动能量，将载荷的发射速度提高至10马赫以上，满足重发射载荷的发射需求。

Description

一种混合驱动气炮

技术领域

本发明涉及材料和结构动力学实验技术领域，具体涉及一种混合驱动气炮。

背景技术

目前冲击动力学实验室使用的气炮可以分为两类，一类是使用高压气体快速释放作为驱动源，属于冷发射气炮；另一类是使用可燃气体爆轰作为驱动源，属于热发射气炮。二者均由高压气室、发射管等部件组成，是材料和结构动力学领域非常重要的实验装置。

冷发射气炮通常使用高压氮气或者氦气驱动，对于轻发射载荷，前者可以达到800m/s以上，后者可以达到1500m/s；热发射气炮通常使用氢氧混合气体爆轰驱动，对于轻发射载荷，可以高达3000m/s。随着高超声速飞行器技术发展的需要，对重发射载荷的发射需求越来越多，并且发射速度要求在5马赫以上，目前只有大口径二级轻气炮可以满足要求；但是大口径二级轻气炮造价高昂，操作复杂，严重限制了高超声速飞行器技术的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混合驱动气炮，提高载荷的发射速度，满足重发射载荷的发射需求。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种混合驱动气炮，包括高压气室，其包括冷发射气室和安装在所述冷发射气室内的热发射气室；

注气管路，其包括与所述冷发射气室连接的第一注气管路和与所述热发射气室连接的第二注气管路，所述第一注气管路上设置有注粉口，用以添加可燃剂；

发射管，其与所述冷发射气室连接，且所述冷发射气室靠近所述发射管的一端为锥形结构；

液压装置，其与所述冷发射气室远离所述发射管的一端连接，用以压缩所述冷发射气室内的气体；

感应装置，其安装在所述发射管上，用以感应发射载荷的位置；

点火装置，其安装在所述热发射气室的一端，当所述感应装置感应到所述发射载荷时，所述点火装置将点燃所述热发射气室内的气体。

作为混合驱动气炮的一种优选方案，所述第一注气管路包括与所述冷发射气室连接的第一注气管道以及安装在所述第一注气管道上的第一注气阀门，所述注粉口安装在所述第一注气管道上，所述第一注气阀门用以控制所述第一注气管道的通断。

作为混合驱动气炮的一种优选方案，所述第二注气管路包括与所述热发射气室连接的第二注气管道以及安装在所述第二注气管道上的第二注气阀门，所述第二注气阀门用以控制所述第二注气管道的通断。

作为混合驱动气炮的一种优选方案，所述液压装置包括安装在所述冷发射气室内的液压缸体、与所述液压缸体连接并套设在所述热发射气室外周的环形活塞、与所述液压缸体连接的液压油路以及安装在所述液压油路上的油路阀门，所述环形活塞分别与所述冷发射气室的内壁和所述热发射气室的外壁密封接触，所述油路阀门用以控制所述液压油路的通断。

作为混合驱动气炮的一种优选方案，所述点火装置包括安装在所述热发射气室内的爆轰管、安装在所述热发射气室邻近所述发射管一端并与所述爆轰管连接的膜片、安装在所述爆轰管远离所述膜片一端的点火器以及与所述感应装置连接的点火控制器，所述点火控制器与所述点火器连接，用以控制所述点火器的开关。

作为混合驱动气炮的一种优选方案，所述感应装置为压力传感器。

作为混合驱动气炮的一种优选方案，所述冷发射气室靠近所述发射管的一端的锥度为40°～60°。

作为混合驱动气炮的一种优选方案，所述发射载荷包括弹托和安装在所述弹托内并凸出于所述弹托远离所述冷发射气室一端的发射弹，所述弹托邻近所述冷发射气室的一端呈锥形，且所述弹托的外径大于所述发射管的内径并与所述发射管过盈配合，所述弹托挤入所述冷发射气室的压力不大于20MPa。

作为混合驱动气炮的一种优选方案，所述高压气室和所述注气管路的工作压力不大于30MPa，所述液压装置的工作压力不大于50MPa。

作为混合驱动气炮的一种优选方案，所述膜片的破膜压力大于20MPa。

本发明的有益效果：

(1)、本发明的高压气室由冷发射气室和热发射气室组成，既可以单独使用，又可以组合使用，同时满足不同发射载荷、不同发射速度的需求，适用范围广；

(2)、冷发射气室和热发射气室在组合使用的条件下，本发明的冷发射气室中的注气管路设置有注粉口，通过注气管路在冷发射气室内注入高压氧气，在注气时可以将可燃剂吸入冷发射气室，同时采用液压缸的环形活塞进一步压缩氧气，使得氧气压力超过弹托的挤入压力完成冷发射，并在发射管内形成纳米铝粉抛散，为热发射持续提供驱动能量，相对于高速阀门排气，本发明的液压缸压缩气体的方式更为简单有效；

(3)、冷发射气室和热发射气室在组合使用的条件下，本发明通过注气管路在热发射气室内注入氢氧氮气体，并在热发射气室内点火形成氢氧爆轰反应，驱动发射载荷持续向前运动完成热发射，在冲击压缩氧气和可燃剂时，通过可燃剂燃烧持续提供驱动能量，可以将重载荷的发射速度提高至10马赫以上，满足重发射载荷的发射需求，相对于大口径二级轻气炮，本发明操作简单，发射速度快，实验成本低，便于市场推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例所述的混合驱动气炮的结构示意图。

图中：

1、高压气室；11、冷发射气室；12、热发射气室；

2、注气管路；21、第一注气管路；211、注粉口；212、第一注气管道；213、第一注气阀门；22、第二注气管路；221、第二注气管道；222、第二注气阀门；

3、发射管；

4、液压装置；41、液压缸体；42、环形活塞；43、液压油路；44、油路阀门；

5、感应装置；

6、点火装置；61、爆轰管；62、膜片；63、点火器；64、点火控制器；

100、发射载荷；110、弹托；120、发射弹。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明实施例中的混合驱动气炮包括高压气室1，其包括冷发射气室11和安装在冷发射气室11内的热发射气室12；

注气管路2，其包括与冷发射气室11连接的第一注气管路21和与热发射气室12连接的第二注气管路22，第一注气管路21上设置有注粉口211，用以添加可燃剂；

发射管3，其与冷发射气室11连接，且冷发射气室11靠近发射管3的一端为锥形结构；

液压装置4，其安装在冷发射气室11内，用以压缩冷发射气室11内的气体；

感应装置5，其安装在发射管3上，用以感应发射载荷100的位置；

点火装置6，其与热发射气室12远离发射管3的一端连接，当感应装置5感应到发射载荷100时，点火装置6将点燃热发射气室12内的气体。

优选地，热发射气室12采用直筒式结构，处于冷发射气室11的中心。

优选地，可燃剂为纳米铝粉。

本实施例的高压气室1由冷发射气室11和热发射气室12组成，既可以单独使用，又可以组合使用，同时满足不同发射载荷100、不同发射速度的需求，适用范围广；在组合使用时，通过液压装置4压缩冷发射气室11内的气体完成冷发射，在冷发射时抛散纳米铝粉，在热发射时通过点燃纳米铝粉持续提供驱动能量，将重载荷的发射速度提高至10马赫以上，满足重发射载荷100的发射需求，相对于大口径二级轻气炮，本发明操作简单，发射速度快，实验成本低，便于市场推广应用。

具体地，本发明实施例中的混合驱动气炮还包括高压控制系统(图中未示出)，用以控制注气管路2和液压装置4。

具体地，第一注气管路21包括与冷发射气室11连接的第一注气管道212以及安装在第一注气管道212上的第一注气阀门213，注粉口211安装在第一注气管道212上，第一注气阀门213用以控制第一注气管道212的通断，发射载荷100发射前，高压控制系统控制第一注气管路21对冷发射气室11注入气体，使冷发射气室11内的气体压力达到指定数值(数值可根据实验需要自由调整)。

具体地，第二注气管路22包括与热发射气室12连接的第二注气管道221以及安装在第二注气管道221上的第二注气阀门222，第二注气阀门222用以控制第二注气管道221的通断，发射载荷100发射前，高压控制系统控制第二注气管路22对热发射气室12注入气体，使热发射气室12内的气体压力达到指定数值(数值可根据实验需要自由调整)。

具体地，液压装置4包括安装在冷发射气室11内的液压缸体41、与液压缸体41连接并套设在热发射气室12外周的环形活塞42、与液压缸体41连接的液压油路43以及安装在液压油路43上的油路阀门44，环形活塞42分别与冷发射气室11的内壁和热发射气室12的外壁密封接触，油路阀门44用以控制液压油路43的通断，准备工作完成后，高压控制系统控制液压油路43泵油，使得液压缸体41驱动环形活塞42移动，从而达到增大气体压力的作用，相对于高速阀门排气，本发明的液压缸体41上的环形活塞42压缩气体的方式更为简单有效。

具体地，点火装置6包括安装在热发射气室12内的爆轰管61、安装在热发射气室12邻近发射管3一端并与爆轰管61连接的膜片62、安装在爆轰管61远离膜片62一端的点火器63以及与感应装置5连接的点火控制器64，点火控制器64与点火器63连接，用以控制点火器63的开关。

具体地，感应装置5为压力传感器。

具体地，冷发射气室11靠近发射管3的一端的锥度为40°～60°。

具体地，发射载荷100包括弹托110和安装在弹托110内并凸出于弹托110远离冷发射气室11一端的发射弹120，弹托110邻近冷发射气室11的一端呈锥形，且弹托110的外径大于发射管3的内径并与发射管3过盈配合，处于高压气室1与发射管3相连的锥角处，弹托110挤入冷发射气室11的压力不大于20MPa。

优选地，弹托110的材料为高分子量聚乙烯。

具体地，高压气室1和注气管路2的工作压力不大于30MPa，液压装置4的工作压力不大于50MPa。

具体地，膜片62的破膜压力大于20MPa。

工作原理：冷发射气室11和热发射气室12在组合使用的条件下，先通过第一注气管道212在冷发射气室11内注入高压氧气，并通过注粉口211将纳米铝粉吸入冷发射气室11，同时采用液压缸体41上的环形活塞42进一步压缩氧气，使得氧气压力超过弹托110的挤入压力完成冷发射，并在发射管3内形成纳米铝粉抛散，随后在热发射气室12内点火形成氢氧爆轰反应，在冲击压缩氧气和纳米铝粉时，通过铝粉燃烧持续提供驱动能量，将重载荷的发射速度提高至10马赫以上。

具体发射过程如下：

(1)、发射载荷100发射前，高压气室1与发射管3处于分离状态，首先安装热发射气室12的膜片62，然后将发射载荷100装入发射管3，弹托110的尾部挤入发射管3的锥面，通过法兰连接高压气室1和发射管3；

(2)、在注粉口211加入纳米铝粉，打开第一注气阀门213，通过第一注气管道212向冷发射气室11内注入氧气；

(3)、打开第二注气阀门222，依次按照氢气、氧气、氮气的顺序通过第二注气管道221向热发射气室12内注入混合气体；

(4)、打开油路阀门44，向液压缸体41内泵入液压油推动环形活塞42压缩冷发射气室11内的氧气；

(5)、当冷发射气室11内的氧气压力超过弹托110尾部的挤入压力时，发射载荷100会进入发射管3，高压氧气开始驱动发射载荷100在发射管3中向前运动，同时冷发射气室11内吸入的纳米铝粉会在发射管3内形成抛散；

(6)、当发射载荷100运动到发射管3管壁处的压力传感器的位置时，将会触发点火器63对热发射气室12进行点火形成氢氧爆轰反应，随后氢氧爆轰反应形成的冲击波会压缩发射管3内的氧气和纳米铝粉，二者进一步反应持续提供驱动能量，将发射载荷100的发射速度提高至10马赫以上。

需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等。但是，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。另外，本申请说明书和权利要求书所使用的一些术语并不是限制，仅仅是为了便于描述。

Claims (10)

1.一种混合驱动气炮，其特征在于，包括：

高压气室(1)，其包括冷发射气室(11)和安装在所述冷发射气室(11)内的热发射气室(12)；

注气管路(2)，其包括与所述冷发射气室(11)连接的第一注气管路(21)和与所述热发射气室(12)连接的第二注气管路(22)，所述第一注气管路(21)上设置有注粉口(211)，用以添加可燃剂；

发射管(3)，其与所述冷发射气室(11)连接，所述冷发射气室(11)靠近所述发射管(3)的一端为锥形结构；

液压装置(4)，其安装在所述冷发射气室(11)内，用以压缩所述冷发射气室(11)内的气体；

感应装置(5)，其安装在所述发射管(3)上，用以感应发射载荷(100)的位置；

点火装置(6)，其与所述热发射气室(12)远离所述发射管(3)的一端连接，当所述感应装置(5)感应到所述发射载荷(100)时，所述点火装置(6)将点燃所述热发射气室(12)内的气体。

2.根据权利要求1所述的混合驱动气炮，其特征在于，所述第一注气管路(21)包括与所述冷发射气室(11)连接的第一注气管道(212)以及安装在所述第一注气管道(212)上的第一注气阀门(213)，所述注粉口(211)安装在所述第一注气管道(212)上，所述第一注气阀门(213)用以控制所述第一注气管道(212)的通断。

3.根据权利要求1所述的混合驱动气炮，其特征在于，所述第二注气管路(22)包括与所述热发射气室(12)连接的第二注气管道(221)以及安装在所述第二注气管道(221)上的第二注气阀门(222)，所述第二注气阀门(222)用以控制所述第二注气管道(221)的通断。

4.根据权利要求1所述的混合驱动气炮，其特征在于，所述液压装置(4)包括安装在所述冷发射气室(11)内的液压缸体(41)、与所述液压缸体(41)连接并套设在所述热发射气室(12)外周的环形活塞(42)、与所述液压缸体(41)连接的液压油路(43)以及安装在所述液压油路(43)上的油路阀门(44)，所述环形活塞(42)分别与所述冷发射气室(11)的内壁和所述热发射气室(12)的外壁密封接触，所述油路阀门(44)用以控制所述液压油路(43)的通断。

5.根据权利要求1所述的混合驱动气炮，其特征在于，所述点火装置(6)包括安装在所述热发射气室(12)内的爆轰管(61)、安装在所述热发射气室(12)邻近所述发射管(3)一端并与所述爆轰管(61)连接的膜片(62)、安装在所述爆轰管(61)远离所述膜片(62)一端的点火器(63)以及与所述感应装置(5)连接的点火控制器(64)，所述点火控制器(64)与所述点火器(63)连接，用以控制所述点火器(63)的开关。

6.根据权利要求1所述的混合驱动气炮，其特征在于，所述感应装置(5)为压力传感器。

7.根据权利要求1至6任一项所述的混合驱动气炮，其特征在于，所述冷发射气室(11)靠近所述发射管(3)的一端的锥度为40°～60°。

8.根据权利要求1至6任一项所述的混合驱动气炮，其特征在于，所述发射载荷(100)包括弹托(110)和安装在所述弹托(110)内并凸出于所述弹托(110)远离所述冷发射气室(11)一端的发射弹(120)，所述弹托(110)邻近所述冷发射气室(11)的一端呈锥形，且所述弹托(110)的外径大于所述发射管(3)的内径并与所述发射管(3)过盈配合，所述弹托(110)挤入所述冷发射气室(11)的压力不大于20MPa。

9.根据权利要求1至6任一项所述的混合驱动气炮，其特征在于，所述高压气室(1)和所述注气管路(2)的工作压力不大于30MPa，所述液压装置(4)的工作压力不大于50MPa。

10.根据权利要求5所述的混合驱动气炮，其特征在于，所述膜片(62)的破膜压力大于20MPa。

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