CN114543121B - 一种基于多相爆轰的燃烧驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及弹丸高速驱动技术领域，具体涉及一种基于多相爆轰的燃烧驱动装置，包括通过螺纹连接的密封帽、多相爆轰发生管道及弹丸驱动段，密封帽上安装一单向阀一带点火桥丝和铝纤维的点火引线；多相爆轰发生管道内均匀填充有蓬松多孔的可燃固体；所述弹丸驱动段包括通过螺纹连接的固定台和弹丸膛道，固定台和弹丸膛道间固定一金属膜片，并在弹丸膛道末端填充弹丸，从而实现多相爆轰发生管道的密闭。本发明采用棉纤维、金属纤维、秸秆粉、蓬松有机物等可燃固体驱动，避免了炸药驱动及气体爆轰驱动中存在的危险性高等问题，且具有来源广泛、价格低廉以及反应不产生有毒有害气体等优点；相对于压缩气体驱动的方法，本装置驱动能力更强且结构更加简单。

Description

一种基于多相爆轰的燃烧驱动装置
技术领域
本发明涉及弹丸高速驱动技术领域，具体涉及一种基于多相爆轰的燃烧驱动装置。
背景技术
在民用或实验中有大量情况需要通过冲击加载实现。但现有的压缩高压气体驱动方法驱动能力有限而火药使用受限。同时气体爆轰驱动又存在氢气等气体活性较高，非常容易在储存、运输及使用过程中发生爆炸等安全问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于多相爆轰的燃烧驱动装置，通过棉纤维等可燃固体爆燃快速提高多相爆轰发生管道压力，并通过多相爆轰发生管道和弹丸驱动段压力差实现金属膜片的破膜，从而实现弹丸驱动。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于多相爆轰的燃烧驱动装置，包括通过螺纹连接的密封帽、多相爆轰发生管道及弹丸驱动段，所述密封帽上安装一单向阀一带点火桥丝和铝纤维的点火引线；所述多相爆轰发生管道内均匀填充有蓬松多孔的可燃固体；所述弹丸驱动段包括通过螺纹连接的固定台和弹丸膛道，固定台和弹丸膛道间固定一金属膜片，并在弹丸膛道末端填充弹丸，从而实现多相爆轰发生管道的密闭。
进一步地，所述单向阀位于密封帽的顶端中心处，与密封帽相通，通过单向阀向多相爆轰发生管道内充入高压氧气或高压空气。
进一步地，所述点火桥丝焊接接在点火引线上，并缠绕少量铝纤维以提高点火温度。
进一步地，所述的蓬松多孔的可燃固体为棉纤维、金属纤维、秸秆粉、蓬松有机物等中的一种或几种的混合物。
进一步地，棉纤维、金属纤维、秸秆粉、蓬松有机物等蓬松多孔的可燃固体在氧气充足的密闭容器内点火会形成爆燃，瞬间生成大量气体并放出大量热，快速提高多相爆轰发生管道内压力，实现金属膜片破膜，从而使弹丸后方压力快速升高，进而实现弹丸驱动。
进一步地，可通过可燃固体质量计算充压，使可燃固体与氧气可以完全反应即当量比，从而提高原料利用率，具体关系式如下：
Figure GDA0004199220980000021
其中，mi为装置中添加的各组分可燃固体的质量(kg)、V为装置体积(L)，P为欲充压力(ba r)、Mi为各组分可燃固体的相对分子质量(kg/mol)、λ为所充气体氧气含量、μi为反应方程式中氧气与各组分可燃固体的物质的量的比。
进一步地，可通过提高装置强度、添加酒精等液体燃料或增加多相爆轰发生管道内棉纤维和氧气，并提高金属膜片厚度或更换为其他强度更高的金属膜片的方式来提高破膜威力，进而提高弹丸速度。
本发明具有以下有益效果：
避免了炸药驱动及气体爆轰驱动中存在的危险性高等问题；相对于压缩气体驱动的方法，本装置驱动能力更强且结构更加简单；
棉纤维等可燃固体具有很大的比表面积且蓬松多孔，可附着酒精等液体燃料从而提高能量密度，在密闭容器且氧气充足的条件下点火后，可瞬间生成大量气体同时放出大量热，足够使得金属膜片破膜。同时棉纤维、金属纤维、秸秆粉、蓬松有机物等可燃固体相对炸药非常安全，且具有来源广泛、价格低廉以及反应不产生有毒有害气体等优点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例一种基于多相爆轰的燃烧驱动装置的整体结构示意图。
图2为本发明实施例中密封帽的结构示意图。
图3为本发明实施例中弹丸驱动段的剖面图。
图4为本发明实施例中的试验效果图。
图中：
1-单向阀，2-点火引线，3-点火桥丝，4-铝纤维，5-可燃固体，6-高压氧气或高压空气，7-固定台，8-金属膜片，9-弹丸，10-弹丸膛道。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明实施例的一种基于多相爆轰的燃烧驱动装置，包括通过螺纹连接的密封帽、多相爆轰发生管道及弹丸驱动段，所述密封帽上安装一单向阀1、一带点火桥丝3和铝纤维4的点火引线2，所述单向阀1位于密封帽的顶端中心处，与密封帽相通，通过单向阀1向多相爆轰发生管道内充入高压氧气或高压空气6。所述点火桥丝3焊接接在点火引线2上，并缠绕少量铝纤维4以提高点火温度；所述多相爆轰发生管道内均匀填充有蓬松多孔的可燃固体5，所述的蓬松多孔的可燃固体5为棉纤维、金属纤维、秸秆粉、蓬松有机物等中的一种或几种的混合物，在氧气充足的密闭容器内点火会形成爆燃，瞬间生成大量气体并放出大量热，快速提高多相爆轰发生管道内压力，实现金属膜片8破膜，从而使弹丸9后方压力快速升高，进而实现弹丸驱动；所述弹丸驱动段包括通过螺纹连接的固定台7和弹丸膛道10，固定台7和弹丸膛道10间固定一金属膜片8，并在弹丸膛道10末端填充弹丸9，从而实现多相爆轰发生管道的密闭。
以木粉为例，参考图1，在本实施例中装置尺寸如下：多相爆轰发生管道长度为115cm，内径28mm，壁厚7mm，体积约为0.7L，弹丸驱动段长度为100cm。该实施例采用木粉作为填充物。
参考图2，单向阀1、点火引线2密封安装在密封帽顶端，将点火桥丝3焊接在点火引线2上，并在在点火桥丝3上缠绕少许铝纤维4，从而提高点火温度。参考图1，将可燃固体5用铝箔包裹并均匀填充在多相爆轰发生管道内，可燃固体5可以为木粉；用薄铝箔包裹木粉成柱状，铝箔的添加不仅可以提高反应的放热量，还可以将木粉进行约束，使得无论管道置于何种角度都不会改变管道内木粉的分布。以确保木粉符合均匀分布，火焰能够连续稳定地传播，燃烧波能够稳定增强直到膜片处压力达到最高。参考图3，将金属膜片8夹在固定台7与弹丸膛道10间。固定台外径略小于高压驱动段内径。这是因为管道内压力在平衡过程中，会在压缩波后紧跟着生成Taylor稀疏波，传播过程中稀疏波并不会追上前方的压缩波，也不会产生影响。但破膜同样会生成稀疏波，两稀疏波的叠加使得稀疏波能够追赶上激波，从而使弹丸后方高压快速衰减，从而使装置驱动能力减弱。而通过固定台的台阶反射一部分压缩波用于抵消随后的Taylor稀疏波，就会减弱甚至避免这种问题，从而提高装置驱动能力。通过螺纹将密封帽、多相爆轰发生管道、弹丸驱动段密封连接并通过单向阀向多相爆轰发生管道充入高压氧气，通过点火引线2点火，棉纤维、金属纤维、秸秆粉、蓬松有机物等蓬松多孔的可燃固体在氧气充足的密闭容器内点火会形成爆燃，瞬间生成大量气体并放出大量热，快速提高多相爆轰发生管道内压力，实现金属膜片破膜，从而使弹丸后方压力快速升高，进而实现弹丸驱动。
根据所需弹丸速度或所需冲击载荷即可得到需要的破膜压力，进而计算需要的木粉质量。在本实施例中，欲充压2MPa，根据公式和爆轰发生管体积计算得需填充木粉6的质量约为15g，金属膜片8采用1mm厚的铝片。
参考图1，将密封帽下端与多相爆轰发生管道上端通过螺纹连接；将弹丸驱动段上端与多相爆轰发生管道下端通过螺纹连接，通过垫圈使得装置密封。将弹丸9放置在弹丸膛道10底部，并将膛口对准欲发射方向。通过单向阀1向多相爆轰发生管道内充入高压氧气6，通过点火引线2点火。在本实施例中充入2MPa氧气，弹丸为质量106g的钢弹。
参考图4，试件为整体为呈圆柱型的混凝土靶板厚7cm，直径40cm。内添细钢丝绒以增强靶板强度。参考图4，试件在2MPa氧气15g木粉的条件下，靶板整体被贯穿，靶板背面有大面积层裂，并在其后的钢板上留下5mm小坑。
值得注意的是，本具体实施可通过可燃固体质量计算充压，使可燃固体与氧气可以完全反应即当量比，从而提高原料利用率。具体关系式如下：
Figure GDA0004199220980000051
其中，mi为装置中添加的各组分可燃固体的质量(kg)、V为装置体积(L)，P为欲充压力(bar)、Mi为各组分可燃固体的相对分子质量(kg/mol)、λ为所充气体氧气含量(例如纯氧λ＝1；空气λ＝0.21)、μi为反应方程式中氧气与各组分可燃固体的物质的量的比。以木粉为例，木粉在爆破工程计算氧平衡中分子式取C15H22O10，反应方程式为：
Figure GDA0004199220980000052
则μi＝15.5；Mi＝362。
值得注意的是，本具体实施还可通过提高装置强度、添加酒精等可燃液体或增加多相爆轰发生管道内棉纤维和氧气，并提高金属膜片厚度或更换为其他强度更高的金属膜片等方式来提高破膜威力，进而提高弹丸速度。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种基于多相爆轰的燃烧驱动装置，其特征在于：包括通过螺纹连接的密封帽、多相爆轰发生管道及弹丸驱动段，所述密封帽上安装一单向阀(1)、一带点火桥丝(3)和铝纤维(4)的点火引线(2)；所述多相爆轰发生管道内均匀填充有蓬松多孔的可燃固体(5)；所述弹丸驱动段包括通过螺纹连接的固定台(7)和弹丸膛道(10)，固定台(7)和弹丸膛道(10)间固定一金属膜片(8)，并在弹丸膛道(10)末端填充弹丸(9)，从而实现多相爆轰发生管道的密闭；
通过可燃固体质量计算充压，使可燃固体与氧气完全反应即当量比，从而提高原料利用率，具体关系式如下：
Figure FDA0004233515460000011
其中，mi为装置中添加的各组分可燃固体的质量(kg)、V为装置体积(L)，P为欲充压力(bar)、Mi为各组分可燃固体的相对分子质量(kg/mol)、λ为所充气体氧气含量、μi为反应方程式中氧气与各组分可燃固体的物质的量的比。
2.如权利要求1所述的一种基于多相爆轰的燃烧驱动装置，其特征在于：所述单向阀(1)位于密封帽的顶端中心处，与密封帽相通，通过单向阀(1)向多相爆轰发生管道内充入高压氧气或高压空气(6)。
3.根据权利要求1所述的一种基于多相爆轰的燃烧驱动装置，其特征在于：所述点火桥丝(3)焊接接在点火引线(2)上，并缠绕少量铝纤维(4)以提高点火温度。
4.根据权利要求1所述的一种基于多相爆轰的燃烧驱动装置，其特征在于：所述的蓬松多孔的可燃固体(5)为棉纤维、金属纤维、秸秆粉、蓬松有机物中的一种或几种的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种基于多相爆轰的燃烧驱动装置，其特征在于：蓬松多孔的可燃固体(5)在氧气充足的密闭容器内点火会形成爆燃，瞬间生成大量气体并放出大量热，快速提高多相爆轰发生管道内压力，实现金属膜片(8)破膜，从而使弹丸(9)后方压力快速升高，进而实现弹丸驱动。
6.根据权利要求1所述的一种基于多相爆轰的燃烧驱动装置，其特征在于：可通过提高装置强度、添加液体燃料或增加多相爆轰发生管道内棉纤维和氧气，并提高金属膜片(8)厚度或更换为其他强度更高的金属膜片(8)的方式来提高破膜威力，进而提高弹丸速度。
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