CN115876617B - 一种用于超高速加载的双层套筒式气体爆轰驱动发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超高速加载的双层套筒式气体爆轰驱动发生器，属于超高速碰撞加载实验技术领域，该发生器包括：反应室、点火装置、注气装置、膜片及发射管；反应室为一端封闭一端开口的双层套筒结构；注气装置与反应室侧壁上设有的注气孔连接，用于为反应室通入反应气体；点火装置安装在反应室的封闭端的中心开孔处，用于点燃反应室内的反应气体；发射管与反应室的开口端同轴对接固定；发射管与反应室的对接处设置有膜片；待进行发射的弹丸放置于发射管内部，并靠近膜片处。本发明采用全新的双层套筒式的反应室构造，能够大幅提升弹丸速度、满足超高速加载的实验需求，且节省空间、节约成本。

Description

一种用于超高速加载的双层套筒式气体爆轰驱动发生器

技术领域

本发明属于超高速碰撞加载实验技术领域，具体涉及一种用于超高速加载的双层套筒式气体爆轰驱动发生器。

背景技术

近年来，空间技术高速发展,越来越多的卫星、火箭、探测器被纷纷送上太空，而航天器产生的碎片也随之而来。据不完全统计，目前直径大于10cm的太空碎片已超过2万个，直径较小的则数以百万计。太空碎片以轨道速度运行，动能巨大(7km/s以上)，对低轨运作的航天器带来了威胁，不仅增加了相撞损坏的风险，更对航天员的生命安全埋下了隐患，因此空间碎片的地面模拟实验在航天器防护设计和有效性验证中不可或缺。除此以外，小行星撞击地球事件频发，为阻止毁灭性撞击，各国对小行星防御技术进行了研究。2022年9月，美国进行了“双小行星重定向测试（DART）”，作为一次行星防御验证任务意义重大。面对3万枚近地小行星，探索更多的拦截技术迫在眉睫。

空间碎片撞击航天器的平均速度约为l0km/s，小行星撞击地球的平均速度约为20km/s，在实验室环境下，通常采用超高速发射实验装置，利用发射的超高速弹丸来进行空间碎片或小行星撞击模拟实验，在地面完成模拟，得到被测物体材料在高温、高压、高应变率瞬态受载情况下的各种动态响应，包括响应力学、化学、等离子体等特性，该研究工作在航天、爆轰和防护工程等领域具有重要的研究意义。

为探索材料在动态力学响应下的各项性能，各国对超高速发射技术开展了一定研究，目前已有的技术包括炸药爆轰发射技术、压缩气体爆轰发射技术、反应气体爆轰发射技术、电磁推进技术、定向聚能加速器技术、激光驱动飞片技术、静电加速器技术、等离子体加速技术等。基于以上研究背景和需求，从实验适用性、设备复杂性、工艺成本、存储安全等方面考虑，只有一部分发射技术达到相应要求，能够应用于材料测试实验中。随着发射速度需求的不断提高，现有发射技术在实际应用过程中效果欠佳。

近年来，轻气炮在超高速加载领域中最为普遍，其中反应气体爆轰驱动发射技术因其成本低、可重复性强、操作简单且发射速度易调整等特点被广泛应用。该种加载方式的弹丸速度与反应室内的爆轰压力密切相关，爆轰压力越大则弹丸受到的初始加速度也越大，故提高爆轰燃料驱动效能对弹丸发射速度的提升至关重要。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于超高速加载的双层套筒式气体爆轰驱动发生器，采用全新的双层套筒式的反应室构造，能够大幅提升弹丸速度、满足超高速加载的实验需求，且节省空间、节约成本。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种用于超高速加载的双层套筒式气体爆轰驱动发生器，包括：反应室、点火装置、注气装置、膜片及发射管；

所述反应室为双层套筒结构，所述双层套筒结构由一端封闭一端开口的套筒B及同轴固定在套筒B内的套筒A一体成型；其中，套筒B的开口端的孔径小于其封闭端的孔径；套筒A的一端同轴固定在套筒B的封闭端，套筒A的另一端与套筒B的开口端间隔设定距离，且套筒A的内腔与套筒B的内腔相通，套筒A的内径与套筒B的开口端的孔径均与发射管的内径相等；

所述注气装置通过管路与反应室侧壁上设有的注气孔连接，用于为反应室的内腔通入反应气体A与反应气体B；

所述点火装置安装在反应室的套筒B的封闭端的中心开孔处，用于点燃反应室内的反应气体A与反应气体B；

所述发射管为两端开口的管状结构，发射管与反应室的套筒B的开口端同轴对接固定；

所述发射管与反应室的对接处设置有膜片；

待进行发射的弹丸放置于发射管内部，并靠近膜片处。

作为本发明的一种优选方式，还包括破膜器；

破膜器安装在所述发射管与反应室的对接处；所述破膜器为内部开直筒孔的圆形垫环，内径与发射管的内径一致；膜片通过破膜器卡装在发射管与反应室的对接处的内圆周面。

作为本发明的一种优选方式，反应气体A与反应气体B分别采用氢气和氧气。

作为本发明的一种优选方式，所述点火装置采用的材料为热爆丝。

作为本发明的一种优选方式，所述膜片为厚度为2～8mm的圆形金属薄片，设有预开槽，根据试验所需的破膜压力选择不同开槽深度的膜片。

作为本发明的一种优选方式，将发射管的轴向长度增加，并在发射管的中部设置锥段，使得发射管两端的内径不同；

令发射管的大径段为二级炮或三级炮的一级段泵管，发射管的小径段为发射管本体；一级段泵管与反应室的开口端同轴对接；

将原安装在发射管与反应室的对接处的弹丸替代为活塞，并增加另一个膜片，并将新增加的膜片安装在锥段与发射管本体的交汇处，将弹丸放置于发射管本体内，并靠近新增加的膜片处。

有益效果：

（1）本发明的气体爆轰驱动发生器中，通过改变反应室结构，采用双层套筒结构，对比传统尾部点火方式，爆轰压力对弹丸的加载时间得到延长，增加了弹丸底部压力的作用时间，能够进一步提高弹丸的发射速度，进而提高加载速度；在经济环保方面，相比传统以火药爆炸驱动方式，本发明更加环保、低碳，且成本低、易保存、更安全；在制造工艺方面，当弹丸出炮速度相同时，本发明反应室所需气压明显低于高压氮气驱动的一级气室所需气压，大幅降低了轻气炮的制造工艺难度与成本；在加载性能方面，具有相同制造工艺、耐压强度和弹丸质量的情况下，本发明能够覆盖更宽的加载速度范围。

（2）本发明的气体爆轰驱动发生器还包括破膜器，膜片通过破膜器卡装在发射管与反应室的对接处的内圆周面，当膜片达到破膜压力破裂后，会直接粘连在破膜器上，取下破膜器和膜片可保持管道清洁，防止破裂的膜片对于管壁的粘连，破膜器的存在使得管道比较好清理，进而提高了试验效率。

（3）本发明的气体爆轰驱动发生器可将发射管的轴向长度增加，并在发射管的中部设置锥段，使得发射管的大径段作为二级炮或三级炮的一级段泵管，将原安装在发射管与反应室的对接处的膜片及弹丸替代为活塞，通过增加一级段泵管和活塞，能够实现更高加载速度。

附图说明

图1为气体爆轰驱动发生器的结构示意图；

图2为反应室剖面结构示意图；

图3为破膜器的结构图；

其中：1-反应室，2-点火装置，3-注气装置，4-膜片，5-破膜器，6-发射管，7-紧固螺筒，8-弹丸。

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：

本实施例提供了一种用于超高速加载的双层套筒式气体爆轰驱动发生器，利用高温轻质气体反应做功来驱动弹丸使之获得极高发射速度以进行加载，进而测试高应变率下材料的响应力学、化学等特性。

参见附图1，该发生器包括：反应室1、点火装置2、注气装置3、膜片4、破膜器5及发射管6；

参见附图2，所述反应室1为双层套筒结构，所述双层套筒结构由一端封闭一端开口的套筒B及同轴固定在套筒B内的套筒A一体成型；其中，套筒B的开口端的孔径小于其封闭端的孔径；套筒A的一端同轴固定在套筒B的封闭端，套筒A的轴向长度小于套筒B的轴向长度，套筒A的另一端与套筒B的开口端间隔设定距离，且套筒A和内腔与套筒B的内腔相通，套筒A的内径与套筒B的开口端的孔径均与发射管6的内径相等；

所述反应室1的套筒B的侧壁上加工有与其内腔相通的注气孔；所述注气装置3通过管路与反应室1的注气孔连接，进而使得注气装置3与反应室1的内腔相通，注气装置3用于为反应室1的内腔通入反应气体A与反应气体B，在本实施例中，反应气体A与反应气体B分别采用氢气和氧气；

所述点火装置2安装在反应室1的套筒B的封闭端的中心开孔处，并通过螺母固定在反应室1的开孔处；且所述点火装置2与反应室1的内腔相通，尤其是反应室1的套筒A的内腔相通，用于点燃反应室1内的反应气体A与反应气体B；在本实施例中，点火装置2的主要材料为热爆丝；

所述发射管6为两端开口的管状结构，发射管6与反应室1的套筒B的开口端同轴对接，且二者通过紧固螺筒7实现固定；

所述发射管6与反应室1的对接处设置有膜片4和破膜器5，其中，参见附图3，所述破膜器5为内部开直筒孔的圆形垫环，内径与发射管6的内径一致；膜片4通过破膜器5卡装在发射管6与反应室1的对接处的内圆周面；膜片4达到破膜压力破裂后，直接粘连在破膜器5上，取下破膜器5和膜片4可保持管道清洁，提高试验效率；膜片4为厚度为2～8mm的圆形金属薄片，设有预开槽，根据试验所需的破膜压力选择不同开槽深度的膜片。

利用发射的超高速弹丸来模拟空间碎片或小行星撞击的实验开始前，将待进行发射的弹丸8放置于发射管6内部，并靠近破膜器5处；

进行实验时，通过注气装置3由注气孔向反应室1中先后注入一定比例的氢气和氧气（通常为1：1），设定时间后，通过点火装置2产生电火花对氢气和氧气进行点火，产生高温高压气体；

令套筒B的封闭端为反应室1的尾部，套筒B的开口端为反应室1的头部，位于反应室1尾部的套筒A中的反应气体（即氢气和氧气）先行发生爆轰，产生高温高压气体，并逐渐向反应室1的头部、即发射管6方向进行传播，随后传播至套筒B内壁面和套筒A外壁面之间形成环形空腔中，反应室1的开口端处的压力急剧增大，当膜片4达到压力临界值时发生破裂，破膜而出的高温高压气体驱动弹丸8完成高速发射。

在本实施例中，反应室1长1190mm，套筒A的内径为160mm，套筒B内径为320mm，发射管6长3500mm，发射管6的口径可根据具体的实验要求选取相应的尺寸规格；一般来说，驱动气压一定时，发射管6口径越大、弹丸8尺寸越大，则弹丸速度越低；反之则越高。

反应室1内的可燃的反应气体（即氢气和氧气）充入量可控，套筒A与套筒B的内腔连通，气体压强一致，最高压强可达十几兆帕，爆轰压力峰值可达几百兆帕，高温高压气体推动弹丸8完成高速发射。

本实施例中的点火装置2设置在反应室1尾部封闭端中心处，气体爆燃后，爆轰波沿着套筒A从反应室1尾部向头部传播，再沿着套筒B从反应室1头部向尾部传播，一定程度上延长了爆轰压力对弹丸8的驱动时间，使弹速大幅提高，从而有效提高驱动效率；与传统尾部点火方式相比，在一定条件下，弹丸速度可提升20%以上；通过控制改变充入反应气体的量，可达到实现调控弹丸速度的目的。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上，可将发射管6的轴向长度增加，并在发射管6的中部设置锥段，使得发射管6两端的内径不同；

令发射管6的大径段为二级炮或三级炮的一级段泵管，发射管6的小径段为发射管本体；一级段泵管与反应室1的开口端同轴对接；

将原安装在发射管6与反应室1的对接处的弹丸8替代为活塞，即将活塞安装在一级段泵管内、靠近原安装在发射管6与反应室1的对接处的破膜器5处，并增加另一个膜片和另一个破膜器，并将新增加的膜片和破膜器安装在锥段与发射管本体的交汇处，将弹丸8放置于发射管本体内，并靠近新增加的破膜器处。

本实施例通过增加一级段泵管和活塞，能够实现更高加载速度。

综上所述，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 (6)

1.一种用于超高速加载的双层套筒式气体爆轰驱动发生器，其特征在于，包括：反应室、点火装置、注气装置、膜片及发射管；

所述反应室为双层套筒结构，所述双层套筒结构由一端封闭一端开口的套筒B及同轴固定在套筒B内的套筒A一体成型；其中，套筒B的开口端的孔径小于其封闭端的孔径；套筒A的一端同轴固定在套筒B的封闭端，套筒A的另一端与套筒B的开口端间隔设定距离，且套筒A的内腔与套筒B的内腔相通，套筒A的内径与套筒B的开口端的孔径均与发射管的内径相等；

所述注气装置通过管路与反应室侧壁上设有的注气孔连接，用于为反应室的内腔通入反应气体A与反应气体B；

所述点火装置安装在反应室的套筒B的封闭端的中心开孔处，用于点燃反应室内的反应气体A与反应气体B；令套筒B的封闭端为反应室的尾部，套筒B的开口端为反应室的头部，位于反应室尾部的套筒A中的反应气体A与反应气体B先行发生爆轰，产生高温高压气体，气体爆燃后，爆轰波沿着套筒A从反应室尾部向头部传播，再沿着套筒B从反应室头部向尾部传播；

所述发射管为两端开口的管状结构，发射管与反应室的套筒B的开口端同轴对接固定；

所述发射管与反应室的对接处设置有膜片；

待进行发射的弹丸放置于发射管内部，并靠近膜片处。

2.如权利要求1所述的一种用于超高速加载的双层套筒式气体爆轰驱动发生器，其特征在于，还包括破膜器；

破膜器安装在所述发射管与反应室的对接处；所述破膜器为内部开直筒孔的圆形垫环，内径与发射管的内径一致；膜片通过破膜器卡装在发射管与反应室的对接处的内圆周面。

3.如权利要求1或2所述的一种用于超高速加载的双层套筒式气体爆轰驱动发生器，其特征在于，反应气体A与反应气体B分别采用氢气和氧气。

4.如权利要求1或2所述的一种用于超高速加载的双层套筒式气体爆轰驱动发生器，其特征在于，所述点火装置采用的材料为热爆丝。

5.如权利要求1或2所述的一种用于超高速加载的双层套筒式气体爆轰驱动发生器，其特征在于，所述膜片为厚度为2～8mm的圆形金属薄片，设有预开槽，根据试验所需的破膜压力选择不同开槽深度的膜片。

6.如权利要求1或2所述的一种用于超高速加载的双层套筒式气体爆轰驱动发生器，其特征在于，将发射管的轴向长度增加，并在发射管的中部设置锥段，使得发射管两端的内径不同；

令发射管的大径段为二级炮或三级炮的一级段泵管，发射管的小径段为发射管本体；一级段泵管与反应室的开口端同轴对接；

将原安装在发射管与反应室的对接处的弹丸替代为活塞，并增加另一个膜片，并将新增加的膜片安装在锥段与发射管本体的交汇处，将弹丸放置于发射管本体内，并靠近新增加的膜片处。