一种基于电磁弹射辅助驱动二级轻气炮的弹道靶制造技术

一种基于电磁弹射辅助驱动二级轻气炮的弹道靶，包括高压气体推进段、电枢、活塞、电磁弹射装置、高压泵管、一二级连接机构、模型、发射管、膨胀箱、试验舱及测控系统；高压气体推进段一级气室、气体泵管、电磁弹射装置电磁泵管、高压泵管、一二级连接机构二级气室、发射管、膨胀箱、试验舱依次连接；一级气室释放出高压气体驱动电枢和活塞经气体泵管进入电磁泵管；电枢在气体推力和电磁力复合作用下推动活塞经电磁泵管、高压泵管进入二级气室；受压缩的轻质气体冲破二级膜片，驱动模型经发射管、膨胀箱进入试验舱。本发明专利技术采用高压气体和电磁弹射复合驱动，比气体驱动能力提升数倍以上；可调控改善内弹道特性并在相同能力下降低造价。控改善内弹道特性并在相同能力下降低造价。控改善内弹道特性并在相同能力下降低造价。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电磁弹射辅助驱动二级轻气炮的弹道靶


[0001]本申请涉及超高速飞行地面模拟试验的
，特别是一种基于电磁弹射辅助驱动二级轻气炮的弹道靶。

技术介绍

[0002]弹道靶是一种实现气动试验模型在静止气体中自由飞行的空气动力学地面试验设备，可以模拟真实飞行流动条件，可用于开展气动力/热、气动物理、超高速碰撞等试验测试。从弹道靶试验能力提升和技术发展趋势上看，亟需提供更大尺寸模型、更高发射速度试验能力的超高速弹道靶。
[0003]传统弹道靶通常以二级轻气炮为核心发射装置，以火药为驱动源，利用火药燃烧后的高压气体推动活塞高速运动压缩泵管中的轻质气体(氢气或氦气)至高温高压状态，利用高压轻质气体驱动弹丸(模型)达到所需试验速度，开展气动力/热、气动物理、超高速碰撞等试验测试。由于火药安全性、不确定性和驱动能力的限制，目前火药驱动的弹道靶发射速度通常在2km/s～6km/s范围。近年来，国内在二级轻气炮动力源等方面加强研究，陆续发展了以高压气体作为首级驱动的二级炮(见哈尔滨工业大学专利201310279413.3)、氢氧爆轰作为首级驱动的二级轻气炮(见北京理工大学专利201610989470.4)等。对于以氢氧爆轰作为首级驱动的二级轻气炮，国内对易燃气体管理要求严格，技术安全性和试验经济性较差；对于以高压气体作为首级驱动的二级轻气炮，虽然安全性比火药和氢氧爆轰方式强，但是驱动能力偏弱。综上所述，由于驱动能力和安全等因素的限制，传统二级轻气炮发射管口径偏小，通常在50mm以下(最大不超过210mm)，并且发射速度难以达到或超过第一宇宙速度(7.9km/s)。同时，火药燃气、压缩气体驱动的气炮系统普遍存在弹丸发射后弹底压力迅速降低、无法为弹丸提供较高的平均压力的固有问题，无法保证优良的内弹道性能。
[0004]因此，超高速弹道靶亟需兼具强驱动力、高安全性、优良内弹道性能的新型动力源。线圈型电磁弹射装置具备电磁线圈多级轴向分布、分级模块化赋能、单级独立可调的特点，能够实现更优良可控的内弹道性能。中国专利公开号CN108759559A，公开日2018年11月6日，专利技术创造的名称为：一种二级轻气炮，该申请公开了一种首级驱动采用电磁炮的二级轻气炮，比火药驱动、混合气体爆轰等方式安全性更高，比高压氮气驱动占地空间小、发射速度高，由于属于二级轻气炮结构，虽然可实现较高的发射速度，但其不足之处是相对于传统驱动方式初始提速慢、整体造价较高(特别是包括储能脉冲电容器组的脉冲电源系统)，并且装填参数不理想时塑性活塞在二级气室附近容易回弹造成压缩不充分或者设备损坏。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决现有弹道靶发射装置驱动能力弱、内弹道性能不理想及电磁炮驱动初始提速慢、整体造价较高的问题，发掘电磁弹射装置驱动方式的潜力，提供一种首级驱动采用高压气体和电磁弹射串联式复合驱动的二级轻气炮作为发射装置的超高速弹道靶，保证在超高速发射条件下提升驱动能力、同时改善内弹道性能，为气动力/热、气动
物理和超高速碰撞等试验提供安全、清洁、高效、可控的大口径试验平台。
[0006]第一方面，提供了一种基于电磁弹射辅助驱动二级轻气炮的弹道靶，包括高压气体推进段、电枢、活塞、电磁弹射装置、高压泵管、一二级连接机构、模型、发射管、膨胀箱、试验舱及测控系统；其中，
[0007]所述高压气体推进段包括一级气室、气体泵管；
[0008]所述电磁弹射装置包括电磁泵管、缠绕在电磁泵管上的多级驱动线圈、为多级驱动线圈供电的激励电源和为激励电源充电的充电机；
[0009]所述一二级连接机构包括二级气室、二级膜片，所述一级气室、气体泵管、电磁泵管、高压泵管、二级气室依次连接，所述二级气室与发射管相连且二者之间设置有二级膜片，所述发射管与膨胀箱、试验舱依次连接；
[0010]所述气体泵管入口段内置有电枢和活塞，电枢在活塞后方，所述发射管入口段内置有模型，模型在二级膜片前方；
[0011]所述一级气室释放出气体驱动电枢和活塞向前运动飞出气体泵管并进入电磁泵管；
[0012]所述激励电源逐级触发以使所述多级驱动线圈逐级放电，所述电枢在气体推力和所述多级驱动线圈产生的电磁力的复合作用下运动并推动所述活塞，所述活塞飞出所述电磁泵管进入所述高压泵管；
[0013]所述活塞前方的所述电磁泵管、所述高压泵管和所述二级气室内充有轻质气体，所述电磁泵管、所述高压泵管和所述二级气室内的轻质气体在所述活塞压缩下冲破所述二级膜片，推动所述模型发射飞出所述发射管、经过所述膨胀箱进入所述试验舱；
[0014]所述测控系统用于根据所述电枢的移动速度和位置，确定每级激励电源触发的时刻。
[0015]结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述高压气体推进段满足以下至少一项：
[0016]所述一级气室内的气体为空气或氮气或氦气，并且气体压力不大于30MPa；
[0017]所述一级气室通过法兰结构或者开口锯齿螺纹结构与气体泵管相连；
[0018]所述一级气室内气体释放后所述一级气室内气体总压P
1x
和总温T
1x
的表达式为：
[0019][0020]其中，γ1为气体比热比，P
10
为气体初始压力，T
10
为气体初始温度，V
10
为气体初始体积，x为电枢运动的距离，D为电磁泵管内径，V
1x
(x)为电枢运动x距离时气体体积；
[0021]所述一级气室包括释放机构，释放机构为活塞式释放机构或者双破膜式释放机构；
[0022]所述气体泵管容积与一级气室容积之比≥1.0；
[0023]所述气体泵管为炮钢材料；
[0024]所述气体泵管内壁粗糙度为Ra≤1.6。
[0025]结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述电磁弹射装置满足以下至少一项：
[0026]所述电磁泵管为高强度树脂基复合材料或高强度陶瓷材料，最高工作温度可达260摄氏度；
[0027]所述充电机采用IGBT串联谐振恒流充电电源；
[0028]所述电磁弹射装置的多级驱动线圈级数为n，n≥3；
[0029]所述各级驱动线圈及激励电源的结构参数、电磁参数均相同；
[0030]每级驱动线圈长度与电磁泵管内径之比为0.4～1.7；
[0031]相邻级驱动线圈相邻端面间距与电磁泵管内径之比为0.1～0.3；
[0032]所述驱动线圈导体采用紫铜材料，驱动线圈导体外部被绝缘材料包覆；
[0033]所述多级驱动线圈外部整体被金属层包覆；
[0034]所述电磁泵管内壁粗糙度为Ra≤1.6。
[0035]结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述激励电源包括储能脉冲电容器组、主开关、续流开关；所述储能脉冲电容器组与所述主开关串联，并与所述续流开关并联连接在所述驱动线圈的两端，所述储能脉冲电容器组的两端还通过充电开关连本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电磁弹射辅助驱动二级轻气炮的弹道靶，其特征在于，包括高压气体推进段(1)、电枢(2)、活塞(3)、电磁弹射装置(5)、高压泵管(7)、一二级连接机构(8)、模型(9)、发射管(10)、膨胀箱(11)、试验舱(12)及测控系统(13)；其中，所述高压气体推进段(1)包括一级气室(101)、气体泵管(103)；所述电磁弹射装置(5)包括电磁泵管(501)、缠绕在电磁泵管(501)上的多级驱动线圈(502)、为多级驱动线圈(502)供电的激励电源(505)和为激励电源(505)充电的充电机(504)；所述一二级连接机构(8)包括二级气室(801)、二级膜片(805)，所述一级气室(101)、气体泵管(103)、电磁泵管(501)、高压泵管(7)、二级气室(801)依次连接，所述二级气室(801)与发射管(10)相连且二者之间设置有二级膜片(805)，所述发射管(10)与膨胀箱(11)、试验舱(12)依次连接；所述气体泵管(103)入口段内置有电枢(2)和活塞(3)，电枢(2)在活塞(3)后方，所述发射管(10)入口段内置有模型(9)，模型(9)在二级膜片(805)前方；所述一级气室(101)释放出气体驱动电枢(2)和活塞(3)向前运动飞出气体泵管(103)并进入电磁泵管(501)；所述激励电源(505)逐级触发以使所述多级驱动线圈(502)逐级放电，所述电枢(2)在气体推力和所述多级驱动线圈(502)产生的电磁力的复合作用下运动并推动所述活塞(3)，所述活塞(3)飞出所述电磁泵管(501)进入所述高压泵管(7)；所述活塞(3)前方的所述电磁泵管(501)、所述高压泵管(7)和所述二级气室(801)内充有轻质气体，所述电磁泵管(501)、所述高压泵管(7)和所述二级气室(801)内的轻质气体在所述活塞(3)压缩下冲破所述二级膜片(805)，推动所述模型(9)发射飞出所述发射管(10)、经过所述膨胀箱(11)进入所述试验舱(12)；所述测控系统(13)用于根据所述电枢(2)的移动速度和位置，确定每级激励电源(505)触发的时刻。2.根据权利要求1所述的弹道靶，其特征在于，所述高压气体推进段(1)满足以下至少一项：所述一级气室(101)内的气体为空气或氮气或氦气，并且气体压力不大于30MPa；所述一级气室(101)通过法兰结构或者开口锯齿螺纹结构与气体泵管(103)相连；所述一级气室(101)内气体释放后所述一级气室(101)内气体总压P
1x
和总温T
1x
的表达式为：式为：其中，γ1为气体比热比，P
10
为气体初始压力，T
10
为气体初始温度，V
10
为气体初始体积，x为电枢(2)运动的距离，D为电磁泵管(501)内径，
V
1x
(x)为电枢(2)运动x距离时气体体积；所述一级气室(101)包括释放机构，释放机构为活塞式释放机构或者双破膜式释放机构；所述气体泵管(103)容积与一级气室(101)容积之比≥1.0；所述气体泵管(103)为炮钢材料；所述气体泵管(103)内壁粗糙度为Ra≤1.6。3.根据权利要求1所述的弹道靶，其特征在于，所述电磁弹射装置(5)满足以下至少一项：所述电磁泵管(501)为高强度树脂基复合材料或高强度陶瓷材料，最高工作温度可达260摄氏度；所述充电机(504)采用IGBT串联谐振恒流充电电源；所述电磁弹射装置(5)的多级驱动线圈(502)级数为n，n≥3；所述各级驱动线圈(502)及激励电源(505)的结构参数、电磁参数均相同；每级驱动线圈(502)长度与电磁泵管(501)内径之比为0.4～1.7；相邻级驱动线圈(502)相邻端面间距与电磁泵管(501)内径之比为0.1～0.3；所述驱动线圈(502)导体采用紫铜材料，驱动线圈(502)导体外部被绝缘材料包覆；所述多级驱动线圈(502)外部整体被金属层包覆；所述电磁泵管(501)内壁粗糙度为Ra≤1.6。4.根据权利要求1所述的弹道靶，其特征在于，所述激励电源(505)包括储能脉冲电容器组(50501)、主开关(50502)、续流开关(50503)；所述储能脉冲电容器组(50501)与所述主开关(50502)串联，并与所述续流开关(50503)并联连接在所述驱动线圈(502)的两端，所述储能脉冲电容器组(50501)的两端还通过充电开关(50401)连接在所述充电机(504)的两端，所述主开关(50502)和所述充电开关(50401)的导通、断开均通过所述测控系统(13)控制。5.根据权利要求1所述的弹道靶，其特征在于，所述激励电源(505)满足以下至少一项：所述储能脉冲电容器组(50501)由金属化膜自愈式脉冲电容器组合而成，金属化膜自愈式脉冲电容器的能量体积比大于或等于0.5MJ/m3，工作寿命大于或等于1000次；所述主开关(50502)为火花间隙开关或者由半导体晶闸管组成的高压开关；所述续流开关(50503)由半导体高压二级管组合而成。6.根据权利要求1所述的弹道靶，其特征在于，所述高压泵管(7)满足以下至少一项：所述高压泵管(7)为炮钢材料；所述高压泵管(7)内壁粗糙度为Ra≤1.6；所述活塞(3)质量与高压泵管(7)横截面积之比大于500kg/m2。7.根据权利要求1所述的弹道靶，其特征在于，所述二级气室(801)满足以下至少一项：所述二级膜片(805)破膜前二级气室(801)内轻质气体总压P
2x
和总温T
2x
的表达式为：
其中，γ2为轻质气体初始比热比，P
20
为轻质气体初始压力，T
20
为轻质气体初始温度，x为活塞(3)运动距离，V
20
为轻质气体初始体积，
‑
D为电磁泵管(501)内径，V
2x
(x)为活塞(3)运动x距离时轻质气体体积；所述二级气室(801)包括大径直管段、变径段和小径直管段，所述大径直管段与变径段长度之比为0.5～1.0，所述小径直管段与变径段长度之比为0.3～0.6，所述变径段采用小锥角的锥筒结构，锥角为6
°
～15
°
；所述二级气室(801)内壁粗糙度为Ra≤0.8；所述二级膜片(805)采用平板结构，设置“十”字四瓣槽或“*”形六瓣槽；所述二级膜片(805)材料为抗拉强度大于500MPa的奥氏体不锈钢。8.根据权利要求1所述的弹道靶，其特征在于，所述发射管(10)满足以下至少一项：所述发射管(10)为炮钢材料；所述发射管(10)长度与内径之比为240～480；所述发射管(10)内壁粗糙度为Ra≤0.8。9.根据权利要求1所述的弹道靶，其特征在于，所述测控系统(13)包括中央控制器(1301)、脉冲触发电路(1302)和电枢测速装置(1303)；所述电枢测速装置(1303)包括光电传感器本体(130301)和多个光电探头(130302)，所述多个光电探头(130302)沿所述电枢(2)的运动方向间隔安装于所述气体泵管(103)、所述电磁泵管(501)和所述高压泵管(7)的外壁上，所述光电传感器本体(130301)与所述光电探头(130302)通过光纤连接；所述光电探头(130302)通过所述气体泵管(103)、所述电磁泵管(501)和所述高压泵管(7)的管壁上的通孔向所述电枢(2)发出脉冲光信号并接收反射的光信号，所述光电传感器本体(130301)将光信号转换为电信号并传送给所述中央控制器(1301)；所述中央控制器(1301)处理电信号得到所述电枢(2)通过所述光电探头(130302)处的时刻和速度，并根据时序触发控制方法解算得到待触发级的预计触发时刻；在所述预计触发时刻，由所述中央控制器(1301)向所述脉冲触发电路(1302)发出触发控制信号，由所述脉冲触发电路(1302)输出功率脉冲触发导通待触发级激励电源(505)，使待触发级激励电源(505)的储能脉冲电容器组(50501)通过驱动线圈(502)放电。10.根据权利要求9所述的弹道靶，其特征在于，所述光电探头(130302)用于对所述电枢(2)的后端进行检测。11.根据权利要求9或10所述的弹道靶，其特征在于，从第1级驱动线圈(502)中心线沿轴向向后均匀设置至少m个光电探头G
f1
、G
f2
、
…
、G
fi
‑1、G
fi
、
…
、G
fm
‑1、G
fm
，第1个光电探头G
f1
与第1级驱动线圈中心线轴向间距为h/2，相邻光电探头轴向间隔均为h，v
za
为所述电枢(2)在电磁泵管(501)内第1级驱动线圈中心线处速度，t
m
为驱动线圈放电电流从零上升至最大值时的时间间隔；
从第1级驱动线圈中心线沿轴向向前均匀设置至少n个光电探头G
z1
、G
z2
、
…
、G
zj
、G
zj+1
、
…
、G
zn
‑1、G
zn
，第1个光电探头G
z1
位于第1级驱动线圈和第2级驱动线圈之间的管壁上，第1个光电探头G
z1
与第1级驱动线圈中心线间距，同第1个光电探头G
z1
与第2级驱动线圈中心线间距相等，相邻光电探头轴向间隔均为h。12.根据权利要求11所述的弹道靶，其特征在于，13.根据权利要求11所述的弹道靶，其特征在于，t
m
根据确定，L
d
为驱动线圈放电电流经二级管续流之前的放电回路所有自感之和，C为储能电容器组电容值。14.根据权利要求11所述的弹道靶，其特征在于，所述时序触发控制方法包括：步骤1：所述一级气室(101)释放出气体驱动所述电枢(2)推动所述活塞(3)向前运动；步骤2：令s＝1；当电枢(2)运动经过第1级驱动线圈中心线后方第m个光电探头时，i＝m；循环执行以下步骤2
‑
1、步骤2
‑
2，直到触发第1级激励电源(505)：步骤2
‑
1：当电枢(2)运动经过第1级驱动线圈中心线后方第i个光电探头时，电枢(2)与第1级驱动线圈中心线距离为l
fi1
＝(i
‑
1/2)h，通过电枢测速装置(1303)执行...

【专利技术属性】
技术研发人员：林键，胡梅晓，宫建，朱浩，屈振乐，易翔宇，郭秉楠，文帅，孙日明，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：