【技术实现步骤摘要】
一种基于电磁弹射辅助驱动三级轻气炮的弹道靶
[0001]本申请涉及超高速飞行地面模拟试验或超高速碰撞加载试验的
，特别是一种基于电磁弹射辅助驱动三级轻气炮的弹道靶。
技术介绍
[0002]弹道靶是一种实现气动试验弹丸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。弹道靶主要由弹丸发射装置、试验系统和测控系统组成。弹道靶发射装置动力源通常为火药、压缩气体或者氢氧爆轰等方式，以火药驱动的二级轻气炮最为常见。传统二级轻气炮以火药为驱动源，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达到所需试验速度。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。目前，空间碎片撞击航天器的最大速度可达14km/s以上，平均撞击速度9km/s，航天器防护考核迫切需要驱动能力更强、弹丸发射速度更高的超高速撞击地面模拟试验设备支撑试验研究。>[0003]近年来本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】 【专利技术属性】
1.一种基于电磁弹射辅助驱动三级轻气炮的弹道靶，其特征在于，包括一级气体推进段(1)、电磁弹射装置(5)、电枢(2)、一级活塞(3)、一级高压泵管(7)、一二级连接机构(8)、二级泵管(10)、二级活塞(9)、二三级连接机构(11)、弹丸(12)、发射管(13)、膨胀箱(14)、试验舱(15)及测控系统(16)；其中，所述一级气体推进段(1)包括一级气室(101)、一级气体泵管(103)；所述电磁弹射装置(5)包括一级电磁泵管(501)、缠绕在一级电磁泵管(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(802)、二级膜片(801)，所述二三级连接机构(11)包括三级气室(1102)、三级膜片(1101)；所述一级气体泵管(103)、一级电磁泵管(501)、一级高压泵管(7)、二级气室(802)依次连接，所述二级气室(802)与二级泵管(10)相连且二者之间设置有二级膜片(801)，所述二级泵管(10)与三级气室(1102)相连，所述三级气室(1102)与发射管(13)相连且二者之间设置有三级膜片(1101)，所述发射管(13)与膨胀箱(14)、试验舱(15)依次连接；所述一级气体泵管(103)入口段内置有电枢(2)和一级活塞(3)，电枢(2)在一级活塞(3)后方，所述二级泵管(10)入口段内置有二级活塞(9)，二级活塞(9)在二级膜片(801)前方，所述发射管(13)入口段内置有弹丸(12)，弹丸(12)在三级膜片(1101)前方；所述一级气室(101)释放出高压气体，驱动电枢(2)和一级活塞(3)向前运动飞出一级气体泵管(103)；所述电磁弹射装置(5)通过多级驱动线圈(502)放电产生脉冲电流和脉冲磁场；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一级活塞(3)，所述一级活塞(3)飞出所述电磁泵管进入所述一级高压泵管(7)；所述一级活塞(3)前方的一级气体泵管(103)、一级电磁泵管(501)、一级高压泵管(7)和二级气室(802)内充有轻质气体，所述一级气体泵管(103)、一级电磁泵管(501)、一级高压泵管(7)和二级气室(802)内的轻质气体在一级活塞(3)压缩下冲破二级膜片(801)，推动二级活塞(9)在二级泵管(10)内向前运动；所述二级活塞(9)前方的二级泵管(10)、三级气室(1102)内充有轻质气体，所述二级泵管(10)、三级气室(1102)内的轻质气体在二级活塞(9)压缩下冲破所述三级膜片(1101)，驱动弹丸(12)发射飞出发射管(13)，经过膨胀箱(14)进入试验舱(15)；所述测控系统(16)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，所述一级气体推进段(1)满足以下至少一项：所述一级气室(101)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一级气体泵管(103)相连；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；所述一级气体泵管(103)容积与一级气室(101)容积之比≥1.0；所述一级气体泵管(103)为炮钢材料；
所述一级气体泵管(103)内壁粗糙度为Ra≤1.6；所述一级气室(101)内气体总压P
1x
和总温T
1x
的表达式为：的表达式为：其中，γ1为高压气体比热比，P
10
为一级气室(101)内气体初始压力，T
10
为一级气室(101)内气体初始温度，V
10
为一级气室(101)内气体初始体积，x为电枢(2)运动的距离，D为电磁泵管内径，V
1x
(x)为电枢(2)运动x距离时气体体积。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：所述一级电磁泵管(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)为IGBT串联谐振恒流充电电源；所述一级电磁泵管(501)内壁粗糙度为Ra≤1.6；所述电磁弹射装置(5)每级驱动线圈(502)长度与一级电磁泵管(501)内径之比为0.4～1.7；相邻级驱动线圈(502)相邻端面间距与一级电磁泵管(501)内径之比为0.1～0.3。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(16)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，所述一级高压泵管(7)满足以下至少一项：所述一级活塞(3)质量与一级高压泵管(7)横截面积之比大于500kg/m2；所述一级高压泵管(7)为炮钢材料；所述一级高压泵管(7)内壁粗糙度为Ra≤1.6。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(802)满足以下至少一项：
所述二级膜片(801)破膜前二级气室(802)内轻质气体总压P
2x
和总温T
2x
的表达式为：的表达式为：其中，γ2为二级气室(802)内轻质气体初始比热比，P
20
为二级气室(802)内轻质气体初始压力，T
20
为二级气室(802)内轻质气体初始温度，V
20
为一级活塞(3)前方的一级气体泵管(103)、一级电磁泵管(501)、一级高压泵管(7)、二级气室(802)初始总容积，x为一级活塞(3)运动距离，D为一级电磁泵管(501)内径，V
2x
(x)为一级活塞(3)运动x距离时一级活塞(3)与二级膜片(801)之间密闭空间内轻质气体体积；所述二级气室(802)包括第一大径直管段、第一变径段和第一小径直管段；所述第一大径直管段与第一变径段长度之比为0.4～0.8，所述第一小径直管段与第一变径段长度之比为0.2～0.5，所述第一变径段采用小锥角的锥筒结构，锥角为5o～10o，所述一级高压泵管(7)和二级气室(802)第一变径段长度之比为3～10。8.根据权利要求1所述的弹道靶，其特征在于，所述二级泵管(10)满足以下至少一项：所述二级泵管(10)为炮钢材料；所述一级高压泵管(7)与二级泵管(10)内径之比为2.1～2.4；所述二级泵管(10)与发射管(13)内径之比为3.5～4.5；所述二级泵管(10)长度与内径之比为190～230；所述二级泵管(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，所述三级气室(1102)包括第二大径直管段、第二变径段和第二小径直管段，所述三级气室(1102)内壁粗糙度为Ra≤0.8；所述三级气室(1102)第二大径直管段与第二变径段长度之比为0.5～1.0，所述第二小径直管段与第二变径段长度之比为0.3～0.6；所述三级气室(1102)第二变径段锥角为10
°
～20
°
。10.根据权利要求1所述的弹道靶，其特征在于，所述发射管(13)满足以下至少一项：所述发射管(13)为炮钢材料；所述发射管(13)长度与内径之比为280～420；所述发射管(13)内壁粗糙度为Ra≤0.8。11.根据权利要求1所述的弹道靶，其特征在于，所述测控系统(16)包括中央控制器(1601)、脉冲触发电路(1602)和电枢测速装置(1603)；所述电枢测速装置(1603)包括光电传感器本体(160301)和多个光电探头(160302)，所述多个光电探头(160302)沿所述电枢(2)的运动方向间隔安装于所述一级气体泵管(103)、一级电磁泵管(501)和一级高压泵管(7)外壁上，所述光电传感器本体(160301)与所述光电探头(160302)通过光纤连接；所述光电探头(160302)通过所述一级气体泵管(103)、一级电磁泵管(501)和一级高压
泵管(7)的管壁上的通孔向电枢(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(160301)将光信号转换为电信号并传送给所述中央控制器(1601)；所述中央控制器(1601)处理电信号得到电枢(2)通过所述光电探头(160302)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(1601)向所述脉冲触发电路(1602)发出触发控制信号，由所述脉冲触发电路(1602)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。12.根据权利要求11所述的弹道靶，其特征在于，所述光电探头(160302)用于对所述电枢(2)的后端进行检测。13.根据权利要求11或12所述的弹道靶，其特征在于，从第1级驱动线圈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。14.根据权利要求13所述的弹道靶，其特征在于，15.根据权利要求13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。16.根据权利要求13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)推动所述一级活塞(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
技术研发人员：郭秉楠，朱浩，易翔宇，宫建，林键，屈振乐，纪锋，文帅，刘训华，
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：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。