本发明专利技术一种轻气炮锥段的内流道结构，属于实验室超高速发射装置领域。针对现有常用锥段内流道结构中，入口段和出口段之间通过直线过渡形成锥形过渡面，该结构下高压气体内能损耗大，活塞对锥段的冲击力大，传递到弹丸的动能转化效率低的问题，通过设计轻气炮锥段的内流道形状，将原有直线过渡方式改为余弦曲线过渡方式，有效提高高压气体内能到弹丸动能的转化效率，减小活塞入锥产生的撞击效应。本发明专利技术中余弦曲线与入口段的连接点记为起点C，C点的切线斜率为0，余弦曲线与出口段连接点记为终点E，E点的切线斜率为0，余弦曲线的切线斜率自起点C至终点E由0逐渐变化至‑1再逐渐变化至0。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于实验室超高速发射装置领域，具体涉及一种轻气炮锥段的内流道结构。
技术介绍
1、轻气炮是实验室超高速发射装置领域应用最广泛的技术之一，在破片毁伤元的模拟、破片等弹丸对靶标毁伤效应分析、空间碎片防护等方面发挥了重要的作用。目前，轻气炮有一级、二级、多级之分，以火药驱动的二级轻气炮为例，其结构示意图如图1所示(参考文献：焦德志，黄洁，平新红，邹胜宇，梁世昌，柳森.中国力学大会，2017年)。图1中，1为燃烧室、2为压缩管、3为锥段(高压段)、4为发射管、5为大膜片、6为活塞、7为小膜片、8为弹丸，燃烧室、压缩管、锥段、发射管依次同轴固定连接，内部形成气流通道；大膜片位于燃烧室和压缩管对接处，活塞位于压缩管内，小膜片位于发射管入口端，弹丸位于发射管内。轻气炮工作时，燃烧室内的火药燃烧产生高温高压气体，高压气体达到一定压力后使大膜片破裂，推动压缩管内的活塞高速运动，活塞运动过程中压缩压缩管内的轻质气体(一般为氢气或氦气)，当压力达到一定值小膜片破裂，推动发射管内的弹丸高速运动，从而实现弹丸的超高速发射。
2、在现有轻气炮结构中，锥段的内流道形状一般为图2所示直锥结构，气体的入口端和出口端之间通过直线过渡形成锥形过渡面。该结构中气体通过锥段内壁面的内能耗散较大，使得小膜片破裂后，气体作用于弹丸的推力变小，影响弹丸发射速度。另外，活塞高速运动后会进入锥段，直锥过渡面结构使活塞对锥段的冲击很大，活塞的动能损耗较多，根据能量守恒定律，也将会影响气体对弹丸的推力。
3、因此，有必要改进锥段内流道形状。
<
br/>技术实现思路
1、要解决的技术问题：
2、为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提供一种轻气炮锥段的内流道结构，针对二级和多级轻气炮装置中锥段的内流道形状结构开展设计，通过分析活塞开始运动到小膜片破裂进而推动弹丸高速运动这个过程，将现有锥段内流道的直锥过渡内壁设计为曲面过渡内壁，以提高高压气体内能到弹丸动能的转化效率，减小活塞入锥时活塞对锥段撞击产生的冲击力。
3、本专利技术的技术方案是：一种轻气炮锥段的内流道结构，所述内流道沿锥段轴线贯通锥段形成气体流道；所述内流道沿气流方向依次为入口段、过渡段、出口段；所述入口段、出口段均为圆直孔结构，入口段直径大于出口段直径；所述过渡段连接入口段和出口段；所述过渡段为非等径曲面内孔结构，所述曲面在内流道沿轴线的剖面中为曲线，所述曲线与入口段的连接点记为起点c，c点的切线斜率为0，所述曲线与出口段连接点记为终点e，e点的切线斜率为0，所述曲线的切线斜率自起点c至终点e由0变化至-1再变化至0。
4、本专利技术的进一步技术方案是：所述曲线为余弦曲线、正弦曲线、双曲线中的一种。
5、本专利技术的进一步技术方案是：所述曲线的切线斜率为-1处记为o点，o点的位置位于过渡段轴向中间至出口段之间。
6、本专利技术的进一步技术方案是：所述内流道入口段与轻气炮压缩管接通，入口段直径与压缩管内径相同。
7、本专利技术的进一步技术方案是：所述内流道出口段与轻气炮的发射管接通，出口段直径与发射管内径相同。
8、本专利技术的进一步技术方案是：所述内流道结构适用于二级、多级轻气炮装置中的锥段。
9、有益效果
10、本专利技术的有益效果在于：本专利技术所述一种轻气炮锥段的内流道结构，将锥段内流道入口段至出口段由直线过渡改进为曲线过渡，设计曲线起点至终点的切线斜率由0逐渐变化为-1，再从-1逐渐变化为0，由此形成了气流缓冲曲面。参阅图3，本专利技术有益效果主要体现在：
11、(1)在活塞高速压缩压缩管内气体时，气体从入口段进入锥段且压力迅速上升，气体被压缩进入锥段时产生的压缩波及气体运动首先作用在co段，此时co段较为平缓，压缩波反射后向过渡段轴线c'e'汇聚，气体运动产生作用力沿半径方向的分力较小，从而减小气体通过锥段内壁面的内能耗散。
12、(2)当位于发射管入口处的小膜片破裂后，高压气体经过锥段内流道出口段后作用在发射管内的弹丸上，推动弹丸加速运动，内流道的oe段曲面形状类似“喷管”，可有效提升高压气体通过截面ee'时的速度，提高弹丸的加速度，进而一定程度上提升弹丸发射速度。
13、(3)位于压缩管内的活塞高速运动后会进入锥段，在内流道的过渡段处产生一定的变形，活塞刚进入锥段时速度较高，与co段曲面作用后变形，由于co段为缓变化曲面，活塞变形先慢后快，由于阻力一般与速度平方成正比，这样可以使得活塞入锥较为平稳，相较传统锥段结构产生的冲击力较小，活塞的动能损耗小，减小了内能消耗，特别是入口段和出口段截面直径差距较大即大锥角时效果更好。
14、(4)本专利技术中co段切线斜率从0逐渐变化为-1、oe段切线斜率从-1逐渐变化为0，变化的缓急程度依据cc'截面和ee'截面的直径、锥段内气体压力、活塞运动速度等特征参数决定，适应性广。
15、为了证明本专利技术曲线锥段内流道结构相比现有直线锥段内流道结构的优势，参阅图4，分别建立现有直线锥段和本专利技术曲线锥段内流道结构活塞入锥的有限元计算模型，锥段均设置为刚性体，活塞均为弹性体，两个活塞的材料及其他属性均相同，活塞的初速度均为300m/s。对比分析活塞入锥过程的加速度：参阅图5，通过活塞入锥过程沿活塞运动方向的加速度时域对比曲线图，可以发现，本专利技术结构曲线锥段的加速度峰值小于现有结构直线锥段约8.7％，证明曲线锥段结构下活塞入锥对整个轻气炮的作用力更小。对比分析活塞入锥过程的总能量(动能和势能之和)：参阅图6，通过活塞入锥过程总能量时域对比曲线图，可以发现，活塞初始总能量均为1.1×105j，现有直线锥段的活塞稳定总能量为8.21×104j，本专利技术曲线锥段的活塞稳定总能量为8.74×104j。由于未考虑高压气体作用，曲线锥段的活塞总能量减少值比直线锥段少0.53×104j，这部分能量可更有效地转化为高压气体能量。
本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种轻气炮锥段的内流道结构，所述内流道沿锥段(3)的轴线贯通锥段(3)形成气体流道，内流道沿气流方向依次为入口段(31)、过渡段(32)、出口段(33)；所述入口段(31)、出口段(33)均为圆直孔结构，入口段(31)直径大于出口段(33)直径；所述过渡段(32)连接入口段(31)和出口段(33)，其特征在于：所述过渡段(32)为非等径曲面内孔结构，所述曲面在内流道沿轴线的剖面中为曲线，所述曲线与入口段(31)的连接点记为起到C，C点的切线斜率为0，所述曲线与出口段(33)的连接点记为终点E，E点的切线斜率为0，所述曲线的切线斜率自起点C至终点E由0变化至-1再变化至0。
2.根据权利要求1所述轻气炮锥段的内流道结构，其特征在于：所述曲线为余弦曲线、正弦曲线、双曲线中的一种。
3.根据权利要求1所述轻气炮锥段的内流道结构，其特征在于：所述曲线的切线斜率为-1处记为O点，O点的位置位于过渡段(32)轴向中间至出口段(33)之间。
4.根据权利要求1所述轻气炮锥段的内流道结构，其特征在于：所述内流道的入口段(31)与轻气炮压缩管(2)接通，入口段(31)直径与压缩管(2)的内径相同。
5.根据权利要求1所述轻气炮锥段的内流道结构，其特征在于：所述内流道出口段(33)与轻气炮的发射管(4)接通，出口段(33)的直径与发射管(4)的内径相同。
6.根据权利要求1所述轻气炮锥段的内流道结构，其特征在于：所述内流道结构适用于二级、多级轻气炮装置中的锥段(3)。
...
【技术特征摘要】
1.一种轻气炮锥段的内流道结构，所述内流道沿锥段(3)的轴线贯通锥段(3)形成气体流道，内流道沿气流方向依次为入口段(31)、过渡段(32)、出口段(33)；所述入口段(31)、出口段(33)均为圆直孔结构，入口段(31)直径大于出口段(33)直径；所述过渡段(32)连接入口段(31)和出口段(33)，其特征在于：所述过渡段(32)为非等径曲面内孔结构，所述曲面在内流道沿轴线的剖面中为曲线，所述曲线与入口段(31)的连接点记为起到c，c点的切线斜率为0，所述曲线与出口段(33)的连接点记为终点e，e点的切线斜率为0，所述曲线的切线斜率自起点c至终点e由0变化至-1再变化至0。
2.根据权利要求1所述轻气炮锥段的内流道结构，其特征在于：所述曲线为余...
【专利技术属性】
技术研发人员：高浩鹏，魏欣，赵奇峰，随亚光，仵可，吴易烜，李浩，张大民，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
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。