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1、(10)申请公布号 CN 102778171 A (43)申请公布日 2012.11.14 C N 1 0 2 7 7 8 1 7 1 A *CN102778171A* (21)申请号 201210257817.8 (22)申请日 2012.07.24 F41B 11/00(2006.01) (71)申请人西北核技术研究所 地址 710024 陕西省西安市69信箱 (72)发明人林俊德 张向荣 朱玉荣 刘文祥 刘冠兰 谭书舜 景吉勇 (74)专利代理机构西安智邦专利商标代理有限 公司 61211 代理人王少文 (54) 发明名称 一种以压缩氮气驱动的三级轻气炮 (57) 摘要 一种以压缩氮气驱。
2、动的三级轻气炮，包括一 级气室、一级泵管、二级气室、二级泵管、三级气 室、发射管；一级气室与一级泵管相连且二者之 间设置有快开阀门；一级泵管与二级气室相连； 二级气室与二级泵管相连且二者之间设置有二级 膜片；二级泵管与三级气室相连；三级气室与发 射管相连且二者之间设置有三级膜片。本发明采 用三级驱动方式，提高级间能量利用效率，同时改 善炮体内恶劣气体环境，降低炮体烧蚀风险；二 级、三级气室采用直筒式结构或大锥角锥筒结构， 提高了能量利用效率；发射管前端设计了可更换 的烧蚀环，降低炮体本身烧蚀风险，大大减少超高 速发射的实验成本。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 (。
3、19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页 1/1页 2 1.一种以压缩氮气驱动的三级轻气炮，其特征在于：包括一级气室、一级泵管、二级气 室、二级泵管、三级气室、发射管；所述一级气室与一级泵管相连且二者之间设置有快开阀 门；所述一级泵管与二级气室相连；所述二级气室与二级泵管相连且二者之间设置有二级 膜片；所述二级泵管与三级气室相连；所述三级气室与发射管相连且二者之间设置有三级 膜片；所述一级泵管入口段设置有一级活塞；所述二级泵管入口段设置有二级活塞；所述 发射管入口段设置有弹丸；所述一级泵管的内径大于二级泵管的内径，所述二级泵管的。
4、内 径大于发射管的内径；所述一级气室内充有高压氮气；所述一级泵管和二级气室、二级泵 管和三级气室内充有氢气。 2.根据权利要求1所述的以压缩氮气驱动的三级轻气炮，其特征在于：所述二级气室 采用直筒式结构，所述三级气室采用大锥角的锥筒结构。 3.根据权利要求2所述的以压缩氮气驱动的三级轻气炮，其特征在于：所述三级气室 为60锥角的锥筒结构。 4.根据权利要求1或2或3所述的以压缩氮气驱动的三级轻气炮，其特征在于：所述 一级气室内的高压氮气压力不大于30MPa；所述一级泵管和二级气室、二级泵管和三级气 室内的氢气压力为0.1MPa0.6MPa。 5.根据权利要求4所述的以压缩氮气驱动的三级轻气炮，。
5、其特征在于：所述发射管前 端设置有烧蚀环，所述烧蚀环包括圆盘，所述圆盘从一端到另一端沿圆盘中心线依次设置 有凹止口、膜片槽、锥形槽以及凸止口，所述凹止口的直径大于膜片槽，所述锥形槽从膜片 槽一端开始直径逐渐缩小，所述锥形槽的最大直径小于膜片槽的直径，所述凸止口中心设 置有凸止口中心孔，所述凸止口中心孔直径等于锥形槽最小直径，所述凹止口与三级气室 相适配，所述三级膜片设置在膜片槽内，所述凸止口与发射管相适配且凸止口中心孔直径 等于发射管内径。 6.根据权利要求4所述的以压缩氮气驱动的三级轻气炮，其特征在于：所述一级泵 管的内径与二级泵管内径的比值在1.52.5，所述二级泵管的内径与发射管内径的比。
6、值在 35。 7.根据权利要求4所述的以压缩氮气驱动的三级轻气炮，其特征在于：所述一级泵管 长度与内径的比值为200250，所述二级泵管长度与内径的比值为180240，所述的发射管 长度与内径的比值为250600。 权 利 要 求 书CN 102778171 A 1/3页 3 一种以压缩氮气驱动的三级轻气炮 技术领域 0001 本发明涉及一种三级轻气炮，特别涉及以压缩氮气驱动的三级轻气炮。 背景技术 0002 轻气炮能发射材料、形状多样的弹丸，满足各种终点效益模拟试验的需求，被称为 最为通用的高速、超高速驱动技术，广泛应用于动能武器效应研究、地球空间物理研究、航 天器防护研究等领域。相对于一级。
7、轻气炮和二级轻气炮，三级轻气炮采用三级驱动方式。 0003 加拿大McGill大学研制了一门火药驱动的三级轻气炮，发射管内径为12.7mm， 分别将1.5g、1.1g的聚酯柱形弹丸加速到9.6km/s、10.5km/s。美国研究机构University of Dayton Research Institute也研制了一门火药驱动的三级轻气炮，发射管内径为 5.6mm，可将重0.1g尼龙柱形弹丸加速到8.65km/s。（A.J.Piekutowski,K.L.Poormo n. Development of a three-stage,light-gas gun at the Universit。
8、y of Dayton Research InstitueJ,International Journal of Impact Engineering,33:615624,2006.）。国 内尚无其他三级轻气炮。 0004 国外三级轻气炮均采用火药作为驱动源。火药爆燃会产生大量的有毒气体，污染 环境和危害操作人员的健康；火药爆燃也会产生大量的碳黑等颗粒物质，残存在炮管内，加 大清洁炮管的难度，降低实验效率；火药作为一种火工品，存在一定的安全隐患，相应储存、 管理等措施的成本也较高。 发明内容 0005 本发明的目的是提供一种高效率、低污染、稳定发射速度最高超过8km/s且超过 8km/s速度的发。
9、射下可进行低成本应用的轻气炮。 0006 本发明的技术解决方案是： 0007 一种以压缩氮气驱动的三级轻气炮，其特征之处在于：包括一级气室、一级泵管、 二级气室、二级泵管、三级气室、发射管；所述一级气室与一级泵管相连且二者之间设置有 快开阀门；所述一级泵管与二级气室相连；所述二级气室与二级泵管相连且二者之间设置 有二级膜片；所述二级泵管与三级气室相连；所述三级气室与发射管相连且二者之间设置 有三级膜片；所述一级泵管入口段设置有一级活塞；所述二级泵管入口段设置有二级活 塞；所述发射管入口段设置有弹丸；所述一级泵管的内径大于二级泵管的内径，所述二级 泵管的内径大于发射管的内径；所述一级气室内充有高。
10、压氮气；所述一级泵管和二级气 室、二级泵管和三级气室内充有氢气。 0008 上述二级气室采用直筒式结构，所述三级气室采用大锥角的锥筒结构。 0009 上述三级气室为60锥角的锥筒结构。 0010 上述一级气室内的高压氮气压力不大于30MPa；所述一级泵管和二级气室、二级 泵管和三级气室内的氢气压力为0.1MPa0.6MPa。 0011 上述发射管前端设置有烧蚀环，所述烧蚀环包括圆盘，所述圆盘从一端到另一端 说 明 书CN 102778171 A 2/3页 4 沿圆盘中心线依次设置有凹止口、膜片槽、锥形槽以及凸止口，所述凹止口的直径大于膜片 槽，所述锥形槽从膜片槽一端开始直径逐渐缩小，所述锥形槽。
11、的最大直径小于膜片槽的直 径，所述凸止口中心开孔，所述凸止口中心孔直径等于锥形槽最小直径，所述凹止口与三级 气室相适配，所述三级膜片设置在膜片槽内，所述凸止口与发射管相适配且凸止口中心孔 直径等于发射管内径。 0012 上述一级泵管的内径与二级泵管内径的比值在1.52.5，所述二级泵管的内径与 发射管内径的比值在35。 0013 上述一级泵管长度与内径的比值为200250，所述二级泵管长度与内径的比值为 180240，所述的发射管长度与内径的比值为250600。 0014 本发明的有益效果是： 0015 1、本发明采用压缩氮气替代火药作驱动源，明显改善了气炮实验的安全性和环保 品质，并可提高气。
12、炮实验效率，有利于气炮实验技术的推广应用。 0016 2、本发明采用三级驱动方式，可提高气炮的能量利用效率，降低炮管烧蚀风险，使 得炮体极低损伤的前提下气炮稳定发射速度超过8km/s。 0017 3、本发明装置的二级、三级气室采用直筒式结构或大角度锥筒结构，可提高能量 利用效率。 0018 4、本发明装置发射管前端采用可离体更换的烧蚀环，避免超高速发射时炮体烧 蚀，操作简单方便，且大大降低超高速发射的实验成本。 附图说明 0019 图1是氮气驱动的三级轻气炮结构示意图； 0020 图2是二级气室结构示意图； 0021 图3是三级气室结构示意图； 0022 图4是烧蚀环结构示意图； 0023 图。
13、5是激光测速装置测量的实验波形，用于计算弹丸速度。 0024 其中附图标记为：1-一级气室；2-一级泵管；3-二级气室；4-二级泵管；5-三级 气室；6-发射管；7-快开阀门；8-一级活塞；9-二级膜片；10-二级活塞；11-三级膜片； 12-烧蚀环；13-弹丸，1201-圆盘，1202-凹止口，1203-膜片槽，1204-锥形槽，1205-凸止 口，1206-凸止口中心孔。 具体实施方式 0025 三级轻气炮发射的基本过程：高压氮气储存于一级气室1，发射时通过快开阀门7 瞬间释放一级气室1的高压气体，高压气体驱动一级活塞8运动，一级活塞8压缩一级泵管 2内气体至二级气室3到高压状态，二级膜片。
14、9在一定压力下破裂，一级泵管2气体驱动二 级活塞10运动，二级活塞10压缩二级泵管4内气体至三级气室5到高压状态，三级膜片11 在一定压力下破裂，二级泵管4气体驱动弹丸13在发射管6内加速运动，弹丸13加速到目 标速度。 0026 本发明涉及两大关键性的难题： 0027 （1）驱动能量不足的问题。国外先进二级气炮的上限弹速达811km/s，均采用火药 说 明 书CN 102778171 A 3/3页 5 作为驱动源，而国外压缩气体驱动的二级轻气炮很少有超过6km/s的实验数据，其主要原 因是高压压缩气体的能量密度不及火药，其驱动能力也无法与火药相比。本发明采用压缩 氮气作为驱动源，需要在有限的。
15、驱动能量下追求极端的能量利用效率，才能实现超过8km/s 的超高发射速度。 0028 （2）炮管烧蚀和弹丸破碎的问题。较高发射速度下，炮管内出现极端恶劣（高温、高 压）的气体环境，使得炮管烧蚀、弹丸破碎，导致发射实验失败，炮管烧蚀也大大增加了超高 速发射的实验成本，这是目前国内除本发明外很少有超过7km/s的发射实验数据的主要原 因。本发明要实现稳定发射速度超过8km/s，且在超过8km/s发射速度下本发明还可进行低 成本的应用，需要改善炮管内极端恶劣的气体环境，并降低炮管烧蚀风险，减少超高速发射 的实验成本。 0029 本发明采用三级驱动方式，提高级间能量利用效率，同时改善炮体内恶劣气体环 。
16、境，降低炮体烧蚀风险；二级、三级气室采用直筒式结构或大锥角锥筒结构，提高了能量利 用效率；发射管前端设计了可更换的烧蚀环，降低炮体本身烧蚀风险，大大减少超高速发射 的实验成本。 0030 一级泵管的内径与二级泵管内径的比值在1.52.5，所述二级泵管的内径与发射 管内径的比值在35。一级泵管长度与内径的比值为200250，二级泵管长度与内径的比值 为180240，发射管长度与内径的比值为250600。 0031 本发明三级气炮的一级气室的体积为0.01m 3 ，一级泵管内径为57mm、长度为12m， 二级泵管内径为37mm、长度为7.4m，发射管内径为10mm、长度为4m，采用快开阀门控制一级 气室瞬间放气。 0032 表1为57/37/10mm三级轻气炮的部分发射实验数据，表中系列实验采用圆柱形弹 丸，弹丸直径为10mm，材料为聚碳酸酯。 0033 表1 57/37/10mm三级轻气炮发射实验数据 0034 0035 其中：实验2的发射速度达到8.09km/s。 说 明 书CN 102778171 A 1/2页 6 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102778171 A 2/2页 7 图3 图4 图5 说 明 书 附 图CN 102778171 A 。