一种基于电磁弹射驱动三级轻气炮的弹道靶制造技术

本发明专利技术提供了一种基于电磁弹射驱动三级轻气炮的弹道靶，包括电磁弹射装置、电枢、一级活塞、一级高压泵管、一二级连接机构、二级泵管、二级活塞、二三级连接机构、弹丸、发射管、膨胀箱、试验舱及测控系统；电枢在电磁弹射装置脉冲磁场中受到电磁力，推动一级活塞压缩轻质气体，高压轻质气体冲破二级膜片推动二级活塞压缩二级泵管内的轻质气体，三级气室内高温高压的轻质气体冲破三级膜片驱动弹丸高速飞出发射管经过膨胀箱进入试验舱。本发明专利技术采用电磁弹射作为三级轻气炮首级驱动，比传统动力源驱动能力提升数倍以上，同时更加安全、清洁、高效、可控。可控。可控。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电磁弹射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。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，航天器防护考核需要依靠深入的超高速撞击试验加以研究。弹道靶主要由模型发射装置、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。同时，火药燃气、压缩气体等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。
[0003]中国专利公开号CN102778171B，公开日2015年4月22日，专利技术创造的名称为：一种以压缩氮气驱动的三级轻气炮，该申请公开了一种首级采用压缩氮气驱动的三级轻气炮，发射管前段采用可更换烧蚀环，可提高级间能量利用效率，降低炮体本身烧蚀风险，安全性比火药和氢氧爆轰方式高；但是驱动能力仍偏弱，大质量(1g以上)弹丸发射到8km/s以上超高速的能力不足。
[0004]中国专利公开号CN106895739A，公开日2017年6月27日，专利技术创造的名称为：基于氢氧混合爆轰的三级轻气炮，该申请公开了一种首级驱动采用氢氧混合爆轰方式的三级轻气炮，比高压氮气加载能力更强，可稳定发射1g弹丸速度超过10km/s；但是其不足之处是发射弹丸质量、尺寸偏小，驱动能力仍有待提高，同时国内对易燃气体管理要求严格，技术安全性、可靠性和试验经济性较差。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决现有作为弹道靶核心发射装置的三级轻气炮驱动能力弱、弹丸发射速度不够高等问题，发掘电磁弹射装置驱动方式的潜力，提供一种首级采用电磁弹射驱动的三级轻气炮作为发射装置的超高速弹道靶，提升驱动能力，使弹丸稳定达到9km/s以上的发射速度，甚至达到14km/s以上的发射速度，满足空间碎片超高速撞击航天器地面模拟试验需求，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高速、高效、可控、安全、清洁的试验平台。
[0006]第一方面，提供了一种基于电磁弹射驱动三级轻气炮的弹道靶，其特征在于，包括电磁弹射装置、电枢、一级活塞、一级高压泵管、一二级连接机构、二级泵管、二级活塞、二三
级连接机构、弹丸、发射管、膨胀箱、试验舱及测控系统；其中，
[0007]所述电磁弹射装置包括一级电磁泵管、缠绕在一级电磁泵管上的多级驱动线圈、为所述多级驱动线圈供电的激励电源和为所述激励电源充电的充电机，所述一级电磁泵管入口端内置有所述电枢和所述一级活塞，所述电枢在所述一级活塞后方，所述一级电磁泵管与所述一级高压泵管连接；
[0008]每级驱动线圈分别连接独立的激励电源，所述激励电源逐级触发以使所述多级驱动线圈逐级放电，所述电枢在所述多级驱动线圈产生的电磁力的作用下运动并推动所述一级活塞，所述一级活塞飞出所述一级电磁泵管进入所述一级高压泵管；
[0009]所述一二级连接机构包括二级气室、二级膜片，所述一级电磁泵管、所述一级高压泵管、所述二级气室、所述二级泵管依次连接，所述二级气室与所述二级泵管之间设置有所述二级膜片，所述二级泵管入口端内置有所述二级活塞，所述二级活塞在所述二级膜片前方；
[0010]所述一级活塞前方的所述一级电磁泵管、所述一级高压泵管和所述二级气室内充有轻质气体，所述一级电磁泵管、所述一级高压泵管和所述二级气室内的轻质气体在所述一级活塞压缩下冲破所述二级膜片，推动所述二级活塞在所述二级泵管内向前运动；
[0011]所述二三级连接机构包括三级气室、三级膜片，所述二级泵管、所述三级气室、所述发射管、所述膨胀箱、所述试验舱依次连接，所述三级气室与所述发射管之间设置有所述三级膜片，所述发射管入口端内置有所述弹丸，所述弹丸在所述三级膜片前方；
[0012]所述二级活塞前方的所述二级泵管、所述三级气室内充有轻质气体，所述二级泵管、所述三级气室内的轻质气体在所述二级活塞压缩下冲破所述三级膜片，推动所述弹丸发射飞出所述发射管、经过所述膨胀箱进入所述试验舱；
[0013]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。
[0014]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：
[0015]所述一级电磁泵管内径不小于50mm；
[0016]所述一级活塞质量与所述一级电磁泵管横截面积之比大于500kg/m2；
[0017]所述一级活塞最大速度为1.0km/s；
[0018]所述一级电磁泵管内壁粗糙度Ra≤1.6；
[0019]所述多级驱动线圈的级数为n级，n≥3；
[0020]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；
[0021]每级驱动线圈长度与一级电磁泵管内径之比为0.4～1.7；
[0022]相邻级驱动线圈相向端面间距与一级电磁泵管内径之比为0.1～0.3。
[0023]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接在所述充电机的两端，所述主开关和所述充电开关的导通、断开均通过所述测控系统控制。
[0024]结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述激励电源满足以下至少一项：
[0025]所述储能脉冲电容器组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等于0.5MJ/m3，工作寿命大于等于1000次；
[0026]所述主开关为火花间隙开关或者由半导体晶闸管组成的高压开关；
[0027]所述续流开关由半导体高压二级管组合而成。
[0028]结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述测控系统包括中央控制器、脉冲触发电路和激光多普勒电枢测速装置；
[0029]所述激光多普勒电枢测速装置包括电枢测速装置主体设备和电枢测速装置探头，所述电枢测速装置探头安装于所述一级电磁泵管一端管口封堵处，所述电枢测速装置主体设备与所述电枢测速装置探头通过光纤连接；
[0030]所述电枢测速装置主体设备通过所述电枢测速装置探头向所述电枢发射激光信号并接收反射自所述电枢的激光信号，同时将激光信本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电磁弹射驱动三级轻气炮的弹道靶，其特征在于，包括电磁弹射装置(2)、电枢(3)、一级活塞(4)、一级高压泵管(6)、一二级连接机构(7)、二级泵管(9)、二级活塞(8)、二三级连接机构(10)、弹丸(11)、发射管(12)、膨胀箱(13)、试验舱(14)及测控系统(15)；其中，所述电磁弹射装置(2)包括一级电磁泵管(201)、缠绕在一级电磁泵管(201)上的多级驱动线圈(202)、为所述多级驱动线圈(202)供电的激励电源(205)和为所述激励电源(205)充电的充电机(204)，所述一级电磁泵管(201)入口端内置有所述电枢(3)和所述一级活塞(4)，所述电枢(3)在所述一级活塞(4)后方，所述一级电磁泵管(201)与所述一级高压泵管(6)连接；每级驱动线圈(202)分别连接独立的激励电源(205)，所述激励电源(205)逐级触发以使所述多级驱动线圈(202)逐级放电，所述电枢(3)在所述多级驱动线圈(202)产生的电磁力的作用下运动并推动所述一级活塞(4)，所述一级活塞(4)飞出所述一级电磁泵管(201)进入所述一级高压泵管(6)；所述一二级连接机构(7)包括二级气室(702)、二级膜片(701)，所述一级电磁泵管(201)、所述一级高压泵管(6)、所述二级气室(702)、所述二级泵管(9)依次连接，所述二级气室(702)与所述二级泵管(9)之间设置有所述二级膜片(701)，所述二级泵管(9)入口端内置有所述二级活塞(8)，所述二级活塞(8)在所述二级膜片(701)前方；所述一级活塞(4)前方的所述一级电磁泵管(201)、所述一级高压泵管(6)和所述二级气室(702)内充有轻质气体，所述一级电磁泵管(201)、所述一级高压泵管(6)和所述二级气室(702)内的轻质气体在所述一级活塞(4)压缩下冲破所述二级膜片(701)，推动所述二级活塞(8)在所述二级泵管(9)内向前运动；所述二三级连接机构(10)包括三级气室(1002)、三级膜片(1001)，所述二级泵管(9)、所述三级气室(1002)、所述发射管(12)、所述膨胀箱(13)、所述试验舱(14)依次连接，所述三级气室(1002)与所述发射管(12)之间设置有所述三级膜片(1001)，所述发射管(12)入口端内置有所述弹丸(11)，所述弹丸(11)在所述三级膜片(1001)前方；所述二级活塞(8)前方的所述二级泵管(9)、所述三级气室(1002)内充有轻质气体，所述二级泵管(9)、所述三级气室(1002)内的轻质气体在所述二级活塞(8)压缩下冲破所述三级膜片(1001)，推动所述弹丸(11)发射飞出所述发射管(12)、经过所述膨胀箱(13)进入所述试验舱(14)；所述测控系统(15)用于根据所述电枢(3)的移动速度和位置，确定每级激励电源(205)触发的时刻。2.根据权利要求1所述的弹道靶，其特征在于，所述电磁弹射装置(2)满足以下至少一项：所述一级电磁泵管(201)内径不小于50mm；所述一级活塞(4)质量与所述一级电磁泵管(201)横截面积之比大于500kg/m2；所述一级活塞(4)最大速度为1.0km/s；所述一级电磁泵管(201)内壁粗糙度Ra≤1.6；所述多级驱动线圈(202)的级数为n级，n≥3；所述各级驱动线圈(202)及激励电源(205)的结构参数、电磁参数均相同；
每级驱动线圈(202)长度与一级电磁泵管(201)内径之比为0.4～1.7；相邻级驱动线圈(202)相向端面间距与一级电磁泵管(201)内径之比为0.1～0.3。3.根据权利要求1所述的弹道靶，其特征在于，所述激励电源(205)包括储能脉冲电容器组(20501)、主开关(20502)、续流开关(20503)；所述储能脉冲电容器组(20501)与所述主开关(20502)串联，并与所述续流开关(20503)并联连接在所述驱动线圈(202)的两端，所述储能脉冲电容器组(20501)的两端还通过充电开关(20401)连接在所述充电机(204)的两端，所述主开关(20502)和所述充电开关(20401)的导通、断开均通过所述测控系统(15)控制。4.根据权利要求3所述的弹道靶，其特征在于，所述激励电源(205)满足以下至少一项：所述储能脉冲电容器组(20501)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等于0.5MJ/m3，工作寿命大于等于1000次；所述主开关(20502)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(20503)由半导体高压二级管组合而成。5.根据权利要求1至4中任一项所述的弹道靶，其特征在于，所述测控系统(15)包括中央控制器(1501)、脉冲触发电路(1502)和激光多普勒电枢测速装置(1503)；所述激光多普勒电枢测速装置(1503)包括电枢测速装置主体设备(150301)和电枢测速装置探头(150302)，所述电枢测速装置探头(150302)安装于所述一级电磁泵管(201)一端管口封堵(1)处，所述电枢测速装置主体设备(150301)与所述电枢测速装置探头(150302)通过光纤连接；所述电枢测速装置主体设备(150301)通过所述电枢测速装置探头(150302)向所述电枢(3)发射激光信号并接收反射自所述电枢(3)的激光信号，同时将激光信号转换为电信号并传送给所述中央控制器(1501)；所述中央控制器(1501)处理电信号得到各时刻所述电枢(3)位置和瞬时速度，并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(1501)向所述脉冲触发电路(1502)发出触发控制信号，由所述脉冲触发电路(1502)输出功率脉冲触发导通相应级激励电源(205)。6.根据权利要求5所述的弹道靶，其特征在于，所述中央控制器(1501)用于执行时序触发控制方法，所述时序触发控制方法包括：步骤1：i＝1，在时刻t
i＝1
＝0触发导通第一级激励电源，同时控制所述激光多普勒测速装置(1503)沿所述电枢(3)运动方向发射激光；步骤2：i＝2，在时刻t
i＝2
触发导通第二级激励电源，所述时刻t2满足：t
m
＜t2＜2t
m
，其中，t
m
为驱动线圈放电电流从零至达到最大值时的时间间隔；同时，控制激光多普勒测速装置(1503)执行测量，得到时刻t2所述电枢(3)的位置和速度；步骤3：循环执行以下步骤3
‑
1、3
‑
2，直到获取导通第n级激励电源的时刻t
n
：步骤3
‑
1：在时刻t
i+1
触发导通第i+1级激励电源，所述时刻t
i+1
满足：v
i
为时刻t
i
电枢(3)速度，a为电枢(3)运动平均加速度，h为相邻两级驱动线圈中心间距；步骤3
‑
2：令i＝i+1。
7.根据权利要求6所述的弹道靶，其特征在于，t
m
根据确定，L
d
为第一级放电回路所有自感之和，C为储能电容器组电容值。8.根据权利要求6或7所述的弹道靶，其特征在于，启动前，将所述电枢(3)后端面与所述第一级驱动线圈中心线对齐。9.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(6)满足以下至少一项：所述一级电磁泵管(201)、一级高压泵管(6)彼此间同轴、内径相等，内径不小于50mm；所...

【专利技术属性】
技术研发人员：林键，宫建，郭秉楠，朱浩，易翔宇，屈振乐，文帅，谌君谋，陈农，
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：