一种液气相变发射装置、超高速侵彻试验装置及其测试方法

本发明涉及弹体侵彻试验，具体涉及一种液气相变发射装置、超高速侵彻试验装置及其测试方法。

背景技术：

1、在防护工程、复合材料、兵器装备等领域，常常需要进行超高速侵彻、撞击和地冲击试验，从而探究岩石、混凝土、复合陶瓷、舰船钢板、运动装甲钢板等的损伤破坏效应和抗侵彻能力。侵彻试验的试验步骤一般包括：1、选择合适的目标：根据实验需求选择具有代表性的目标，如钢板、混凝土墙等；2、确定实验条件：包括弹体的出筒速度、射程、入射角度等参数，以及目标的材料、尺寸等参数；3、进行实验：将弹体发射至目标上，并根据实验目的记录相关试验数据；4、分析试验结果：对相关试验数据进行分析。

2、目前国内一般采用轻气炮进行超高速侵彻。轻气炮是一种使用压缩气体推动物体以实现高速运动的设备，其工作原理是储存压缩气体并通过释放来产生推动力，从而加速物体运动。轻气炮的缺点在于：纵向尺寸一般较长，会导致装置的机动性较差，不适用于户外试验场景。其次，轻气炮使用部分的气体危险性高，例如氢气。此外，轻气炮还存在成本较高以及其发射速度不容易控制和改变的缺点。

3、公开号cn111288842a的中国发明专利申请公开了一种超临界二氧化碳气体炮，其通过采用镁粉与二氧化碳在加热条件下发生的放热反应，反应生成了氧化镁和碳并放出大量热量，未发生反应的二氧化碳吸收热量，压力迅速增大并冲断膜片推动炮弹，实现了炮弹质量为1kg左右实心锥头弹200-600m/s的炮弹出口速度。其缺点在于：超临界二氧化碳气体炮只能实现1kg左右的小型炮弹的超高速弹射，无法实现20kg左右重型炮弹的超高速侵彻。

4、另一方面，在进行侵彻试验时，受各种因素影响，弹体每次发射的出筒速度不相同，因此需要通过高速摄影测速装置来测量每次发射的出筒速度，不仅增加了试验装置的成本，也使得试验过程变得繁琐。

技术实现思路

1、本技术的发明目的之一在于：解决现有气体炮机动性较差、气体危险性高、成本较高、发射速度不容易控制和改变，以及无法实现20kg左右重型炮弹的超高速侵彻的问题。

2、为达到上述目的，本技术采用如下技术方案。

3、一种液气相变发射装置，包括初容室、连接件、发射筒和若干根相变管；所述初容室的一端与所述连接件连通，另一端与所述发射筒连通；所述连接件上设有多个可将所述相变管与所述初容室连通的通孔。上述装置中，可在相变管内装填液态二氧化碳，通过液态二氧化碳液气相变所产生的动力来发射弹体。该装置机动性高、气体危险性低、成本较低，不仅能够实现20kg左右重型炮弹的超高速侵彻，还可通过安装不同数量的相变管来控制弹体的出筒速度。

4、为提高弹体的出筒速度，在一些实施例中，所述初容室内设有腔体，所述腔体靠近所述通孔的一端的口径大于所述腔体靠近所述发射筒的一端的口径。

5、在一些实施例中，所述腔体包括第一腔体和第二腔体，所述第一腔体的一端与所述通孔连通，另一端与所述第二腔体的一端连通，所述第二腔体的另一端与所述发射筒连通；所述第一腔体为圆台形，所述第二腔体为圆柱形。

6、在一些实施例中，所述第一腔体的长度的确定过程包括：

7、s1’、设定第一长度，根据达西-魏斯巴赫公式计算第一腔体的长度为情况下的能量损失；

8、s2’、设定第二长度，根据达西-魏斯巴赫公式计算第一腔体的长度为情况下的能量损失；其中，步长为小于1的正数；

9、s3’、判断的值是否小于容差；若是，则将第二长度确定为第一腔体的长度，否则进入下一步；

10、s4’、若，则设定第三长度，根据达西-魏斯巴赫公式计算第一腔体的长度为情况下的能量损失；其中，步长为小于1的正数；将第二长度的值替换为第三长度，将的值替换为，返回s3’；

11、若，则设定第三长度，根据达西-魏斯巴赫公式计算第一腔体的长度为情况下的能量损失；其中，步长为小于1的正数；将第二长度的值替换为第三长度，将的值替换为，返回s3。由此，可设计出能量损失最小的第一腔体，从而提高弹体的出筒速度。

12、为提高弹体的出筒速度，在一些实施例中，所述发射筒内靠近所述初容室的一端通过螺栓安装有弹体。

13、基于相同的发明构思，本技术还提供一种超高速侵彻试验装置，包括上述的液气相变发射装置，还包括控制器，以及分别与控制器通信连接的压力传感器和高速摄影测速装置；

14、所述压力传感器安装在所述初容室内；

15、所述高速摄影测速装置位于所述液气相变发射装置的发射端，用于获取弹体的实测速度。

16、在一些实施例中，还包括滤波器，所述滤波器分别与所述压力传感器、控制器通信连接，用于对压力传感器采集到的压力信号进行滤波后发送给控制器。

17、本技术的另一发明目的在于：解决现有超高速侵彻试验过程中需要通过高速摄影的方法来测量每次发射的实际出筒速度，不仅增加了试验装置的成本，也使得试验过程变得繁琐的问题。

18、为达到上述目的，本技术提供一种上述超高速侵彻试验装置的测试方法，包括如下步骤：

19、s1、根据超高速侵彻试验的速度级，确定相变管的安装数量以及各相变管的发射间隔时间；

20、s2、将发射弹体至标靶，获取发射弹体后压力传感器采集到的压力信号；

21、s3、根据如下公式获取弹体任一时刻的估算速度：

22、；

23、；

24、；

25、式中，为时刻弹体的估算加速度，为时刻初容室的压力，为时刻弹体的估算速度，为大气压强，为弹体尾部的截面面积，为弹体的质量，为摩擦系数；为时刻弹体的实测速度，为弹体的出筒时刻，弹体刚开始运动的时刻定义为0；

26、s4、将弹体的出筒时刻代入上述公式，得到弹体的出筒估算速度；

27、s5、获取弹体的射程、着靶深度和着靶角度，根据弹体的出筒估算速度、射程、着靶深度和着靶角度评估弹体的穿透力和破坏力。

28、上述方法中，弹体的实测速度可通过高速摄影测速装置来测量，只需测量一次即可得到摩擦系数，在后续进行超高速侵彻试验时，只需测量初容室的压力即可通过上方法得到弹体的出筒估算速度，不再需要每次试验时通过高速摄影测速装置来测量出筒速度，不仅降低了试验装置的成本，也使得试验步骤更加简化。本技术中的超高速指的是弹体速度为100m/s~1000m/s。

29、在一些实施例中，s2与s3之间还包括对压力信号进行滤波处理的步骤。

30、由此，通过对压力信号进行滤波处理，去除噪声或不需要的频率成分，从而得到更平滑和准确的曲线，提高估算结果的准确性。

31、在一些实施例中，s3还包括如下步骤：

32、根据弹体任一时刻的估算速度计算弹体任一时刻的估算行程；

33、根据弹体任一时刻的估算行程以及弹体的飞行时间，得到弹体的射程。

34、本技术至少具有如下技术效果或优点：

35、1、机动性高、气体危险性低、成本较低，不仅能够实现20kg左右重型炮弹的超高速侵彻，还可通过安装不同数量的相变管来控制弹体的出筒速度。

36、2、只需测量初容室的压力即可通过上方法得到弹体的出筒估算速度，不再需要每次试验时通过高速摄影测速装置来测量出筒速度，不仅降低了试验装置的成本，也使得试验步骤更加简化。

37、3、通过对压力信号进行滤波处理，去除噪声或不需要的频率成分，从而得到更平滑和准确的曲线，提高估算结果的准确性。