黑匣子强冲击试验用弹托的制作方法

本实用新型涉及一种可以用于飞机黑匣子、汽车黑匣子和轮船黑匣子等黑匣子强冲击试验用弹托。

背景技术：

黑匣子是在大多数的空难中可以保存下来的装置，是飞行数据记录仪和座舱声音记录仪的坠毁生存记录单元（CSMU）。按照国际适航标准相关技术条件，内含最大4kg试件的试验舱，在6.5ms以内可使其产生3400g以上，加速度峰值在3400g～5500g之间的加载曲线；在加载波形上升沿起点以后6.5ms以内的加载时间内，其波形的积分面积要≥138m/s。黑匣子强冲击过载环境试验存在有3400g和6.5ms指标复现困难，波形能量不足的问题。由于飞行器环境的要求，整个黑匣子系统要拆分成了数据采集与数据储存两大部分。飞行器坠毁后，必须保证数据存储单元的完整性。 此外考虑到飞行器试射所在的恶劣野外环境，外壳保护单元还应能够提供防水、防腐等功能。在试验中，由黑匣子和加速度计刚性连接组成弹丸，弹丸后端连接弹托，弹丸与弹托间隙配合，安装在炮管注气口，其总质量不超过20公斤。强冲击试验设备试验使用空气炮加载，注气压力小于等于200bar,推力作用在弹托底部，使得弹丸和弹托沿炮管高速运动，出口速度达到50m/s～400m/s，经过弹托分离，包含黑匣子的弹丸撞击蜂窝铝靶标，冲击峰值达到500g-8000g，冲击载荷形成冲击加速度达140—167 m/s²。由高速运动到静止的撞击过程形成加速度曲线，据此分析和判断黑匣子抗坠毁幸存能力。在黑匣子强冲击试验过程中，弹托需要满足以下试验技术要求：弹托安装在试验仓注气口，空气炮加载最大至200bar压力，保持静态密封；启动发射后，弹托传递运动至弹丸；刚性连接黑匣子的弹丸飞速运动，通过拦截实现弹托分离，而后含黑匣子的弹丸撞向靶标。依据国内相关标准强冲击试验技术要求：固定翼飞机装配的飞行记录器抗坠毁性能指标不低于5100g，加载波形上升沿起点以后5ms内的脉宽积分大于159m/s。在黑匣子制造完成后需要对其进行强冲击试验来获得基础数据。而目前, 国内黑匣子强冲击试验设备不够完善，试验研究相关文献尚不多见。弹托7是强冲击试验设备的关键构件之一，功能在于满足黑匣子强冲击试验静态密封性能和动态传递运动。设计弹托7的技术方案包含五个方面的内容：试验过程分析、弹托选材、结构设计、密封设计、弹托制备。弹托试验程过需要经历三个阶段，加载阶段、携带弹丸飞行阶段、弹托分离阶段。加载阶段：弹托和带黑匣子的弹丸，安放在炮管注气口，形成密闭腔加载；携带弹丸飞行阶段：加载至设定压力后，换向至弹托底部加压，直至弹托启动，高压注气口作用在弹托底部，瞬间沿炮管加速运动；弹托分离阶段，在炮管出炮口前方放置有拦截器12，拦截器12上开孔与炮管同轴，且孔尺寸略小于弹托外径。携带弹丸的弹托在高压空气的作用下高速飞行，高速撞击拦截器12，弹托被拦截器挡下来，仅有携带试件和加速度记录仪的弹丸继续向前飞行，而后撞击蜂窝铝靶标13。在弹托分离过程中，弹托7携带弹丸11在气压推动下高速撞击拦截器12，弹托7与拦截器12发生碰撞，弹丸11在惯性的作用下与弹托分离继续向前运动，而后撞击蜂窝铝靶标13。如果弹托是金属材料，在弹托与拦截器12碰撞时将会产生巨大的冲击载荷，将会对试验设备产生冲击破坏。因此本设计选用非金属材料，为了避免在碰撞发生后，弹托发生崩坏对弹丸分离造成影响这种情况，选用弹托的材料应该具有一定强度且具有高韧性。强冲击载荷试验设备要求最低的发射速度为50m/s，要达到50m/s的低速发射，注气压力必然很低，随着弹托7的移动，气室气体对弹托7的推进力与弹托7与发射管间的摩擦力相差不大，导致出炮口弹速很难控制。为保证低速下的弹道稳定性，在弹托设计过程中应该尽可能选取密度较小的材料，降低摩擦力的影响，可以实现稳定的低速弹道性能。因此，基于发射重量和试验要求，弹托选材：应选择密度小、质量轻，刚性好、静态能够承受气室加载压力，且具有良好的冲击韧性的材料。目前，试用过的尼龙棒材，材料价格虽然便宜，质量也轻，但是其韧性不够，发射运动经过弹托分离后，弹托被拦截板撞裂，会影响弹托分离效果。

技术实现要素：

本实用新型目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种满足气密性要求，能与弹丸正常分离且不影响弹丸分离速度的黑匣子强冲击试验设备的弹托。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是，一种黑匣子强冲击试验用弹托，具有一个圆柱形的弹托本体和放置弹丸11的型腔1，其特征在于：弹托本体圆周上制有安装两个O型密封圈8的沟槽2，密封圈8与炮管孔壁配合密封注气口形成密闭腔，在弹托本体的底端制有在打开高压气室、能瞬时作用到弹托底部，使弹托在轴向水平状态保持稳定，推动弹托向前加速运动的凹面3。

本实用新型具体如下有益效果。

满足气密性要求。本实用新型采用具有一个圆柱形的弹托本体和放置弹丸11的型腔1，通过黑匣子强冲击试验验证，弹托本体圆周上制有安装两个O型密封圈8的沟槽2，密封圈8与炮管孔壁配合密封注气口形成密闭腔，满足气密性要求。

弹托本体的底端制有在打开高压气室、能瞬时作用到弹托底部，保证弹托在轴向水平状态保持稳定，底端受力均匀，推动弹托向前加速运动的凹面3，经过试验验证，能让弹托在炮管中运动时轴向水平状态保持稳定。

在弹托分离阶段，弹托能与弹丸正常分离且不影响弹丸的分离速度，弹丸撞击蜂窝铝靶标后可以产生正确的试验基础数据。

材料选用φ260的高密度聚乙烯棒，满足质量轻，刚性足够，冲击韧性好的强冲击试验要求。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进一步详细说明。

图1是黑匣子强冲击试验用弹托的剖视图。

图2是强冲击试验启动发射示意图。

图3是强冲击试验弹托分离示意图。

图中：1、型腔，2、O型圈沟槽，3、凹面，4、预留槽，5、倒角，6、衬筒，7、弹托，8、O型圈，9、高压气注气口，10、炮管，11、弹丸，12、拦截器，13、蜂窝铝靶标。

具体实施方式

参阅图1。弹托结构设计，弹托本体圆周上制有安装两个O型密封圈8的沟槽2，密封圈8与炮管孔壁配合密封注气口形成密闭腔，密闭腔内部的型腔1用于放置弹丸11。在弹托底端挖一个凹面3，目的是为了在高压气室打开、瞬时高压，全部作用到弹托底部时，保证弹托在轴向水平状态保持稳定，弹托底端受力均匀推动弹托向前加速运动。弹托在炮管中沿炮管轴线做直线运动，

为了给弹托7与拦截器12一个预留的碰撞量，当弹托与拦截器碰撞时，弹丸前端制有不受弹托塑性变形影响能够及时与弹托7分离的预留槽4。预留槽4的目的是为了给弹托7与拦截器12一个预留的碰撞量，当弹托与拦截器碰撞时，弹丸前端不受弹托塑性变形的影响及时的与弹托分离。

弹托的选材：弹托材料为高密度聚乙烯High Density Polyethylene，HDPE。弹托毛坯为高密度聚乙烯HDPE棒。相较于金属类材料，满足质量轻，刚性足够，冲击韧性好的强冲击试验技术要求。

弹托的密封设计：弹托7在炮管10在加载过程需要保持良好的气密性，需要对弹托进行密封设计。在各种动密封的应用中，O型圈是一种有效且经济的密封元件。O型圈是安装在沟槽中，适量压缩的O形截面的密封环。弹托本体圆周上制有安装的两个O型密封圈8的沟槽2，密封圈8与炮管孔壁配合密封注气口周边。O型圈与其他密封元件相比，O型圈具有以下优点：整体式的沟槽设计减少零件制造 成本；容易安装，减少了出差错的风险；大量标准尺寸可供选购，便于维护和修理。O型圈沟槽2为矩形槽，密封方式为径向动密封。密封圈的压缩率和拉伸率对密封性能有重要作用，按O型圈气动密封标准要求，密封介质为空气，O型密封圈8选用邵氏硬度90的丁晴橡胶，沟槽间隙为0.07~0.09mm。 O型圈尺寸选择和沟槽设计的匹配应保证拉伸率＜1.01，动密封压缩率为12%~17%。为防止O型圈在安装过程中被尖角锐边划伤或切伤，在弹托7端面轴端上制有倒角5。

参阅图2、图3。以KTHGE-254-00强冲击试验用弹托为例，说明弹托具体的实施方式。弹托为圆柱形，包含型腔1，O型圈沟槽2，凹面3，预留槽4，倒角5等结构要素。弹托7的型腔1尺寸与弹丸11滑合装配，在弹托分离阶段不影响弹托7与弹丸11的分离。根据GB/T3452.1-2005，炮管10选用材料为邵氏硬度90的丁晴橡胶O型密封圈2。为保证O型圈拉伸率＜1.01、动密封压缩率12%~17%，确定密封槽尺寸。为防止O型圈在安装过程中被尖角锐边划伤或切伤，在弹托上设置了C5倒角。

试验前先需要将衬筒6卸下，在炮管10中装入携带弹丸11的弹托7，然后装入衬筒6，注入一定压力的空气，推动衬筒6与弹托7至发射管前端并锁紧，在弹托O型圈沟槽内2安装O型圈8。打开高压气室，高压气通过注气口9进入炮管，与弹托7形成高压腔；启动发射时，弹托底部凹面3受到启动压力，沿炮管轴向移动，此时，高压注气口压力直接作用弹托底部凹面3，瞬间加速至设定运动速度向前运动；而后受到拦截器12拦截，弹托与弹丸分离，弹丸11继续向前飞行撞击蜂窝铝靶标13后，获得试验数据。