一种电弧放电赋能气体驱动的二级轻气炮

1.本发明涉及超高速碰撞加载实验技术领域，具体为一种电弧放电赋能气体驱动的二级轻气炮。


背景技术：

2.轻气炮是在实验室中为了模拟超高速撞击现象，或者通过高速撞击的方式获得高温高压状态，的重要实验设备。其中，二级轻气炮可以发射各种形状、尺寸的弹丸，可以实现2km/s～7km/s的加载速度。常见的二级轻气炮由火药燃烧产生的高压气体加速一个活塞，活塞高速运动压缩泵管中的氢或氦等轻质气体，再以高压轻质气体推动弹丸达到预定的高速度。传统的二级轻气炮以火药爆燃驱动活塞向前运动压缩泵管中的气体至高温高压状态，但火药的使用使实验室附属条件变得复杂，需要专用的存储、运输、装配、消防等条件和资质，并且带来安全、污染(火药爆轰产物)、炮的清洁(爆轰产物污染炮管、每一发实验需清理干净)等问题，使得传统的二级轻气炮运行效率低、实验成本高。此外，由于火药是严格管制的材料，在很多场地难以使用。
3.目前国内陆续发展了以高压气体、氢氧爆轰、电磁炮为首级驱动的二级轻气炮，但这些炮也存在各自的缺陷，影响了它们的推广；首先，以高压气体作为首级驱动的二级轻气炮需要使用大量的高压气体，需要建设高压气站，带来占地、噪音和安全等问题，并且常温下的高压气体做功能力不强、最终加载弹速不高；其次，氢氧爆轰二级轻气炮，以氢气、氧气的混合气体作为驱动源，需要相对复杂的配气系统，此外氢气作为燃料极度易爆，对于气炮的使用需要严格的培训与监管，限制了它的推广；最后，电磁炮驱动二级轻气炮，以电磁线圈驱动，其最大特点是在泵管外围套有多级线圈，在活塞后端设置有作为电磁炮弹丸的推进件，其结构复杂、造价昂贵；由于线圈套在金属泵管的外围，泵管对线圈电磁场的屏蔽作用会造成能量的极大浪费，同时，活塞后金属推进件的存在，会造成活塞/推进件的重心难以维持在泵管的中心线上，且金属推进件高速运动中可能带来划伤泵管内壁的风险；驱动线圈的电磁场感应下，包括泵管在内的金属炮体上会感应出相应的电磁场，给气炮加载过程中的弹丸速度、材料撞击性质等电磁学测量带来极大干扰。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种电弧放电赋能气体驱动的二级轻气炮，包括：
5.从左至右依次连通对接的起爆仓、二级驱动泵管、发射管；所述起爆仓内部设置有绝缘层；所述绝缘层左端设置有高压电极，右端设置有膜片；所述高压电极上设置有多根起爆钨丝；所述二级驱动泵管内部左端设置有活塞，右端设置有二级膜片；所述发射管内部左端设置有弹丸，右端设置有发射口。
6.其中，优选的是，所述高压电极的输入端接入有冲击大电流电源组件。
7.其中，优选的是，还包括一个控制系统；所述控制系统的多个控制端口与冲击大电流电源组件信号连接。
8.其中，优选的是，所述起爆仓右端设置有高压锥段，且外壁一体设置有法兰盘ⅱ；所述法兰盘ⅱ与二级驱动泵管左端的法兰盘ⅲ通过多个螺栓进行对接；所述法兰盘ⅲ端部设置有圆槽ⅰ；所述绝缘层锥段端部设置有与所述圆槽ⅰ相对应的圆槽ⅱ；所述圆槽ⅰ和圆槽ⅱ之间嵌入安装有膜片套环；所述膜片套环内圈设置有多个限位槽；所述膜片外壁环绕设置有多个与多个限位槽相对应的限位块；通过多个所述限位块卡合嵌入到所述膜片套环中实现可拆卸连接。
9.其中，优选的是，所述起爆仓左端设置有隔热盲板，且外壁一体设置有法兰盘ⅰ；所述法兰盘ⅰ上设置有多个线缆接口；所述绝缘层左端设置有与法兰盘ⅰ尺寸相对应的底座；所述底座端面设置有t形槽；所述t形槽较小端设置有绝缘管，所述绝缘管中固定设置有接线盒；所述接线盒内部设置有汇流片；所述汇流片与所述高压电极左端的接线柱固定连接；所述汇流片连接有多个接线端子；多个所述接线端子分别通过多根内置在绝缘层中的线缆与多个线缆接口固定连接；所述高压电极右端外部一体设置有绝缘法兰；所述绝缘法兰嵌入安装在t形槽较大端，且间隙处焊接有密封套管。
10.其中，优选的是，所述高压电极右端设置有带外螺纹的电极杆，且从所述底座中伸出；所述电极杆端部螺纹连接有一个装配环；所述装配环上设置有多个用于挂接起爆钨丝左端的l型凸起ⅰ；所述装配环内圈设置有与所述外螺纹相匹配的内螺纹；通过所述内螺纹与外螺纹的螺合实现了螺纹连接。
11.其中，优选的是，所述膜片上设置有多条交错的爆破槽；所述膜片上设置有多个用于挂接起爆钨丝右端的l形凸起ⅱ；多个所述l形凸起ⅱ设置于多条所述爆破槽之间。
12.其中，优选的是，还包括一个配气装置；所述起爆仓和绝缘层上设置有相互贯穿的注气孔；所述配气装置包括一体设置于起爆仓外部的储气仓；所述储气仓的输出端通过设置一个电子排气阀与注气口对接；所述电子排气阀与控制系统信号连接。
13.其中，优选的是，所述起爆仓外侧配备有可收卷起爆钨丝的容纳箱；所述容纳箱中可转动设置有多根绕线柱；多根所述绕线柱上分别缠绕配置有规格不同钨丝线圈；所述容纳箱外部设置多个与多个所述绕线柱相对应的出线口，多个所述出线口上端设置有截断钨丝的闸刀。
14.本发明至少包括以下有益效果：
15.在本发明中，起爆仓作为整个二级轻气炮的首级驱动装置，通过在起爆仓中安装高压电极配合多根起爆钨丝，再配合上对高压电极的电流调控，可对起爆仓的起爆压力这个关键参数进行多重丰富的调整，可控性强，由于起爆仓的起爆压力直接影响到后续弹丸发射的初速，通过高压电极配合起爆钨丝这种起爆方式，不仅解决了使用火药起爆、氢氧爆轰起爆、电磁起爆等起爆方式各自存在的问题，同时也更方便对后续发射的弹丸进行配速，满足多种实验需求。本装置所需部件容易获得，成本低廉，加工装配容易，以这种起爆方式作为轻气炮首级驱动起爆方式的优点可见是相当明显的，可适用于替换其他规格多级轻气炮的首级驱动起爆装置，适用性和实用性强。本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
16.图1为本发明的总结构图；
17.图2为本发明的控制流程图；
18.图3为本发明的绝缘层左端的高压电极及其连接结构图；
19.图4为本发明的绝缘层右端的膜片及其连接结构图；
20.图5为本发明的膜片及膜片套环连接结构图；
21.图6为本发明的装配环结构图；
具体实施方式
22.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。
23.图1-6示出了本发明的一种实现形式，包括：
24.从左至右依次连通对接的起爆仓1、二级驱动泵管6、发射管7；所述起爆仓1内部设置有绝缘层2；所述绝缘层2左端设置有高压电极3，右端设置有膜片4；所述高压电极3上设置有多根起爆钨丝5；所述二级驱动泵管6内部左端设置有活塞61，右端设置有二级膜片62；所述发射管7内部左端设置有弹丸71，右端设置有发射口72；
25.工作原理：
26.在使用二级轻气炮进行超高速碰撞加载实验时，我们在作为首级驱动装置的起爆仓1中注入一定压力的气体；通过外部电源接通高压电极3，随后通过高压电极3对多根起爆钨丝5进行供电，电弧放电使得起爆钨丝产生超高的温度直至炸裂，在炸裂时会对整个起爆仓1中的气体赋予巨大的能量，从而使得整个起爆仓1气体的温度、压力瞬间上升，当达到膜片4的破裂压力后，将膜片4压破，高温高压气体随即释放到二级驱动泵管6中，推动活塞61对二级驱动泵管6中的轻质气体继续压缩，直至二级膜片62破裂，随后发射管7中的弹丸71在二级膜片62破裂后释放出的高温高压轻质气体驱动下加速向右运动，达到预定的高速度从发射口72射出。
27.在这种技术方案中，通过在起爆仓1中安装高压电极3配合多根起爆钨丝5，使得起爆仓1内的起爆压力变得更加容易调控：首先，根据不同的实验需求可安装不同数量和直径的起爆钨丝5，当我们需要获得一个可以瞬间爆破的较高峰值压力时，我们可以配置多根同
直径的起爆钨丝5，多根起爆钨丝5可在同一时间炸裂，从而得到所需较高峰值压力；当我们有维持起爆仓1起爆压力的时间需求时，可以通过配置多根直径不同的起爆钨丝5，让其按照一定时序依次炸裂，就能在一定时间内维持住整个起爆仓1的压力；再配合上对高压电极3的电流调控，可对起爆仓1的起爆压力这个关键参数进行多重丰富的调整，可控性强。由于起爆仓1的起爆压力直接影响到后续弹丸71发射的初速，通过高压电极3配合起爆钨丝5这种起爆方式，不仅解决了使用火药起爆、氢氧爆轰起爆、电磁起爆等起爆方式各自存在的问题，同时也更方便对后续发射的弹丸进行配速，满足多种实验需求。本装置所需部件容易获得，成本低廉，加工装配容易，以这种起爆方式作为轻气炮的首级驱动起爆方式的优点可见是相当明显的，可适用于替换其他规格的多级轻气炮的首级驱动起爆装置，适用性和实用性强。
28.在上述技术方案中，所述高压电极3的输入端接入有冲击大电流电源组件31。这样设置的好处是，冲击大电流电源组件31模块化程度高，可根据不同起爆能量的需求进行装配，从而对一根或多根起爆钨丝5进行供电，以满足实验需求。
29.在上述技术方案中，还包括一个控制系统14；所述控制系统14的多个控制端口与冲击大电流电源组件31信号连接。这样设置的好处是，控制系统14可以更加稳定精确的调控冲击大电流电源组件31加载到高压电极3上的电流能量，从而对多根起爆钨丝5的能量进行调控，达到调控起爆仓1内初始起爆压力的目的。
30.在上述技术方案中，所述起爆仓1右端设置有高压锥段41，且外壁一体设置有法兰盘ⅱ42；所述法兰盘ⅱ42与二级驱动泵管6左端的法兰盘ⅲ63通过多个螺栓进行对接；所述法兰盘ⅲ63端部设置有圆槽ⅰ64；所述绝缘层2锥段端部设置有与所述圆槽ⅰ64相对应的圆槽ⅱ43；所述圆槽ⅰ64和圆槽ⅱ43之间嵌入安装有膜片套环44；所述膜片套环44内圈设置有多个限位槽441；所述膜片4外壁环绕设置有多个与多个限位槽相对应的限位块442；通过多个所述限位块442卡合嵌入到所述膜片套环44中实现可拆卸连接。这样设置的好处是，膜片套环44可稳定嵌合安装在圆槽ⅰ64和圆槽ⅱ43之间，可作为膜片4的基座，牢固稳定，保证了实验过程中的稳定性，通过多个限位槽441和多个限位块442的嵌合，实现了膜片4的快速装填和更换，提高装置的装配效率。
31.在上述技术方案中，所述起爆仓1左端设置有隔热盲板32，且外壁一体设置有法兰盘ⅰ33；所述法兰盘ⅰ33上设置有多个线缆接口34；所述绝缘层左端设置有与法兰盘ⅰ33尺寸相对应的底座35；所述底座35端面设置有t形槽36；所述t形槽36较小端设置有绝缘管37，所述绝缘管37中固定设置有接线盒38；所述接线盒38内部设置有汇流片381；所述汇流片381与所述高压电极3左端的接线柱固定连接；所述汇流片381连接有多个接线端子382；多个所述接线端子382分别通过多根内置在绝缘层2中的线缆21与多个线缆接口34固定连接；所述高压电极3右端外部一体设置有绝缘法兰39；所述绝缘法兰39嵌入安装在t形槽36较大端，且间隙处焊接有密封套管391。这样设置的好处是，隔热盲板32可保证整个起爆仓1左端的封闭性；使用高压电极3对接接线盒38，再配合多个可快速插配的线缆接口34，方便外部电源的接入和拔出，模块化程度高，装配更加轻松；高压电极3右端的绝缘法兰39通过与密封套管391的焊接使得连接更加稳定密封性更强，可防止实验过程中高压气体的泄露。
32.在上述技术方案中，所述高压电极3右端设置有带外螺纹的电极杆301，且从所述底座35中伸出；所述电极杆301端部螺纹连接有一个装配环302；所述装配环302上设置有多
个用于挂接起爆钨丝5左端的l型凸起ⅰ51；所述装配环302内圈设置有与所述外螺纹相匹配的内螺纹；通过所述内螺纹与外螺纹的螺合实现了螺纹连接。这样设置的好处是，通过预先在装配环的l型凸起ⅰ51上将多根钨丝5装配好，再直接螺纹连接在电极杆301的端部，装卸和调整更加容易方便，提高了实验装配效率。
33.在上述技术方案中，所述膜片4上设置有多条交错的爆破槽401；所述膜片401上设置有多个用于挂接起爆钨丝5右端的l形凸起ⅱ402；多个所述l形凸起ⅱ402设置于多条所述爆破槽401之间。这样设置的好处是，在作业过程中，多个l形凸起ⅱ更方便对起爆钨丝5右端的对接安装，起到拉伸延展的作用，防止多根起爆钨丝5在装配时相互缠绕，影响起爆效果；当膜片4破裂时，多条爆破槽401使得膜片4更容易从中心处破裂，然后形成多个膜瓣向外侧弯折，整个膜片膜裂的完整性更好。
34.在上述技术方案中，还包括一个配气装置；所述起爆仓1和绝缘层2上设置有相互贯穿的注气孔11；所述配气装置包括一体设置于起爆仓1外部的储气仓12；所述储气仓12的输出端通过设置一个电子排气阀13与注气口11对接；所述电子排气阀13与控制系统14信号连接。这样设置的好处是，在实验开始前，通过电子排气阀13将储气仓12中的气体注入注气孔11中，实现对预注入起爆仓1中的气体进行更精确安全的自动控制，并且，预充入起爆仓1中的气体量也是影响起爆压力的因素之一，根据我们不同的实验需求，在确定起爆钨丝5的数量和规格后，控制系统14可对加载到高压电极3上的电流能量、起爆仓1中气体注入量通过程序进行自动匹配预设，让整个装置自动化程度更高，提高了装置的功能性和拓展性。
35.在上述技术方案中，所述起爆仓外侧配备有可收卷起爆钨丝5的容纳箱；所述容纳箱中可转动设置有多根绕线柱；多根所述绕线柱上分别缠绕配置有规格不同钨丝线圈；所述容纳箱外部设置多个与多个所述绕线柱相对应的出线口，多个所述出线口上端设置有截断钨丝的闸刀。这样设置的好处是，通过容纳箱上的多根绕线柱和多个闸刀，实现对多种规格钨丝的自由取用和裁剪，提升了实验准备作业的作业效率。
36.这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。