应用于消防迫击炮的弹基发射装置及其参数设计方法

1.本发明涉及消防领域，具体涉及一种应用于消防迫击炮的弹基发射装置及其参数设计方法。


背景技术：

2.消防迫击炮作为应用于民用领域的其中一种，在传统迫击炮结构的基础上对弹丸加以改进，使其在经过抛射爆炸后实现灭火的目的。消防迫击炮的使用场所主要为城市和森林消防。在实际应用中，消防迫击炮发射完消防迫弹后，存在对火场进行重新评估的需求，这时再使用额外的无人机系统无疑会加大前线消防的负担，这时如果可以利用现有的迫击炮系统发射光电侦测原件完成对火场的实时评估进而指导前线消防，可以减轻消防前线负担，更加简便的获取火场信息，完成信息化消防。但是民用光电原件往往不能承受普通消防迫击炮的高发射过载，发射过载问题成为了迫击炮发射光电侦测元件的首要难题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种应用于消防迫击炮的弹基发射装置及其参数设计方法，在不影响原有迫击炮结构的前提下，实现迫击炮与低过载发射平台的兼容，同时减小发射含有光电元件的特种弹丸所承受的发射过载，避免其发生不可逆损坏。
4.实现本发明目的的技术解决方案为：
5.一种应用于消防迫击炮的弹基发射装置，包括弹体、发射药、反置高压室、底火、燃气泄漏孔和药室；所述反置高压室通过底板分割成两个压强不同的腔室，接近弹体的腔室为高压室，另一压强室为低压室；其中药室和发射药置于高压室内；底火通过螺纹副置于高压室底部螺纹通孔内，连通药室与低压室，可以由炮尾部的击针撞击触发后点燃药室内的发射药；弹后身管和高压室底面共同构成低压室；所述底板上设有燃气泄漏孔，发射后，反置高压室和弹体一起被弹射出身管。
6.进一步地，所述反置高压室和发射弹体之间采用螺纹副进行连接，发射后的反置高压室和弹体一起被弹射出身管，在不影响常规消防迫击炮弹药发射的同时完成光电侦测元件的低过载高低压发射；
7.进一步地，药管和发射底火通过螺纹副与反置高压室进行连接；
8.进一步地，底火采用耐高压的材质制成，以防止在上螺纹时点燃。
9.一种应用于消防迫击炮的弹基发射装置的参数设计方法，包括如下步骤：
10.步骤1、明确迫击炮发射含有光电元件的特种弹丸所能承受最大过载，并设置弹基发射装置结构初始参数；
11.步骤2、根据内弹道计算出推进剂点火后的燃烧速率，得到高压室压强变化曲线；
12.步骤3、将高压室压强变化曲线作为边界条件，通过流体动力学数值模拟，求解出发射初期弹丸运动规律和弹丸后流场内腔压强变化规律；
13.步骤4、基于发射初期弹丸运动规律和弹丸后流场内腔压强变化规律，判断当前承
受能力是否满足特种弹丸所能承受最大过载，如果满足则确定弹基发射装置结构参数；如果不满足对弹基发射装置结构参数优化调节，并重复上述步骤。
14.进一步地，所述步骤2中推进剂点火后的燃烧速率可以表示为
[0015][0016]
式中：z为火药药粒的相对燃烧厚度；t为时间，u1为燃速常数；δ1为1/2火药药粒起始厚度；p1为高压室压强。高压室压强为：
[0017][0018]
式中：f为火药力；ω为装药量；ψ为火药已燃百分比；ρ
p
为火药密度；α是火药气体余容；v0为高压药室容积。
[0019]
其中ψ和z满足：
[0020]
ψ＝χz(1+λz+μz2)
[0021]
式中：χ,λ,μ的选取与火药形状相关，在这里选用了方形火药，χ,λ,μ均为1。
[0022]
在高压室产生压强变化以后通过气体流动的方式直接进入低压室，其中气体质量流量为：
[0023][0024]
式中：ψ2是流量系数；sj是破孔面积；p2是低压药室气体压强。当火药开始燃烧，会改变高低压药室之间的压强差，从而产生相对流量η，改变低压室压强推动系统的运动，其中相对流量η为：
[0025][0026]
产生流量以后的高压室和低压室的压强分别为：
[0027][0028][0029]
式中：s是发射管截面积，k是绝热系数，v，m分别为特种弹丸的速度和质量，ψ3为次要功计算系数，l0是药室容积颈缩长：低压室初始容积和发射管截面积的商。
[0030]
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
[0031]
(1)本发明采用弹基低过载发射设计，通过将传统的高低压发射中的高压室倒置，倒置的高压室和弹体结合为一体，可以适用于现有的消防迫击炮身管发射，使其在不改变现有迫击炮管结构以及不影响常规弹药发射的前提下，完成高低压发射；
[0032]
(2)本发明由于采用了高低压发射，在降低发射过载的同时使膛压曲线相较于传统发射膛压曲线更加饱和，保证了一定的炮口初速度，适合需要一定工作海拔高度的光电侦测元件的低过载发射。
附图说明
[0033]
图1为本发明应用于消防迫击炮平台的低过载发射装置流程图。
[0034]
图2为本发明弹基发射装置的三维结构图。
[0035]
图3为反置高压室结构示意图。
[0036]
图4为反置高压室半剖视图。
[0037]
图5为基于内弹道的高压室压力时变曲线。
[0038]
图6为弹丸位移时变曲线。
[0039]
图7为弹丸速度时变曲线。
[0040]
图8为身管膛内压力时变曲线。
具体实施方式
[0041]
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0042]
结合图2～图4，本发明所述的一种应用于消防迫击炮的弹基发射装置包括弹体1、发射药2、反置高压室3、底火4、燃气泄漏孔5和药室6。其中药室6和发射药2置于高压室7内；底火4通过螺纹副置于高压室底部螺纹通孔10内，连通药室与低压室8，可以由炮尾部的击针撞击触发后点燃药室6内的发射药2；弹后身管和高压室底面共同构成低压室8。
[0043]
进一步地，反置高压室3和弹体1之间采用螺纹副9进行连接，发射后的反置高压室3和弹体1一起被弹射出身管，在不影响常规消防迫击炮弹药发射的同时完成光电侦测元件的低过载高低压发射。
[0044]
进一步地，药室6和发射药2通过螺纹副10与反置高压室3进行连接。
[0045]
进一步地，采用能承受至少100mpa高压室膛压并且不发生燃气泄漏的底火4，以防止火药爆燃后造成底火4结构的破坏，造成燃气的泄露。
[0046]
如图1所示，一种应用于消防迫击炮的弹基发射装置的参数设计方法，包括如下步骤：
[0047]
步骤1、明确迫击炮发射含有光电元件的特种弹丸所能承受最大过载，设计弹基发射装置结构初始参数；
[0048]
步骤2、根据内弹道计算出推进剂点火后的燃烧速率，得到高压室压强变化曲线；
[0049]
步骤3、通过流体动力学数值模拟，求解出发射初期弹丸运动规律和弹丸后流场内腔压强变化规律。
[0050]
步骤4、基于发射初期弹丸运动规律和弹丸后流场内腔压强变化规律，判断当前承受能力是否满足特种弹丸所能承受最大过载，如果满足则确定弹基发射装置结构参数；如果不满足对弹基发射装置结构参数优化调节，并重复上述步骤，直至满足特种弹丸所能承受最大过载。
[0051]
进一步地，步骤2中，基于内弹道，火药的燃速可以表示为
[0052][0053]
式中：z为火药药粒的相对燃烧厚度；t为时间，u1为燃速常数；δ1为1/2火药药粒起始厚度；p1为高压室压强。高压室压强为
[0054][0055]
式中：f为火药力；ω为装药量；ψ为火药已燃百分比；ρ
p
为火药密度；α是火药气体余容；v0为高压药室容积。
[0056]
其中ψ和z满足
[0057]
ψ＝χz(1+λz+μz2)
[0058]
式中：χ,λ,μ的选取与火药形状相关，在这里选用了方形火药，χ,λ,μ均为1。
[0059]
在高压室产生压强变化以后通过气体流动的方式直接进入低压室，其中气体质量流量为
[0060][0061]
式中：ψ2是流量系数；sj是破孔面积；p2是低压药室气体压强。当火药开始燃烧，会改变高低压药室之间的压强差，从而产生相对流量η，改变低压室压强推动系统的运动，其中相对流量η为
[0062][0063]
产生流量以后的高压室和低压室的压强分别为
[0064][0065][0066]
式中：s是发射管截面积，k是绝热系数，v，m分别为特种弹丸的速度和质量，ψ3为次要功计算系数，l0是药室容积颈缩长：低压室初始容积和发射管截面积的商。
[0067]
进一步地，步骤3中，在高压室内壁上设置计算出的高压室压强时变曲线作为边界条件，相应的高压室压强时变曲线具体为图5所描述，通过利用流体动力学数值模拟，得到发射初期弹丸运动规律和弹丸后流场内腔压强变化规律，具体如图6～图8所示。与传统结构相比，倒置高压腔结构的弹丸位移在初期上升较快，对压力变化能做出较快的响应。发射初期位移较大，从0.17m上升到0.27m，增长60％。此外，由于低压腔内出现双峰，弹丸的速度曲线比传统结构更趋于平坦。
[0068]
需要指出的，本发明涉及的公知方法不再累述，例如所能承受最大过载、初期弹丸运动规律和弹丸后流场内腔压强变化规律均不再累述。
[0069]
本发明提供的一种应用于消防迫击炮的低过载发射装置，在不影响原有迫击炮结构的前提下，实现迫击炮与低过载发射平台的兼容，同时减小发射含有光电元件的特种弹丸所承受的发射过载，避免其发生不可逆损坏，通过弹基高低压发射的形式实现低过载发射，实现简单，降低过载效果好。