一种制冷剂膨胀弹射装置及试验方法

本发明属于冷弹射，更具体地涉及一种制冷剂膨胀弹射装置及试验方法。

背景技术：

1、弹射起飞是弹射载荷起飞的一种重要途径，常用的弹射载荷弹射方式有气动弹射、电磁弹射、人工投掷弹射、火箭助力弹射等。与其他弹射方式相比，气动弹射能量大，受地形限制小，运输方便，具有更大的使用优势。

2、现有技术的气动弹射技术是利用气体介质的内能转换为机械能，赋予弹射载荷一个极大的瞬时加速度，使其在极短的时间内弹射出筒，气体介质可以是固体火箭燃气、压缩空气或压缩蒸汽等。固体火箭燃气具有高温特性，红外特征高，同时会产生有害气体，压缩空气虽无固体火箭燃气表现出的特征，但其提供的弹射能力不够，不足以支撑载荷过大的弹射载荷系统(如超过500kg的无人机压缩空气弹射系统)。压缩空气的弹射能力不足，主要原因在于空气的比热力学能较低，此外弹射介质比热力学能在实际工程应用中难以准确测得，这对于弹射载荷弹射动力的准确把控带来巨大阻碍。因此，有必要研究一种弹射能力更强、比热力学能更高介质的弹射载荷弹射系统，同时构建准确实现弹射载荷气动弹射动力试验方法，以解决现有气动弹射技术瓶颈问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的问题，提供了一种制冷剂膨胀弹射装置，其运用真实气体状态方程，建立以制冷剂为弹射介质气动弹射热力学数值模型，满足大型弹射载荷(如500kg以上无人机)弹射动力能，并通过控制高压储气罐容积、阀门口径以及低压室容积等参数以满足弹射载荷弹射出筒速度及加速度试验要求，保证弹射载荷弹射动力性能。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种制冷剂膨胀弹射装置，包括发射筒、弹射载荷、活塞、阀门及高压储气罐，高压储气罐设置于发射筒底部，高压储气罐通过阀门连通至发射筒底部的低压室，低压室上部设置有活塞，活塞上部安装有弹射载荷；

4、高压储气罐内储存有制冷剂，制冷剂为四氟乙烷、r123、异丁烷或r410a；高压储气罐的制冷剂内设置有释放瞬时热能的激活器，制冷剂吸收激活器热量相变膨胀致高压储气罐压力增大开启阀门；膨胀后的制冷剂进入低压室推动活塞上部的弹射载荷弹射出发射筒；

5、制冷剂通过阀门的最大质量流量qm随高压储气罐、低压室内压力动态变化，其大小与临界压力比pr相关：

6、

7、1)低压室压力p与高压储气罐压力p0之比等于pr时，制冷剂在阀门内流动处于临界状态，最大质量流量qm；

8、

9、2)低压室压力p与高压储气罐压力p0之比大于pr时，最大质量流量qm；

10、

11、其中：μ为与阀门结构相关的流量系数，其值根据实验结果或经验选择在0.85-0.95之间；st为阀门面积；k取1.1～1.5为制冷剂的等熵系数；ρ0为高压储气罐内制冷剂密度。

12、弹射载荷弹射出筒时低压室内制冷剂的内能变化率du/dt：

13、

14、其中：s为活塞受力面积，m2；△eg为活塞及弹射载荷单位时间内重力及摩檫力做功以及空气阻力之和，kj；△ek为活塞及弹射载荷单位时间动能增量，kj；△x为弹射载荷弹射位移，m；hin为制冷剂的流出阀门时的焓值。

15、进一步地，高压储气罐内制冷剂的质量变化率为-qm，高压储气罐内制冷剂的内能变化率为-qm·hout，hout为高压储气罐内制冷剂的流入阀门时的焓值。

16、进一步地，低压室内制冷剂的质量变化率为qm，当低压室内压力小于活塞和飞机的重力和阻力时，低压室制冷剂的内能变化率为qm·hin，其中，hout＝hin。

17、进一步地，活塞及弹射载荷的运动方程为：

18、muav·a＝(p-patm)·s-muav·g·(1+β)·sin(θ)

19、其中：muav为活塞及弹射载荷质量之和，kg；β的值等于摩檫力/重力；θ为弹射角，°；patm为大气压；s为活塞受力面积，m2，g为重力加速度。

20、进一步地，为准确测得低压室压力p，低压室连接有测压传感器，测压传感器与数据采集器电连接，数据采集器与数据处理模块电连接，数据采集器适用于采集压力数据信息，数据处理模块适用于处理压力数据信息及显示。

21、进一步地，为准确测量弹射载荷出筒速度，发射筒筒口同一高度设置有高速摄像机，高速摄像机与数据采集器电连接，数据采集器将图片数据传送至数据处理模块，数据处理模块处理测量弹射载荷出筒速度。

22、进一步地，为验证活塞及弹射载荷的运动方程的准确性，使用matlab软件对气动弹射热力学数值模型进行编程计算，模拟弹射载荷出筒速度曲线，模拟低压室压力曲线。

23、进一步地，为实现弹射载荷弹射且获得发射筒最优内弹道参数，高压储气罐容积取值范围为0.03l-30l，低压室体积取值范围为2l-100l，阀门口径取值范围为30mm-60mm。

24、进一步地，高压储气罐容积根据弹射载荷质量确定；阀门口径根据弹射载荷质量及发射筒内径所确定；低压室体积根据弹射载荷质量确定。

25、进一步地，在满足最小弹射速度的前提下，选用体积小的高压储气罐容积、口径小的阀门；以确保弹射载荷弹射出发射筒速度最大，选用阀门极限口径，选用小容积低压室。

26、进一步地，激活器具体为设置有化学药剂装置，激活器通过线路与外部电源连接，激活器中的化学药剂在瞬时电流激活下燃烧并释放热量。

27、一种制冷剂膨胀弹射装置的试验方法，具体试验步骤包括：

28、(7)建立制冷剂为弹射介质的气动弹射热力学数值模型；确定最大质量流量qm；确定弹射载荷弹射出筒时低压室内制冷剂的内能变化率du/dt；根据活塞及弹射载荷的运动方程确定弹射载荷出发射筒速度、加速度；

29、(8)采用高速摄像机测量弹射载荷出筒速度，采用低压室的测压传感器测量低压室压力曲线；

30、(9)对气动弹射热力学数值模型进行编程计算，获得弹射载荷出发射筒的模拟速度曲线以及低压室压力模拟曲线；

31、(10)基于气动弹射热力学数值模型，其他气动弹射热力学参数不变的情况下，计算不同容积高压储气罐下弹射装置气动弹射热力学参数，包括高压储气罐内压力、高压储气罐内温度、阀门输出质量流量、弹射载荷出发射筒速度及加速度；

32、(11)基于气动弹射热力学数值模型，其他气动弹射热力学参数不变的情况下，计算不同容积低压室弹射装置气动弹射热力学参数，包括高压储气罐内压力、高压储气罐内温度、阀门输出质量流量、弹射载荷出发射筒速度及加速度；

33、(12)基于气动弹射热力学数值模型，其他气动弹射热力学参数不变的情况下，计算不同容积阀门口径下弹射装置气动弹射热力学参数，包括高压储气罐内压力、高压储气罐内温度、阀门输出质量流量、弹射载荷出发射筒速度及加速度。

34、有益效果：本发明所提供的一种制冷剂膨胀弹射装置，通过采用制冷剂作为一种新型的弹射做功介质能够在毫秒级别的时间内将弹射载荷弹射出筒，可以克服压缩空气弹射能力不足问题，(如不能弹射500kg质量以上弹射载荷)；通过采用本发明的试验方法能够准确确定体积质量更大的弹射载荷气动弹射热力学参数，确定最优高压储气罐容积、阀门口径以及低压室容积，以确保弹射载荷弹射的稳定性、可靠性、安全性。