一种用于二级轻气炮的动态自密封防烧蚀装置的制作方法

本发明涉及一种防烧蚀装置，特别涉及一种用于二级轻气炮的动态自密封防烧蚀装置。

背景技术：

1、轻气炮是超高速撞击毁伤研究中的重要实验平台，在对高压物理、太空航天器陨石防护以及撞击性能等方面进行研究时，都需要开展轻气炮超高速发射实验研究。二级轻气炮是由第一级压缩级和第二级发射级组成的气体炮；其中，第一级中的储能气体推动活塞压缩第二级中的轻质气体，第二级中的轻质气体再加速弹丸。在二级轻气炮发射实验过程中，轻质气体在高压锥段处被压缩，气体温度和压力急剧提升，在达到隔离膜片的破裂压力后，隔离膜片由预制开口处撕裂，高温高压气体冲出作用在发射弹体底部，在发射管口部会存在大量高温高压气体，对发射管口部造成烧蚀磨损，当发射管口部烧蚀磨损达到一定程度时，会导致发射弹丸时的初速度、发射精度、弹道稳定程度及安全性等指标显著降低，进而导致发射管身服役时间缩短。

2、目前，为了抑制烧蚀磨损，延长发射管身服役时间，通常大多采用对发射管身材料进行优化和采用防烧蚀密封环进行保护，如在管道接口、活塞入锥处等炮管内部的关键连接点处设计防烧蚀密封环，但采用对发射管身材料进行优化和采用目前已有的传统防烧蚀密封环抑制烧蚀磨损时，其成本均较高且承压能力较弱。另外，单纯地优化发射管身材料在多次试验过程中难以起到较好的保护效果，延长发射管身使用寿命的效果有限。使用传统防烧蚀密封环时，虽然传统防烧蚀密封环通常由耐高温、耐磨蚀的材料制成，这些材料具有较好的耐热性能和密封性能，在一定时间内能够承受高温高压环境下的极端条件，并能有效地防止烧蚀和气体泄漏；但是，由于极端高温高压环境应力的作用，传统防烧蚀密封环会经历较快的磨损和老化，极端高温高压环境应力作用会导致材料的硬度降低、弹性减弱，从而降低了使用过程中的密封性能，造成发射气压下降，影响气体炮的发射能力；同时，由于磨损和老化问题，需要经常更换防烧蚀密封环，这会增加气炮系统的维护成本和停机时间，对系统的可靠性和可用性造成了一定的影响；并且，高性能的防烧蚀密封环材料在供应和成本方面会存在一定的限制，某些高温高压合金和陶瓷材料的供应极为有限，而且价格较高，这同样会影响试验的进程和成本。因此，采用优化发射管身材料和采用传统防烧蚀密封环实现抑制烧蚀磨损，均存在一定的缺陷。

3、综上所述，如何在轻气炮试验中确保装置满足实验所需的良好密封性的前提下，有效地防止高温高压气体对发射管身造成烧蚀磨损，进而有效地延长发射管身的使用寿命，为发射管身的服役时间延长提供必要保障，是目前亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于二级轻气炮的动态自密封防烧蚀装置，以解决现有单纯地采用优化发射管身材料方案抑制烧蚀磨损时，其成本高、在多次试验过程中延长发射管身使用寿命的效果有限，以及采用传统防烧蚀密封环方案抑制烧蚀磨损时，其不仅成本高，并且无法确保装置使用过程中的密封性能，影响气体炮的发射能力；两个现有方案均难以实现在轻气炮试验中确保装置满足实验所需的良好密封性的前提下，有效地防止高温高压气体对发射管身造成烧蚀磨损，进而有效延长发射管身使用寿命的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种用于二级轻气炮的动态自密封防烧蚀装置，用于连接在二级轻气炮炮身中的锥段和发射管身之间；所述锥段和发射管身由左至右依次同轴设置，二者的内腔通过隔离膜片隔开；其特殊之处在于：

4、包括防烧蚀环；

5、所述防烧蚀环同轴设置在所述锥段与发射管身之间；

6、所述锥段为空心台阶轴状，其外周面包括左粗右细的二阶外圆柱面，其内周面包括中间径向尺寸小、两侧径向尺寸大的三阶内圆柱面，且所述锥段的右端端面上设置有同轴的环形凸台一；

7、所述防烧蚀环为空心台阶轴状，其外周面包括由左至右依次排布且径向尺寸依次减小的第一外圆柱面、第二外圆柱面以及第三外圆柱面，其内周面包括由左至右依次排布的第一内圆柱面、第二内圆柱面、第三内圆柱面、圆台侧面、第四内圆柱面以及第五内圆柱面，且所述圆台侧面左大右小；

8、所述第一内圆柱面与锥段上的所述二阶外圆柱面中右端一侧的外圆柱面尺寸相适配；在第一内圆柱面上设置第一o型圈槽，其内设置第一o型圈；在第一内圆柱面与第二内圆柱面之间的台阶面上设置同轴的第二o型圈槽，其槽底设置第二o型圈；所述第二o型圈槽内、外圆柱面径向尺寸分别与所述环形凸台一内、外圆柱面径向尺寸相适配，其轴向深度尺寸与环形凸台一和第二o型圈沿轴向尺寸之和相适配；防烧蚀环左端与锥段右端密封连接；

9、所述第二内圆柱面和锥段上的所述三阶内圆柱面中最右端内圆柱面的径向尺寸均与所述隔离膜片的径向尺寸相适配，其轴向尺寸之和与隔离膜片的厚度尺寸相适配，隔离膜片设置在所述第二内圆柱面对应的内腔中；

10、所述第三外圆柱面与发射管身最左端内圆柱面径向尺寸相适配；在第三外圆柱面上设置第三o型圈槽，其内设置第三o型圈；在防烧蚀环右侧端面上设置第四o型圈槽，其内设置第四o型圈；通过将防烧蚀环右端插入发射管身左端中，将二者密封连接。

11、进一步地，为了防烧蚀效果更好，还包括锥段延长段；

12、所述锥段延长段同轴设置在锥段与防烧蚀环之间；

13、所述锥段延长段为空心台阶轴状，其外周面包括由左至右依次排布且左粗右细的外圆柱面一和外圆柱面二，其内周面包括由左至右依次排布的内圆柱面一、内圆柱面二以及内圆柱面三，且所述锥段延长段的右端端面上设置有同轴的环形凸台二；所述内圆柱面二的径向尺寸小于内圆柱面一和内圆柱面三的径向尺寸；

14、在锥段延长段的左侧端面上设置有第五o型圈槽，其内设置第五o型圈；在所述内圆柱面一上设置有第六o型圈槽，其内设置第六o型圈；在所述内圆柱面一与所述内圆柱面二之间的台阶面上设置有横截面为矩形的环形凹槽；在所述环形凹槽的槽底平面上设置有同轴的第七o型圈槽，其槽底设置第七o型圈；

15、所述内圆柱面一的径向尺寸与锥段上的所述二阶外圆柱面中右端一侧的外圆柱面尺寸相适配；所述环形凹槽外圆柱面的径向尺寸等于所述内圆柱面一的径向尺寸，所述环形凹槽内圆柱面的径向尺寸与锥段上的所述三阶内圆柱面中最右端内圆柱面的径向尺寸相适配，所述环形凹槽的深度等于锥段上的所述三阶内圆柱面中最右端内圆柱面沿轴向的尺寸，且环形凹槽槽底平面到锥段延长段左端端面之间的距离与锥段上的所述二阶外圆柱面中右端一侧的外圆柱面沿轴向的尺寸相适配；所述第七o型圈槽的内、外圆柱面径向尺寸分别与所述环形凸台一内、外圆柱面径向尺寸相适配，其轴向深度尺寸与所述环形凸台一和第七o型圈沿轴向的尺寸之和相适配；

16、所述外圆柱面二的尺寸与所述第一内圆柱面的尺寸相适配，所述环形凸台二的内、外圆柱面径向尺寸分别与所述第二o型圈槽的内、外圆柱面径向尺寸相适配，所述环形凸台二沿轴向的厚度尺寸与所述第二o型圈槽沿轴向深度尺寸减去第二o型圈沿轴向的尺寸之差相适配；

17、通过将所述锥段的右端插装在锥段延长段的左端，将锥段延长段的右端插装在防烧蚀环的左端，通过锥段延长段将防烧蚀环左端与锥段右端密封连接；

18、所述内圆柱面三的径向尺寸与所述隔离膜片的径向尺寸相适配，所述内圆柱面三沿轴向的尺寸与所述隔离膜片的厚度尺寸减去所述第二内圆柱面沿轴向的尺寸之差相适配。

19、进一步地，为了既能满足防烧蚀功能，又能保证防烧蚀环中圆台侧面形的过渡段有足够的强度，且能将防烧蚀环的尺寸控制在较小值，减少用料，节约成本，所述圆台侧面对应的母线与轴线的夹角为25°～35°；

20、所述锥段延长段与防烧蚀环装配后沿轴向的总尺寸为170mm～180mm。

21、进一步地，在锥段上的所述二阶外圆柱面中左端一侧的外圆柱面上设置有与内腔贯通的第一传感器安装孔，且该第一传感器安装孔与内腔贯通的位置位于锥段上的所述三阶内圆柱面中位于中间的内圆柱面上，其内密封安装第一压力传感器或温度热电偶传感器；

22、在所述外圆柱面一上设置有与内腔贯通的第二传感器安装孔，且该第二传感器安装孔与内腔贯通的位置位于所述内圆柱面二上，其内密封安装第二压力传感器或温度热电偶传感器；

23、在所述第二外圆柱面上设置有与内腔贯通的第三传感器安装孔，且该第三传感器安装孔与内腔贯通的位置位于所述第四内圆柱面上，其内密封安装第三压力传感器或温度热电偶传感器。

24、这样设置，方便对实验中炮身不同位置的压力、温度进行采集，用于后续的实验分析。

25、进一步地，为了防烧蚀效果更好，进一步减少实验时更换防烧蚀环和锥段延长段的频率，进而减少气炮系统的维护成本和停机时间，使系统的可靠性和可用性进一步提高，所述防烧蚀环的材料为42crmo或45#钢；

26、所述锥段延长段的材料为40crmo。

27、进一步地，为了密封效果更好，在所述第二内圆柱面的最左端位置设置有台阶状的第八o型圈槽，其内设置第八o型圈。

28、进一步地，为了既能满足密封功能，又便于采购，所述第一o型圈、第二o型圈、第三o型圈、第四o型圈、第五o型圈、第六o型圈、第七o型圈以及第八o型圈均采用o型橡胶圈。

29、进一步地，所述第四内圆柱面为防烧蚀环内周面中径向尺寸最小的圆柱面；

30、所述第五内圆柱面的径向尺寸等于所述发射管身内周面从左至右第二个圆柱面的径向尺寸；

31、锥段上的所述三阶内圆柱面中位于中间的内圆柱面、所述内圆柱面二、所述第四内圆柱面以及所述发射管身内周面从左至右第三个圆柱面的径向尺寸均相等。

32、进一步地，锥段上的所述二阶外圆柱面中左端一侧的外圆柱面上同轴固定套装有第一法兰盘，且该第一法兰盘上沿周向均布有多个轴线沿左右方向的第一通孔；

33、所述发射管身的左端同轴固定套装有第二法兰盘，在该第二法兰盘上沿周向均布有数量与所述第一通孔数量相等且一一对应共轴线的多个第二通孔；

34、每组共轴线的第一通孔和第二通孔之间各设置一个螺杆，且螺杆的左、右两端分别穿过第一通孔、第二通孔后，分别各与一个螺母螺纹连接，通过锁紧两个螺母，夹紧第一法兰盘和第二法兰盘，将锥段、锥段延长段、防烧蚀环以及发射管身连接为一体。

35、本发明的有益效果是：

36、(1)本发明的用于二级轻气炮的动态自密封防烧蚀装置，通过在锥段与发射管身之间增加防烧蚀环，且该防烧蚀环内周面包括一段左大右小的圆台侧面；同时，防烧蚀环的左、右端在结构设计上均通过插套的方式分别与锥段、发射管身连接，且连接部位设置有多种规格的o型圈槽，槽内分别设置对应规格的o型圈；运行时，将锥段内抽真空，通过连接部位设置的o型圈与隔离膜片共同作用，自然形成密封环境，提供良好的密封性，进而使防烧蚀环与锥段压紧，达到动态自密封效果；在超高速撞击过程中，弹丸通过高压推动到达锥段，击穿隔离膜片时，产生大量高温气体，由于隔离膜片及防烧蚀环内周面中左大右小的圆台侧面的结构特点，将直接冲入发射管身的高温高压气体进行过渡，使作用在弹体底部和发射管口部的温度有较大幅度降低，可有效阻拦火焰及高温气体进入发射管身，防止发射过程中产生的热烧蚀及化学烧蚀，达到防烧蚀目的，可以在确保实验所需的良好密封性的前提下，有效延长发射管身的使用寿命，为发射管身的服役时间延长提供了必要保障；另外，本发明的用于二级轻气炮的动态自密封防烧蚀装置，主要是通过防烧蚀环的结构设计达到防烧蚀的功能，而非依赖于材料的改变，因而其成本较低；因此，本发明解决了现有单纯地采用优化发射管身材料方案抑制烧蚀磨损时，其成本高、在多次试验过程中延长发射管身使用寿命的效果有限，以及采用传统防烧蚀密封环方案抑制烧蚀磨损时，其不仅成本高，并且无法确保装置使用过程中的密封性能，影响气体炮的发射能力；两个现有方案均难以实现在轻气炮试验中确保装置满足实验所需的良好密封性的前提下，有效地防止高温高压气体对发射管身造成烧蚀磨损，进而有效延长发射管身使用寿命的技术问题。

37、(2)本发明的用于二级轻气炮的动态自密封防烧蚀装置，优选地在锥段与防烧蚀环之间设置有锥段延长段，通过锥段延长段和防烧蚀环共同延长了锥段部分长度，可以有效阻挡高温高压气体及火焰进入发射管身内部，直接避免造成烧蚀磨损，为延长发射管身的服役时间提供了保障；并且本发明中通过各零部件之间连接部位的结构设计和密封设计，保证炮身整体具有良好密封性，满足超高速撞击时所需要的高压环境，进而可以保证气体炮的发射能力。

38、(3)本发明的用于二级轻气炮的动态自密封防烧蚀装置，制造工艺简单、加工更换方便、抗烧蚀能力强、状态稳定、不易变形、并且密封性良好。

39、(4)本发明的用于二级轻气炮的动态自密封防烧蚀装置，通过分层结构优化设计直接对高温气体进行隔绝，以避免烧蚀磨损，可有效兼顾防烧蚀和实验中需要的良好密封性，满足超高速撞击时所需要的高压环境，可以保证气体炮的发射能力，并有效延长发射管身的服役时间。

40、(5)本发明中提出了采用防烧蚀环和密封圈降低高温高压应力损伤炮身的思路，在该思路的基础上，设计了一种用于二级轻气炮的动态自密封防烧蚀装置；该用于二级轻气炮的动态自密封防烧蚀装置，能够降低炮身承受的高温高压应力作用，并且其结构分明、便于加工，具有良好的通用性和可扩展性。