数值评估轻瓦斯枪设施的冲击试验gydF4y2Ba

文摘gydF4y2Ba

实验测试与应用条件可以用来正确地评估材料为特定的应用程序。高速度的影响可以用轻的气体模拟枪设施,也有不同的类型和复杂性。在这个工作的不同设置数值分析了单程轻瓦斯枪设施为了评估他们是否适合测试材料和复合材料用作装甲保护。最大桶6米的长度和最大储层压力的标准工业气瓶(20 MPa)被选为局限性。数值预测表明:不可能加速弹丸直接所需的速度和氮,氦、氢作为推进剂。当使用一个木鞋对应更高的内径,必要的速度与氦和氢气体是可以实现的。gydF4y2Ba

1。介绍gydF4y2Ba

材料属性的知识参与影响情况是至关重要的在不同的技术领域,以保证安全操作。为了评估损伤对材料和系统的影响,需要特定的设备工具。实验轻瓦斯枪应该以类似的方式经营传统的枪粉。的主要区别是由手段实现必要的压力,加速弹丸。作为一个传统的枪利用推进剂的燃烧,轻瓦斯枪操作与压缩气体储层(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

瓦斯枪设施可以应用于模拟一系列不同的情况,不同的枪本身的特点。很明显,因为他们的系统是来自传统的枪支,轻瓦斯枪可以用来模拟不同大小和能量弹道的影响。常见的类型的轻瓦斯枪是单程轻瓦斯枪,二级轻气炮,冲击隧道或激波管。单程轻瓦斯枪在设计非常简单,仅仅是一个蓄压器加速弹丸通过桶到目标上。更复杂的两级枪是基于单程枪,但此外第二阶段压缩,压力罐的压力增加,例如,通过燃烧,加热,或自由活塞压缩在一个额外的管装在桶(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba]。冲击激波管隧道或不同,因为他们并不发射炮弹只产生一个气体冲击波对一个目标(gydF4y2Ba3gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

轻的气体枪支是用来测试材料和复合材料的可能的应用程序作为铠甲,人员和车辆。规模较小,可以模拟一块石头的影响驾驶车辆加速速度或冰岩的飞机旅行。另一个可能的应用程序来测试航天器组件或材料的适用性用于这样一个任务。有一个日益增长的威胁航天器的微流星体和人造太空碎片的影响。据估计,200公斤的流星体质量存在于地球表面的2000公里的距离;它的大部分都是0.1毫米微流星体。此外,在相同的距离绕着地球转,有300公斤的轨道碎片直径小于1毫米。这些粒子很小,但他们可以找到随同10到20 km / s相对速度轨道航天器(gydF4y2Ba4gydF4y2Ba]。保护飞船和宇航员对结果的影响在这些极高的速度,有必要测试与那些危险[屏蔽系统建模gydF4y2Ba5gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

极高的速度威胁在实验室可以使用两级轻瓦斯枪模拟系统(gydF4y2Ba7gydF4y2Ba]。为一个强大的两级枪的一个例子是显示在图中gydF4y2Ba1gydF4y2Ba。此工具加速直径为80毫米的炮弹,最大速度为1.2公里/秒使用一个8桶和一个28.5 dm³毒气室[gydF4y2Ba8gydF4y2Ba]。轻的气体枪支保持唯一的设备能够加速弹丸的初速不同形状和质量的11公里/秒(gydF4y2Ba9gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

也可以进行测试与轻瓦斯枪设备复制和直接爆炸波在隧道测试样本或传感器的冲击。这允许模拟爆炸及其影响。它也可以用来检查气动流范围广泛的温度和压力下,研究可压缩流现象和气相燃烧反应。在最近的一个方法中,生物标本受到冲击管为了研究它们是如何影响爆炸波(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba11gydF4y2Ba]。冲击隧道如图gydF4y2Ba2gydF4y2Ba(gydF4y2Ba12gydF4y2Ba]。例如,使用模拟航天器的再入到大气中。gydF4y2Ba

替代方式提高初速气藏应用更高的压力,增加了筒长度,或加热驱动气体,例如,通过燃烧、电弧加热,或爆炸(gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]。尽管如此,仍有可实现的弹丸速度限制,作为推进剂的物理性质,工程性质的设施承受的压力和温度,和弹体本身的属性不被加速度力或底部的压力。木鞋系统这是一个特定的功能,使用一个轻量级的载体结构弹为了增加直径没有添加太多的质量,这是有点问题。有进一步的方法克服这些问题,例如,建立多级的设施,比如近藤et al。的三级轻瓦斯枪(gydF4y2Ba14gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

如文献所示(gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,gydF4y2Ba16gydF4y2Ba),不同的冲击速度将导致不同的损伤反应,即使影响身体的动能是相等的。此外,当弹道保护应用程序的测试材料,打败威胁包括破坏的力学部分弹(gydF4y2Ba17gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba19gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

在这种情况下,这项工作的目的是评估的可能性和局限性构建一个简单的单程轻瓦斯枪来测试材料耐冲击。为此,可实现的枪口速度与不同的驱动气体,储层压力,和桶长度计算和分析。轻瓦斯枪冲击试验设施必须定制的特定应用程序,可能意味着高昂的建设和维护成本。因此,这项工作的主要范围是先提供一个方法来设计一个系统利用一个7.62毫米弹质量9.6克,以选择最佳的条件建立一个实验系统构建下一个步骤。gydF4y2Ba

2。理论背景gydF4y2Ba

用轻瓦斯枪设施的目的是加速弹丸所需的速度,也就是说,炮口速度。加速度gydF4y2Ba产生抛射体是由它的质量gydF4y2Ba,驱动气体压力gydF4y2Ba,和横截面积显示在以下方程:gydF4y2Ba 西格尔(gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba)表明,一个现实的估计的初速可以通过假设气藏是一个无限长管直径相同的桶从而忽略了反射和折射波的气藏。这样相关的推进压力可以弹速度gydF4y2Ba由以下方程:gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2Ba是初始压力;gydF4y2Ba比热容的比例吗gydF4y2Ba分别在恒压下和恒定体积;和gydF4y2Ba是声音的速度驱动气体。gydF4y2Ba

减少推动气体的分子质量可以提高弹丸初速。这样做的原因是,气体必须加速弹丸。因此,分子质量的减少导致增加声音的速度和更高的初速。这是因为气体本身必须加速以同样的方式作为声波就兴奋不已。气体的分子质量越高,越低声速和可实现的初速越低。另一个因素必须考虑为了估计初速的压力面前建立弹丸的气氛。这种压力可以由以下方程描述gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba]:gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2Ba是前面的压力,建立弹;gydF4y2Ba前弹是初始压力,也就是说,通常大气压力;gydF4y2Ba的比例是气体的比热容的桶和目标,通常空气;和gydF4y2Ba是它的声速。gydF4y2Ba

此外,另一个因素减少弹丸的加速度是压力损失由于压力体积的增加;弹以来旅行的桶,驱动气体分布在更大的空间。这个关系可以表达的gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2Ba加压的体积面积在任何给定的时刻,gydF4y2Ba是初始体积储层的压力。gydF4y2Ba

插入(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba),(gydF4y2Ba3gydF4y2Ba)和(gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)可以计算弹丸速度和位移迭代在很短的间隔gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba22gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

3所示。实验设计gydF4y2Ba

一个简单的气压驱动的单程轻瓦斯枪设施基本上由一桶,气藏作为驱动力,把弹室,和一种机制来控制释放阀等,如图gydF4y2Ba3gydF4y2Ba。除了枪本身,有必要建立一个合适的目标框示例,这是由装甲壁可能强大到足以包含弹和破碎的碎片的影响。弹丸的速度和能量取决于外加电压以及驱动气体的性质、质量和大小的弹,筒的长度,水库的大小。gydF4y2Ba

根据筒长度,它可能是由一起加入几段。可以使用不同的系统,释放机制。可以使用一个电磁阀和隔膜,例如,一个薄铜箔的厚度使箔打破为达到所需的压力gydF4y2Ba23gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

气藏既可以是建立压力箱,装满气瓶或压缩机或可以直接气瓶本身。显然,在后者的情况下,气瓶不应大于必要避免增加天然气的使用。传感器和摄像机来记录实验数据也被放置在目标框(gydF4y2Ba24gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

弹道导弹威胁是由不同组织在不同分类水平取决于利用枪支和弹药的类型。最常见的分类是由美国司法部国家司法研究所(NIJ)。表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba显示了每个级别的炮弹的物理数据的保护测试的新的保护材料。全金属外壳(FMJ)是一个子弹组成的软芯包裹在金属壳的困难。这种类型存在不同形状的炮弹,例如,圆尖(RN)和塌鼻子的(FN)。夹套soft-point子弹(JSP)是一个领先扩大子弹与敞开的上衣,露出里面的铅,因此semijacketed轮的一个例子。法式辫上semijacketed个子弹孔(SJHP)是一个扩大的子弹,有坑或掏空了形状在其顶端扩张进入目标为了减少渗透和破坏更多的组织,因为它穿过目标。材料的炮弹威胁水平活动花絮,II, iii a和领导核心和大约90%的铜和10%的锌铜合金涂层;威胁等级III使用钢作为涂层。第四弹是一种特殊的军事水平穿甲圆铜合金涂层和钢弹芯(gydF4y2Ba6gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

4所示。结果与讨论gydF4y2Ba

节中给出的方程gydF4y2Ba2gydF4y2Ba速度,加速度和枪口已经计算在炮弹单程轻瓦斯枪设施考虑规范为第三级(即威胁。与9.6 g, FMJ弹丸质量和直径7.62毫米)。此外,气藏的最大可用压力被固定为20 MPa的压力标准工业气体瓶。结果下面的介绍和讨论。gydF4y2Ba

表gydF4y2Ba2gydF4y2Ba显示不同的可能的设置不同的桶长度,直径,驱动气体。水库的大小被设置为1升。很容易看到,hydrogen-driven炮弹达到更高的速度比氮或helium-driven。原因在于声音的速度不同的气体,如上所述。gydF4y2Ba各自设置的最大速度可以达到的,这是达到给定的辊身长度。如果长桶将应用,然后前面的背压弹将导致更高的减速比其余的水库和桶的压力,所以,炮口速度会降低甚至更长桶。gydF4y2Ba

最大可以达到的速度使用氦和氢水平三世就足够了,在氢的情况下,即使是对于IV级测试。然而,桶长度超过40米远非合理。除了空间之外,这些设施需要构建一个桶没有泄漏,完全平面和夷为平地,呈现这样的设计不适合服务所需的动力构造一个简单的组装。炮口速度的合理筒长度3米和6米如表所示gydF4y2Ba2gydF4y2Ba作为gydF4y2Ba和gydF4y2Ba值。因此,即使使用氢作为燃料气体和一个6米长桶不可能达到预期的初速847米/秒的第三级测试。gydF4y2Ba

表gydF4y2Ba3gydF4y2Ba显示的结果更大的气藏。虽然最大速度增加,他们有更长的桶。可实现的枪口速度与3 m和6桶不不同高度的大水库。更大的储层压力下降导致较慢的加速度,因此加速度力高于柜台长时间的压力。这样,3 m的初速增加桶和氮从378.51米/秒(1000厘米³)100%到382.31米/秒(2500厘米³)101%到384.07米/秒(5000厘米³101.5%)。增加是略高6米长桶,102%与2500厘米和5000厘米³³和102.5%。gydF4y2Ba

根据这些计算,有三个选项来实现所需的枪口速度。第一个选项是改变设计两级轻瓦斯枪工具。第二阶段将进一步提高气藏的压力,因此允许更高的枪口速度。另一种方法是直接使用更高的压力。在这种情况下压缩机必须雇佣作为设备的一部分,由于标准工业气瓶不提供更高的压力。第三个选择是采用木履弹丸的载体,从而增加加速物体的直径没有显著增加质量,作为Børvik et al。gydF4y2Ba25gydF4y2Ba)和Grosch插销(gydF4y2Ba7gydF4y2Ba]。在这种情况下,假设木鞋的质量5 g和10 g增加设施40毫米,内径的计算如表所示gydF4y2Ba4gydF4y2Ba。在这种情况下,质量性能主要取决于木履。只在两种情况下,与氢驱动气体速度可以达到第三级测试。gydF4y2Ba

由于内径的增加,储层的1000厘米³相当小,因为压力下的绝对体积面积增加每次旅行距离单位快得多。gydF4y2Ba

表gydF4y2Ba4gydF4y2Ba显示了一个增加到108%、112%、115%,氮,氦和氢,分别考虑5 g木履,和109%,113%和116%和10 g 2500厘米³的木鞋和水库。此外,最佳的辊身长度达到最大的出口速度增加了。这样的配置可以达到847米/秒的速度为第三级测试使用氦气或氢气和5或10 g的木鞋。gydF4y2Ba

不过,不可能确定的选择价值木履直径40毫米是最优的。图gydF4y2Ba4gydF4y2Ba和表gydF4y2Ba5gydF4y2Ba显示的发展速度与不同的木鞋直径,木鞋质量被固定在10 g除了9.6 g的弹丸。可以看到,35毫米,直径30毫米的木屐似乎表现得更好当考虑氮推进剂。然而,与其他两个驱动气体的40毫米木履仍然达到更高的枪口速度与3 m或少桶长度。gydF4y2Ba

5。结论gydF4y2Ba

不同设置单程轻瓦斯枪设施已经数值分析以评估他们是否适合使用测试材料和复合材料NIJ III和IV装甲保护水平。最大桶6米的长度和最大储层压力的标准工业气瓶(20 MPa)被选为局限性。数值预测表明:不可能加速弹丸直接所需的速度和氮,氦、氢作为推进剂。当使用一个木鞋对应更高的内径,必要的速度与氦和氢气体是可以实现的。作为下一个步骤,一个简单的、低成本的设计轻瓦斯枪设施可能冲击试验的装甲保护材料建造的迹象后,这个数值评估。gydF4y2Ba

利益冲突gydF4y2Ba

作者宣称没有利益冲突有关的出版。gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

巴西资助机构斗篷和CNPq感激地承认。gydF4y2Ba

引用gydF4y2Ba

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