Газовая пушка - Light-gas gun - Wikipedia

Легкая газовая пушка на Университет Райса. Использование газообразного водорода и питание от патрон для дробовика, он достигает скорости 7 км / с. Используется при разработке Гамма-телескоп большой площади щит.

В газовая пушка аппарат для физических экспериментов. Это узкоспециализированное ружье, предназначенное для создания чрезвычайно высоких скоростей. Обычно его используют для изучения скоростных ударные явления (гиперскорость исследования), например, формирование ударные кратеры к метеориты или эрозия материалов микрометеороиды. Некоторые фундаментальные исследования материалов полагаются на удар снаряда для создания высокого давления; такие системы способны заставить жидкий водород в металлическое состояние.[нужна цитата ]

Операция

Газовая пушка работает по тому же принципу, что и пружинно-поршневой пневматический пистолет. Поршень большого диаметра используется для нагнетания газообразной рабочей жидкости через ствол меньшего диаметра, в котором находится снаряд для ускорения. Это уменьшение диаметра действует как рычаг, увеличивая скорость при уменьшении давления. В пневматическом оружии большой поршень приводится в движение пружиной или сжатым воздухом, а рабочая жидкость - атмосферный воздух.

В газовой пушке поршень приводится в действие за счет химической реакции (обычно порох ), а рабочая жидкость - более легкий газ, например гелий или же водород (хотя с гелием намного безопаснее работать, водород обеспечивает наилучшие характеристики [как описано ниже] и вызывает меньшую эрозию пусковой трубы). Одно из дополнений, которое газовая пушка добавляет к пневматическому пистолету, - это разрывной диск, который представляет собой диск (обычно металлический) тщательно откалиброванной толщины, предназначенный для работы в качестве клапана. Когда давление за диском достигает желаемого уровня, диск разрывается, позволяя легкому газу под высоким давлением проходить в ствол. Это гарантирует, что максимальное количество энергии доступно, когда снаряд начинает двигаться.

Схема светогазовой пушки
1 - казенная часть
2 - Камера
3 - Метательный заряд (порох)
4 - поршень
5 - Трубка насоса
6 - Легкий газ (гелий или водород)
7 - разрывной диск
8 - Муфта высокого давления
9 - Снаряд
10 - Ствол пистолета

Одна конкретная газовая пушка, используемая НАСА для мощности используется модифицированная 40-мм пушка. Пушка использует порох, чтобы запустить пластик (обычно HDPE ) поршень вниз по стволу пушки, который заполнен газообразным водородом под высоким давлением. На конце ствола пушки находится коническая секция, ведущая к 5-мм стволу, по которому стреляет снаряд. В этом коническом сечении находится диск из нержавеющей стали толщиной примерно 2 мм с насечкой в ​​виде буквы «x» на поверхности посередине. Когда водород создает давление, достаточное для разрыва зазубренной части диска, водород течет через отверстие и разгоняет снаряд до скорости 6 км / с (22000 км / ч) на расстоянии около метра.

НАСА также использует легкие газовые пушки с размерами пусковых труб от 0,170 дюйма (4,3 мм) до 1,5 дюйма (38 мм) при Исследовательский центр Эймса. Опасные испытания[1] проводится в Испытательная лаборатория Белых Песков. Эти орудия использовались для поддержки различных миссий, начиная с Программа Аполлон повторные исследования в 1960-х годах и совсем недавно для высокоскоростной тепловизии. Может быть достигнута скорость от 1 до 8,5 км / с. Самый большой из них включает поршень диаметром 6,25 дюйма (159 мм) и весом более 46 фунтов (21 кг) для сжатия водорода.

Две легкие газовые пушки на База ВВС Арнольд дальности баллистики на гиперскоростях.

База ВВС Арнольд с Диапазон-G является «крупнейшей двухступенчатой ​​системой газовой пушки в США».[2] В Range-G используются сменные пусковые трубы с диаметром отверстия от 3,3 дюйма (84 мм) до 8,0 дюймов (200 мм) с 14-дюймовым (360 мм) поршнем и весом до 2300 фунтов (1000 кг). Скорость снаряда может достигать 4,5 км в секунду (16 000 км / ч) для конфигурации 8,0 дюйма (200 мм) и 7 км в секунду (25 000 км / ч) для конфигурации пусковой установки 3,3 дюйма (84 мм).[2] Основное использование средств стрельбища на базе ВВС Арнольд - измерение высвобождаемой кинетической энергии при ударе снаряда.

Физика дизайна

Начальная скорость снаряда пневматическое ружье, огнестрельное оружие, или легкий газовый пистолет ограничивается, но не ограничивается скорость звука в рабочем теле - воздух, горящий порох или легкий газ. Термодинамика обеспечивает простой приближенный расчетный подход с точностью до скорости звука: снаряд ускоряется за счет разницы давлений между его концами, и поскольку такая волна давления не может распространяться быстрее скорости звука в среде, термодинамический анализ предполагает что начальная скорость ограничена скоростью звука. Однако, помимо скорости звука, кинетическая теория газов, который определяет скорость звука, обеспечивает более подробный анализ частиц газа, составляющих рабочую жидкость. Кинетическая теория показывает, что скорость частиц газа равна Распределенный Максвелла-Больцмана, со скоростью большей части частиц, превышающей скорость звука в газе. Эта часть газа может продолжать оказывать давление на снаряд и, следовательно, ускорять его сверх скорости звука в уменьшающихся количествах по мере увеличения скорости снаряда.

Скорость звука в гелии примерно в три раза больше, чем в воздухе, а в водороде в 3,8 раза больше, чем в воздухе. Скорость звука также увеличивается с температурой жидкости (но не зависит от давления), поэтому тепло, образующееся при сжатии рабочего тела, служит для увеличения максимально возможной скорости. Пружинно-поршневые пневматические пистолеты повышают температуру воздуха в камере за счет адиабатический нагрев; это увеличивает локальную скорость звука в достаточной степени, чтобы преодолеть фрикционные и другие потери эффективности и продвигать снаряд со скоростью, превышающей скорость звука в окружающих условиях.

Гибридная электротермическая светогазовая пушка

Гибридная электротермическая газовая пушка работает по тем же принципам, что и стандартная газовая пушка, но добавляет электрическую дугу для нагрева легкого газа до более высокой температуры и давления, чем только поршень. Дуга возникает в камере, содержащей легкий газ, повышая температуру и давление до точки, при которой газ разрушает разрывную мембрану и воспламеняет пропеллент за поршнем, который перфорирован для воспламенения. В результате комбинация электрического нагрева и сжатия поршня обеспечивает более высокое давление и температуру, что приводит к большей мощности и более высокой потенциальной скорости, чем у стандартной газовой пушки.[3][4]

Профиль воздействия

В этом испытании оружия с кинетической энергией семиграммовый снаряд Lexan был выпущен из газовой пушки со скоростью 23000 футов в секунду (7000 м / с; 16000 миль в час) по литому алюминиевому блоку.

Когда снаряд, выпущенный из легкого газового пистолета, поражает свою цель, прикладываемое давление зависит от массы снаряда и площади поверхности или поперечного сечения, по которому распределяется сила удара. Поскольку запускаемые с воздуха снаряды испытывают трение с молекулами воздуха, сопротивление увеличивается пропорционально увеличению площади поверхности снаряда, что приводит к более медленным скоростям, чем больше площадь поверхности снаряда. Таким образом, плотный а узкий снаряд в целом будет оказывать большее давление, чем легкий и широкий. Рассматривая снаряды с постоянным поперечным сечением, исследователи недавно начали изменять плотность снарядов в зависимости от длины. Поскольку снаряды летят с известной скоростью, изменения плотности в зависимости от длины имеют предсказуемую связь с прикладываемым ударным давлением как функцией времени. С материалами различной плотности (от вольфрам порошок для стеклянные микросферы ), нанесенные тонкими слоями, тщательно изготовленные снаряды можно использовать в экспериментах с постоянным давлением или даже в контролируемых последовательностях сжатия-расширения-сжатия.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Дистанционная гиперскоростная испытательная установка». НАСА. 2014-07-31. Архивировано из оригинал на 2014-07-30.
  2. ^ а б «Средство гиперскоростного диапазона». База ВВС Арнольд. 2008-12-11. Архивировано из оригинал 18 марта 2013 г.
  3. ^ США 5429030  Гибридная электротермическая легкая газовая пушка и способ
  4. ^ Гибридная электротермическая светогазовая пушка и способ, Патент США 5 429 030 Тидман 4 июля 1995 г.

внешняя ссылка