Газовая пушка - Light-gas gun

Легкий газовый пистолет в Университете Райса . Используя газообразный водород и приведенный в действие патроном дробовика , он развивает скорость 7 км / с. Используется при разработке щита космического гамма-телескопа Ферми .

Газовая пушка представляет собой устройство для физических экспериментов. Это узкоспециализированное ружье, предназначенное для создания чрезвычайно высоких скоростей. Это, как правило , используется для изучения высокоскоростных явлений воздействия ( гиперскорости исследований), таких как формирование ударных кратеров по метеоритам или эрозия материалов по микрометеорным . Некоторые фундаментальные исследования материалов полагаются на удар снаряда для создания высокого давления; такие системы способны переводить жидкий водород в металлическое состояние .

Операция

Легкое газовое ружье работает по тому же принципу, что и пневматическое ружье с пружинным поршнем . 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 пороха ), а рабочая жидкость - более легкий газ, такой как гелий или водород (хотя с гелием гораздо безопаснее работать, водород обеспечивает наилучшие характеристики [ как объяснено 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 газовой пушки
1 - казенная часть
2 - камера
3 - метательный заряд (порох)
4 - поршень
5 - насосная трубка
6 - легкий газ (гелий или водород)
7 - разрывной диск
8 - муфта высокого давления
9 - снаряд
10 - Ствол пистолета

В одном конкретном газовом пистолете, используемом НАСА, в качестве источника энергии используется модифицированная 40-мм пушка. Пушка использует порох, чтобы продвигать пластиковый (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 газовые пушки с размерами пусковых труб от 0,170 дюйма (4,3 мм) до 1,5 дюйма (38 мм) в Исследовательском центре Эймса . Опасные испытания проводятся на испытательном полигоне White Sands . Эти пушки использовались для поддержки различных миссий, начиная с исследований по возвращению в атмосферу по программе Apollo в 1960-х годах и совсем недавно для высокоскоростного тепловидения. Может быть достигнута скорость от 1 км / с 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 гиперскоростном баллистическом полигоне базы ВВС Арнольд .

База Арнольд Air Force «s Range-G является„крупнейшим обычно работают два этапа, светло-газовый пистолет системы в Соединенных Штатах“. 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). Основное использование средств стрельбища на базе ВВС Арнольд - измерение высвобождаемой кинетической энергии при ударе снаряда.

Физика дизайна

Начальная скорость пневматического ружья , огнестрельного оружия или легкого газового ружья ограничена, но не ограничена, скоростью звука в рабочей жидкости - воздухе, горящем порохе или легком газе. 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 , которая определяет скорость звука, обеспечивает более подробный анализ с точки зрения частиц газа, составляющих рабочую жидкость. Кинетическая теория показывает, что скорость частиц газа распределена по Максвеллу-Больцмана , причем скорость значительной части частиц превышает скорость звука в газе. Эта часть газа может продолжать оказывать давление и, следовательно, ускорять снаряд 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 адиабатического нагрева ; 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.

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 газовой пушки, поражает 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 и 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 взаимосвязь с приложенным ударным давлением как функцией времени. С материалами в широком диапазоне плотностей (от вольфрамового порошка до стеклянных микросфер ), нанесенных тонкими слоями, тщательно изготовленные снаряды можно использовать в экспериментах с постоянным давлением или даже в контролируемых последовательностях сжатия-расширения-сжатия.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "Удаленный испытательный центр гиперскорости" . НАСА . 2014-07-31. Архивировано из оригинала на 2014-07-30.
  2. ^ a b «Средство дальности действия на гиперскоростях» . База ВВС Арнольд. 2008-12-11. Архивировано из оригинала на 2013-03-18.
  3. ^ US 5429030  Гибридная электротермическая легкая газовая пушка и метод
  4. ↑ Гибридная электротермическая газовая пушка и метод , Патент США 5 429 030 Тидман 4 июля 1995 г.

Внешние ссылки