破片发射装置及基于该发射装置发射破片的方法

摘要

本发明公开一种破片发射装置，缸体的两个端口分别被对应的左封口板和右封口板封住，左封口板上开有与缸体内腔相通的进气口和点火口，其中进气口的外部接有一根进气管道，点火口中装有点火装置；右封口板上开有一个左小右大的两阶式阶梯孔，该阶梯孔的大孔径段装有一个薄铝片，发射管呈水平设置，发射管的左部与右封口板阶梯孔的大孔径段螺纹连接，且发射管的左端将所述薄铝片压紧。本发明通过可燃气体燃烧产生的高压气体来冲破所述薄铝片，然后推动破片射出发射管，以便进一步进行爆炸损伤实验，且本发明结构简单、紧凑，重量较轻，易实现便携，并能很好地满足发射破片的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种破片发射装置，该装置能够发射破片，并通过该 破片模拟爆炸时产生的破片，以便进一步进行爆炸损伤实验。

背景技术

在爆炸损伤实验中，常常需要模拟爆炸时产生的破片，而目前尚无 办法满足上述需求，为此急需解决这个技术难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一在于提供一种破片发射装置，欲 发射破片。

本发明的技术方案如下：

一种破片发射装置，其特征在于：包括缸体（1）和发射管（7）， 其中缸体（1）的两个端口分别被对应的左封口板（2）和右封口板（3） 封住，其中：所述左封口板（2）上开有与缸体（1）内腔相通的进气 口（2a）和点火口（2b），其中进气口（2a）的外部接有一根进气管 道（4），所述点火口（2b）中装有点火装置（5）；

所述右封口板（3）上开有一个左小右大的两阶式阶梯孔，该阶 梯孔的大孔径段装有一个薄铝片（6），所述发射管（7）呈水平设置， 该发射管（7）的左部与右封口板（3）阶梯孔的大孔径段螺纹连接， 且发射管（7）的左端将所述薄铝片（6）压紧。

采用以上技术方案，本发明通过进气管道（4）向缸体（1）的内 腔注入可燃气体和空气，然后通过点火装置（5）将注入的混合气体 点燃；上述混合气体燃烧时产生高压气体，并通过高压气体冲破所述 薄铝片（6），然后推动破片射出发射管（7），以便进一步进行爆炸损 伤实验。

综上所述，本发明通过可燃气体燃烧产生的高压气体来冲破所述 薄铝片（6），然后推动破片射出发射管（7），以便进一步进行爆炸损 伤实验，且本发明结构简单、紧凑，重量较轻，易实现便携，并能很 好地满足发射破片的要求，保证爆炸损伤实验的顺利进行。

在本发明中，所述点火装置（5）优选为电火花塞。

作为优选，所述左封口板（2）和右封口板（3）由一组拉紧螺栓 （8）连接在一起。

本发明所要解决的技术问题之二在于提供一种基于破片发射装 置发射破片的方法，其步骤在于：

a、采用权利要求3所述的破片发射装置，先在所述发射管（7） 内放置破片；

b、通过进气管道（4）向缸体（1）的内腔中注入可燃气体和空 气；

c、通过点火装置（5）点燃混合气体，混合气体燃烧时产生高压 气体，并通过高压气体冲破所述薄铝片（6），然后推动破片射出发射 管（7）。

采用本方法，可以通过破片发射装置来发射破片，以便进一步进 行爆炸损伤试验。

有益效果：本发明通过可燃气体燃烧产生的高压气体来冲破所述 薄铝片（6），然后推动破片射出发射管（7），以便进一步进行爆炸损 伤实验，且本发明结构简单、紧凑，重量较轻，易实现便携，并能很 好地满足发射破片的要求，保证爆炸损伤实验的顺利进行。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，一种破片发射装置，主要由缸体1、左封口板2、 右封口板3、进气管道4、点火装置5、薄铝片6和发射管7构成。 其中，所述缸体1的左端口被左封口板2封住，该缸体1的右端口被 左封口板2封住。并且，上述左封口板2和右封口板3由一组拉紧螺 栓8连接在一起，该拉紧螺栓8与所述缸体1的轴心线平行，且拉紧 螺栓8的数目至少为四根，在本实施例中为六根。

所述左封口板2上开有进气口2a和点火口2b，这两个口子均与 所述缸体1的内腔相通。其中，所述进气口2a的外部接有一根进气 管道4，使用时可通过该进气管道4向缸体1的内腔注入可燃气体和 空气。所述点火口2b中装有点火装置5，该点火装置5的作用是点 燃混合气体，且点火装置5优选为电火花塞，但也可以根据需要采用 其他结构，如底火加撞针的结构形式。

从图1可看出，所述右封口板3上开有一个左小右大的两阶式阶 梯孔，该阶梯孔的大孔径段装有一个薄铝片6。所述发射管7呈水平 设置，该发射管7的左部与右封口板3阶梯孔的大孔径段螺纹连接， 且发射管7的左端将所述薄铝片6压紧。使用时，可在发射管7中装 破片，该破片的直径与发射管7的内径相适应。

本发明所要解决的技术问题之二在于提供一种基于破片发射装 置发射破片的方法，其步骤在于：

a、采用权利要求3所述的破片发射装置，先在所述发射管7内 放置破片；

b、通过进气管道4向缸体1的内腔中注入可燃气体和空气；

c、通过点火装置5点燃混合气体，混合气体燃烧时产生高压气 体，并通过高压气体冲破所述薄铝片6，然后推动破片射出发射管7。

在本发明中，破片的发射速度与充入可燃气体有密切关系，具体 如下：

（A）缸体峰值气压的计算

根据气体状态方程PV=nRT和燃烧前后理论气体体积不变（水以 汽态方式存在）的定律，可燃性气态完全燃烧后（足量氧气），固定 体积缸体内压力有关系式：

$\frac{P1}{T1}=\frac{P2}{T2}---\left(1\right)$

式中P1为燃烧前的压力，T1为燃烧前的温度，P2为燃烧后的压 力，T2为燃烧后的温度，

则压力值为：

$P2=\frac{P1}{T1}T2---\left(2\right)$

在实验室进行实验时，缸体内气体燃烧前T1为室温，为298k （25℃），T2可根据可燃性气体燃烧产生的热量进行计算，其理论依 据如下：

化学反应中，在参加反应的物质发生化学变化的同时，反应系统 和外界之间还有功和热的交换，根据热力学第一定律，化学反应过程 中能量转化的关系可表示为

Q=(Up-Ur)+W   （3）

式中Q为化学反应过程中反应系统和外界交换的热量，成为反应热； W为反应系统对外所做功的总和；Up为生成物的内能，Ur为反应物 的内能。

若反应过程中系统的容积保持不变，则系统和外界没有功的交换， 则反应过程中的能量转换关系式可表示为：

Q=Up-Ur   （4）

在绝热条件下进行的定容燃烧过程，Q=0，即可得到

Up=Ur   （5）

也就是说，在绝热条件下进行定容燃烧时，随着系统中反应物本 身发生化学变化而全部转变成生成物，反应物的内能也全部转变成生 成物的内能。根据内能和温度的关系，就可以按照生成物的内能和数 值，确定固定容积缸体内气体燃烧的理论燃烧温度，进而计算出缸体 内的压力峰值。

（B）计算

根据牛顿运动定律，破片的发射速度可通过以下公式进行计算

$v=\sqrt{2\mathrm{as}}---\left(6\right)$

公式中v为破片抛射速度（单位：m/s），a为破片加速度（单位： m/s²），s为加速距离，此处指发射管（7）长度l。加速度a可通过下 式进行计算，

$a=\frac{F}{m}=\frac{\mathrm{PS}}{m}---\left(7\right)$

式中P为缸体内压力（单位：Pa），S为发射管内径面积（单位： m²），m为破片质量（单位：kg），将公式（6）代入公式（7），有

$v=\sqrt{2\frac{\mathrm{PS}}{m}l}---\left(8\right)$

公式中v为破片抛射速度（单位：m/s），l为图1中发射管的长 度（单位：m）。

实施例一

当往缸体1内注入甲烷时：

甲烷燃烧CH₄+2O₂=2H₂O（气态）+CO₂

根据定容—绝热方程，由公式（5），则有：

H_P+P_RV=H_R+P_RV

H_P=H_R+（V_P-V_R）P=H_R+（n_P-n_R）R_mT

n_P和n_R为气态物质的千摩尔数，R_m为通用气态常数。

当H₂O以气态形态存在时，n_R=n_P，则H_P=H_R。

甲烷燃烧的化学方程式可得：

H_R=（H_CH4）₂₉₈=(h⁰_f)CH₄

查表得甲烷的生成焓为

(h⁰_f)CH₄=-75850kJ/kmol

于是得到反应物的焓为

H_R=-75850kJ/kmol

按化学反应方程式有：

H_P=2（h⁰_f+△h）_H2O+（h⁰_f+△h）_CO2   （a）

查表得CO₂和H₂O的生成焓为：

（h⁰_f）_H2O=-393520kJ/kmol

（h⁰_f）_CO2=-241810kJ/kmol

为求取理论燃烧温度和标态温度（25⁰_C）之间CO₂与H₂O焓的变 化，假设理论燃烧温度为840K，查表得：

（△h）_H2O=24887kJ/kmol

（△h）_CO2=19550kJ/kmol

带入生成物的焓的关系式（a）得：

H_P=-813153kJ

低于H_R，需再进行迭代。再假设燃烧温度为T=3000K，查表得

（△h）_H2O=152862kJ/kmol

（△h）_CO2=126364kJ/kmol

带入生成物的焓的关系式（a）得：

H_P=-471550kJ

按照假设计算结果，所得的H_P仍然低于H_R。后续计算可根据前 述两次假定值按线性关系，最综计算出其理论燃烧温度为：T=5481K。 将此理论值带入公式（2），有

$P2=\frac{P1}{T1}T2=\frac{5481}{298}P1$

压力伸高比

$\frac{P2}{P1}=18$

因此，若燃烧气体选用甲烷，则缸内气体的气压峰值将达到燃烧 前气压的18倍。

则破片速度由公式（8）进行计算

$v=\sqrt{2\frac{{18P}_{0}S}{m}}1$

公式中v为破片抛射速度（单位：m/s），P₀为缸体内压力（单 位：Pa），且P₀=P1，S为发射管内径面积（单位：m²），m为破片质 量（单位：kg），l为图1中发射管的长度（单位：m）。

实施例二

当往缸体1内注入丙烷时：

丙烷燃烧C₃H₈+5O₂=4H₂O（气态）+3CO₂

根据定容—绝热方程，由公式（5），则有：

H_P+P_RV=H_R+P_RV

H_P=H_R+（V_P-V_R）P=H_R+（n_P-n_R）R_mT

n_P和n_R为气态物质的千摩尔数，R_m为通用气态常数， 8.37kJ/kmol.K。

当H₂O以气态形态存在时，1+n_R=n_P，则H_P=R_mT+H_R。

查表得丙烷的生成焓为

(h⁰_f)C₃H₈=-104000kJ/kmol

于是得到反应物的焓为

H_R=R_mT-104000=8.37×293-104000=-101506kJ/kmol

按化学反应方程式有：

H_P=4（h⁰_f+△h）_H2O+3（h⁰_f+△h）_CO2   （b）

查表得CO₂和H₂O的生成焓为：

（h⁰_f）_H2O=-393520kJ/kmol

（h⁰_f）_CO2=-241810kJ/kmol

为求取理论燃烧温度和标态温度（25⁰_C）之间CO₂与H₂O焓的变 化，假设理论燃烧温度为840K，查表得：

（△h）_H2O=24887kJ/kmol

（△h）_CO2=19550kJ/kmol

带入生成物的焓的关系式（b）得：

H_P=-2141312kJ

低于H_R，需再进行迭代。再假设燃烧温度为T=3000K，查表得

（△h）_H2O=152862kJ/kmol

（△h）_CO2=126364kJ/kmol

带入生成物的焓的关系式（b）得：

H_P=-1308970kJ

按照假设计算结果，所得的H_P仍然低于H_R。后续计算可根据前 述两次假定值按线性关系，计算出其理论燃烧温度为：T=6138K。将 此理论值带入公式（2），有

$P2=\frac{P1}{T1}T2=\frac{6138}{298}P1$

压力伸高比

$\frac{P2}{P1}=21$

因此，若燃烧气体选用丙烷，则缸内气体的气压峰值将达到燃烧 前气压的21倍。

则破片速度由公式（8）进行计算

$v=\sqrt{2\frac{{21P}_{0}S}{m}}l$

公式中v为破片抛射速度（单位：m/s），P₀为缸体内压力（单位： Pa），且P₀=P1，S为发射管内径面积（单位：m²），m为破片质量（单 位：kg），l为图1中发射管的长度（单位：m）。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制， 凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。