 | Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . ( май 2013 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
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 . [ необходима цитата ]
Операция [ править ]
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, например 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.
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 по стволу пушки, который заполнен газообразным водородом под высоким давлением. В 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 [1] проводятся на полигоне White Sands . Эти орудия 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 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.
База Арнольд Air Force «s Range-G является„крупнейшим обычно работают два этапа, светло-газовый пистолет системы в Соединенных Штатах“. [2] Range-G использует 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 [ править ]
Начальная скорость пневматического оружия , 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, который определяет скорость звука, обеспечивает более подробный анализ 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 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 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 легкогазовая пушка [ править ]
Гибридная электротермическая газовая пушка работает по аналогичным принципам стандартной газовой пушки, 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 [ править ]
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, плотныйа 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 в широком диапазоне плотностей (от вольфрамового порошка до стеклянных микросфер ), наносимых тонкими слоями, тщательно изготовленные снаряды можно использовать в экспериментах с постоянным давлением или даже в контролируемых последовательностях сжатия-расширения-сжатия.
См. Также [ править ]
- Легко-газовая пушка горения , высокоскоростная пушка, использующая сгорающий газ в качестве топлива.
- Ускоритель Ram , высокоскоростное орудие, использующее разные принципы для достижения одинаковых скоростей снарядов.
- Ударная труба , инструмент, используемый для демонстрации свойств газов с очень высокой скоростью.
- Компрессор Войтенко , устройство, приводимое в действие кумулятивным зарядом, которое использует газообразный водород для ускорения тонких дисков примерно до 40 км / с.
- Проект сверхвысоких исследований
- Космическая пушка
Ссылки [ править ]
- ^ "Удаленный испытательный центр гиперскорости" . НАСА . 2014-07-31. Архивировано из оригинала на 2014-07-30.
- ^ a b «Средство дальности действия на гиперскоростях» . База ВВС Арнольд. 2008-12-11. Архивировано из оригинала на 2013-03-18.
- ^ US 5429030 Гибридный электротермический легкий газовый пистолет и метод
- ↑ Гибридная электротермическая газовая пушка и метод , Патент США 5 429 030 Тидман 4 июля 1995 г.
Внешние ссылки [ править ]
- Газовая пушка Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса
- QuickLaunch, также известный как TekLaunch, планирует коммерциализировать 1-километровую водородную пушку для вывода топлива на низкую околоземную орбиту
- Тестовый секвенсор и высокоскоростной контроллер камеры с реакцией в реальном времени на сверхскоростные события и возможностью прогнозирования запуска
