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艾因斯新蟲 (小有名氣)
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[交流]
在兩級輕氣槍中使用鉭襯層減少膛腐蝕和增加初速 已有1人參與
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介紹 艾姆斯0.5英寸兩級輕氣槍的操作是從粉末室中的粉末燃燒開始的�；钊ǔＪ且环N容易變形的塑料，例如聚乙烯，在泵管中被加速到0.8千米/秒的速度�；钊暗臍錃獗换钊蟠髩嚎s和加熱，壓力達(dá)到7000巴左右，溫度理想情況下高達(dá)3000 K。在壓縮周期的某個(gè)時(shí)刻，射彈后面的隔膜破裂，射彈開始沿槍管加速下落�；钊蜕鋸椫g高度壓縮和加熱的氫氣可以有大約4公里/秒的聲速，并可以將射彈加速到7 - 8公里/秒的速度。 注：艾姆斯0.5英寸輕氣槍相關(guān)尺寸（以厘米為單位）為內(nèi)徑或距粉末室盲端的距離，WG1–WG4表示用于測量活塞速度的須規(guī)。 炮膛腐蝕是兩級輕氣槍的一個(gè)嚴(yán)重問題。由于發(fā)射組件的損壞或破壞，過度的炮管腐蝕會導(dǎo)致發(fā)射不良或失敗。它還會導(dǎo)致頻繁的槍管更換，特別是在較高的發(fā)射速度下，以及相應(yīng)的停機(jī)時(shí)間。炮管腐蝕還會限制用嚴(yán)重腐蝕的炮管材料裝填氫工作氣體所能獲得的最大速度。 緩解這一問題的一種方法是在各種火炮操作條件下進(jìn)行一系列計(jì)算流體動力學(xué)計(jì)算，然后從這一系列計(jì)算中選擇最佳的火炮操作條件，從計(jì)算中判斷出的可能導(dǎo)致降低火炮侵蝕的條件可以在實(shí)際火炮發(fā)射中進(jìn)行測試。 測試 計(jì)算方法 為了進(jìn)行所需的計(jì)算，首先需要獲得槍管材料(槍鋼或碳鋼)的熱導(dǎo)率、比熱和密度。 火炮身管壁內(nèi)的徑向熱傳導(dǎo)分析是按常規(guī)方法進(jìn)行的。該壁在軸向和徑向上被分成多個(gè)單元。對于美國宇航局艾姆斯0.5英寸輕氣槍，軸向有200至400個(gè)單元，徑向有16個(gè)單元。細(xì)胞在管孔處最薄，并且隨著向外移動而厚度增加。分析熱傳導(dǎo)的區(qū)域的總徑向厚度為0.042厘米。當(dāng)壁溫超過熔點(diǎn)時(shí)，材料開始從壁上流失。為了確定壁材料損失的速率，對于每個(gè)時(shí)間步長，在炮管壁處對第一個(gè)單元進(jìn)行熱平衡。 管材的選擇 熔點(diǎn)最高的金屬是錸、鉭和鎢。表1給出了這些金屬以及鉭-10%鎢合金的相關(guān)性能，鉭-10%鎢合金被用作槍管襯套。還提供了炮鋼的數(shù)據(jù)。 難熔金屬非常昂貴，因此必須在炮管中用作襯里或涂層，炮管的主要材料通常是炮鋼。 模量大于槍鋼護(hù)套模量的內(nèi)襯/涂層材料不能有效地將載荷傳遞給護(hù)套材料，并且容易開裂。相比之下，那些模量小于護(hù)套模量的襯里/涂層材料，特別是如果它們是韌性的，有效地將載荷傳遞到護(hù)套上，并且不容易開裂。 表1.槍管襯套或涂層潛在材料的關(guān)鍵性能。 鉭和鉭-10W及類似合金已被用作軍用粉末槍的襯里和涂層，并被證明能有效減少槍管腐蝕。 從表1可以看出，鉭的熱性能比錸稍差，因?yàn)殂g的熔點(diǎn)、密度和熱導(dǎo)率低于錸的相應(yīng)值。然而，鉭的熔點(diǎn)比炮鋼的熔點(diǎn)提高了錸的近90%。很明顯，鉭是兩級輕氣炮內(nèi)襯/涂層的有力候選材料。 模擬的火炮和條件 在計(jì)算中，隔膜被視為封閉端邊界條件，直到隔膜處的壓力首先超過隔膜破裂壓力；此時(shí)，隔膜立即被移除。 表2中有四個(gè)數(shù)據(jù)塊，用垂直線隔開。數(shù)據(jù)塊1使用4198型粉末，其余數(shù)據(jù)塊使用4895型粉末。前兩個(gè)數(shù)據(jù)塊的標(biāo)稱泵管體積為100%，數(shù)據(jù)塊3和4的標(biāo)稱泵管體積分別為60%和40%。數(shù)據(jù)塊之間的收縮錐角也有差異，如表2所示；這些被認(rèn)為不如粉末類型和泵管體積的差異重要。各種數(shù)據(jù)塊的噴槍配置如下: 數(shù)據(jù)塊1:尺寸按常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)配置。 數(shù)據(jù)塊2:錐角變?yōu)?.1°。 數(shù)據(jù)塊3:WG1右側(cè)所有軸向尺寸縮小607.22cm；錐角改變至8.1度。 數(shù)據(jù)塊4:WG1右側(cè)所有軸向尺寸縮小911.82cm；錐角改變至8.1度。 對于具有8.1度錐角的區(qū)塊2、3和4中的數(shù)據(jù)，錐大端的軸向尺寸被移動以適應(yīng)該錐角。 表2.模擬數(shù)據(jù)塊的Ames 0.5 "火炮操作條件。 在表3中的鏡頭是以不同的方式建模的。所有45次射擊都用鋼槍管模擬，并在氫中加入鋼(在表中記為“鋼，l”)。然后用鋼槍管模擬36次射擊，并且沒有用鋼裝載氫(在表中記為“鋼，沒有l(wèi)”)。 在氫中加入了錸(在表中記為“re，l”)。選擇用錸槍管建模的彈丸大多是在高性能火炮操作條件下制造的，從鋼換到錸槍管時(shí)的初速增益預(yù)計(jì)最高。 用鉭槍管對9次最高性能的射擊進(jìn)行了重新建模，用鉭裝載氫(在表中記為“Ta，l”)。 表3.觀察到或預(yù)測到侵蝕的炮管長度。 鉭、錸和鋼管的結(jié)果 計(jì)算流體動力學(xué)分析結(jié)果顯示，對于9次注射中的7次，鉭管和錸管的初速結(jié)果難以區(qū)分。對于第二高速度射擊，鉭管初速比錸管初速稍小(~0.040 km/s)。對于最高速度射擊，鉭管的初速比錸管的初速小約0.70 km/s，但即使如此，鉭管產(chǎn)生的初速增益約為用錸管可獲得的鋼管初速增益的82%。結(jié)論是，總的來說，鉭槍管可以產(chǎn)生錸管獲得的炮口速度增益的很大一部分。 鋼管、錸管和鉭管的計(jì)算流體動力學(xué)炮管質(zhì)量損失與鋼管的計(jì)算流體動力學(xué)初速、粉末質(zhì)量與氫質(zhì)量之比均存在一定關(guān)聯(lián)。其中，鉭管的質(zhì)量損失是鋼管的0 ~ 0.14倍，錸管的質(zhì)量損失是鋼管的0 ~ 0.05倍。對于最高速度數(shù)據(jù)點(diǎn)，耐火金屬管的質(zhì)量損失是鋼管的0.25至0.45倍。 針對33-93炮點(diǎn)條件、鏡頭20-80及鏡頭18-78的分析顯示，對于鋼管，預(yù)計(jì)在165–280厘米的管長范圍內(nèi)會發(fā)生腐蝕，隔膜的腐蝕范圍約為45厘米。除了最高速度的噴丸33-93，耐火金屬管的腐蝕長度要小得多，鉭管為0-40厘米，錸管為0-25厘米。 鋼管的最大退壁量為：7發(fā)0.003–0.005厘米，第二快發(fā)0.008厘米（20-80發(fā)），最快發(fā)0.012厘米（33-93發(fā)）。對于鉭管，相應(yīng)的數(shù)字為0.0–0.0023厘米（7發(fā)）、0.004厘米（20-80發(fā)）和0.0065厘米（33-93發(fā)）。對于錸管，相應(yīng)的數(shù)字為0.0–0.0013厘米（7發(fā)）、0.0028厘米（20-80發(fā)）和0.0049厘米（33-93發(fā)）。 結(jié)論 鉭的腐蝕仍然比鋼管少得多，鉭管的初速性能與錸管非常接近。即使對于最高速度的彈丸，鉭管產(chǎn)生的初速增益約為鋼管的82%，這是錸管所能獲得的。 鉭涂層將比錸更有效地將載荷傳遞到背襯厚鋼管上。鉭的延展性也比錸大得多。這將使鉭涂層比錸更能承受槍火的熱和壓力應(yīng)力和應(yīng)變而不破裂。此外，鉭和鉭合金襯里/涂層已成功應(yīng)用于軍用粉末槍�？偟膩碚f，鉭似乎比錸更適合作為兩級輕氣槍的襯里/涂層材料，以減少管腐蝕并提高初速。 |
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