超临界二氧化碳相变做功发射技术研究.pdf
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1、第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:录用日期:作者简介:陈延伟()男硕士研究员:.:./.超临界二氧化碳相变做功发射技术研究陈延伟曹明磊李 奇(中国船舶集团有限公司第七一三研究所 郑州)摘要:超临界二氧化碳相变做功发射技术具有安全性高、成本低、清洁环保、烧蚀小等优势近年来已成为气体炮、发射箱/筒以及无人机发射回收装置领域的热门研究课题 阐述了超临界二氧化碳相变做功发射技术的最新研究进展分析了产品技术特点和典型应用场景梳理了当前超临界二氧化碳相变做功发射的关键技术提出了工程化建议与解决途径为相关领域的研究人员提供了参考信息和解决思路关键词:超临界二氧化碳相变
2、致裂管发射技术气体炮相变激发本文引用格式:陈延伟曹明磊李奇.超临界二氧化碳相变做功发射技术研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()():./.:引言二氧化碳是空气中常见的化合物起初国内外关于二氧化碳的研究多集中于气态或液态单相下的物理和化学性质 世纪末人们才开始关注二氧化碳在高温高压条件下相变的试验和理论分析 二氧化碳的状态包括 种即固态、气态、液态和超临界状态各种相态及转换如图 所示 超临界流体是指物质温度和压力超过临界点本身的气与液分界面消失并难以区分的液体同时兼有气体和液体的物理和化学性质 由 和 等于 年发现 超临界二氧化碳是指温度和压力处于临界
3、点(温度.、压力.)及以上的二氧化碳具有渗透能力高流体黏度低密度高和溶解能力强的特点 由于其特殊独有的物理和化学性质在医学工业、食品工业、轻工业、高分子科学等方面已有较多的应用图 超临界二氧化碳相图.研究现状.国外研究现状国外针对超临界二氧化碳相变的研究多集中于民用领域鲜有军事方面的应用报道 美国对超临界二氧化碳的流动特性及相变机理进行了深入研究在超临界流体相变特性和密度波动等基础理论研究方面处于世界领先地位掌握了国际上最完整的超临界二氧化碳流体的物性数据超临界二氧化碳布雷顿循环是最典型的气体膨胀做功的应用系统广泛适用于太阳能、核能等领域具有广阔的发展前景 该概念最早由 于 年提出后由学者 于
4、 年重新提起并于 年研发 规模的系统样机 等针对应用于下一代核反应堆的再压缩超临界二氧化碳循环进行详细的研究发现相对传统的郎肯蒸汽循环相比超临界二氧化碳循环可实现.的热效率且成本可降低约 年美国启动“超临界二氧化碳动力涡轮项目”旨在完成用于钠冷快堆的超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统日本、瑞士等国家已将超临界二氧化碳应用到多项工业技术中开发研制了超临界二氧化碳高压容器快开密封结构可在 以上保持流体密封 在同类技术中日本技术密封压力高、结构尺寸小、开启快速方便在同类流体高压密封领域处于领先优势.国内研究现状近年来国内关于超临界二氧化碳相变的研究也在逐步深入国内部分高校围绕二氧化碳相变机理及仿真开
5、展了理论研究西安交通大学和大连理工大学以二氧化碳为实验工质开展物性测量实验完成 、内的密度、定压比热和黏度的测量在传统行业方面如矿山开采、土石基建等民用爆破领域大量应用液态二氧化碳取代普通火炸药进行土石爆破作业(即液态二氧化碳相变致裂技术)并涌现了大量的研究如煤科集团沈阳研究院开展了二氧化碳爆破致裂器在起爆过程中的可靠性因素分析煤科集团工程科技有限公司研究了二氧化碳爆破致裂技术在增加煤层透气性方面的应用 中国矿业大学开展超临界二氧化碳相变爆破裂纹扩展规律研究结合二氧化碳的相态特性与液态二氧化碳相变爆破过程利用 气体状态方程计算高压气体的膨胀功与相变释放能量 前沿行业方面中南大学将二氧化碳相变做
6、功技术应用在高速列车气动模型试验系统/高速磁浮列车气动试验系统以及车辆碰撞试验系统等领域为列车试验模型提供动力二氧化碳相变做功在军事装备的应用方面主要围绕理论研究、仿真计算、原理性试验等方面开展了较多工作 哈尔滨工业大学与中科院建立了超临界二氧化碳气体炮膨胀做功的数学模型搭建了试验测试平台对气体炮膛内压力变化和弹丸速度进行了计算与试验 发射原理与技术特点.发射原理超临界二氧化碳相变做功发射技术(可简称为二氧化碳相变做功技术)起源于二氧化碳爆破技术二氧化碳爆破技术基础为二氧化碳相变致裂技术 二氧化碳相变致裂技术使用时需配备相应的储液罐、填充设备、相变致裂管 二氧化碳相变致裂管由充装头、发热管、储
7、液管、密封垫、剪切片及泄能头组成如图 所示 储液管是二氧化碳发生相态转换的场所通常由高强度合金材料制成 二氧化碳相变致裂时发热管通电释放大量热量当温度和压力超过各自规定的阀值时储液管内的液态二氧化碳受热相变为超临界状态管内压力升高 当管内压力超过剪切片的额定压力时剪切片发生破裂 整个致裂过程不仅无火花还能吸热抑燃属于典型的物理爆炸图 二氧化碳相变致裂管结构.将超临界二氧化碳介质与弹射发射技术结合为二氧化碳相变做功发射技术液态二氧化碳在致裂器经加热后迅速进入超临界状态待剪切片破坏后高压状态下的超临界二氧化碳将释放并作用于导弹/弹炮等负载的底部负载受压力加速运动实现发射功能.技术特点超临界二氧化碳
8、相变做功发射技术与传统利用火药气体使负载加速的燃气弹射方式相比具有无污染、安全性高的优势与采用弹簧等机械储能结构的机械弹射方式相比具有结构简单、发射初速高的优势与采用压缩空气膨胀做功的压缩空气弹射方式相比具有能量密度高体积紧凑的优势与利用电磁能的电磁弹射方式相比具有结陈延伟等:超临界二氧化碳相变做功发射技术研究构简单、成本低的优势 超临界二氧化碳相变做功发射技术与其他弹射技术的技术特点对比情况如表 所示根据非定常等熵假设传统气体介质如空气氢气和其他易燃性气体等在应用中具有膨胀压力低危险性高等特点二氧化碳流体由于独特的热力学性质在物理受热的状态下能迅速发生相变从而产生 压力且不易燃烧爆炸的超临界
9、二氧化碳以其作为介质的发射系统可有效地提高弹射系统的安全性和适用性 同时凭借其良好的应用拓展能力、做功能力和制备能力避免了采用复杂的压缩装置和结构设计从而能够有效地提高发射装置整体的通用性、集成度和发射效率表 弹射技术特点对比情况 弹射技术优点缺点化学能弹射原 理 简 单、结 构简易危险性高、有污染机械能弹射原 理 简 单、结 构简易弹射能力低、机械系数复杂、能耗大电磁能弹射清洁无污染、可控性好目前 技 术 成 熟 度低对电源要求高轨道安装和电力系统成本高超临界二氧化碳相变弹射清洁无污染、安全可控性好、通用性与集成度高目前技术成熟度低 典型应用场景分析近年来超临界二氧化碳相变做功技术已广泛应用
10、于抢险救灾、破拆清障等民用领域现阶段也逐渐向军事领域拓展应用将超临界二氧化碳相变做功技术与民用能源动力应用场景及军/警各类特种武器装备领域相融合主要围绕理论研究、仿真计算、原理性试验等方面开展了相关工作在气体炮、导弹箱/筒式发射、无人机发射回收等方面实现了突破大大拓展了二氧化碳相变做功发射技术的应用范围.军事装备发射方面的应用二氧化碳相变发射技术可与军事装备融合应用于飞行器可控冷发射技术、弹药/无人机负载冷弹射系统及气体炮等军事装备领域.飞行器可控冷发射方面的应用在飞行器可控冷发射技术应用方面中国科学技术大学进行超临界二氧化碳作为气动发射新工质的理论研究通过计算得出一架 的飞机可以在.内用 二
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