本发明涉及一种气体炮，更具体的说，是一种超临界二氧化碳气体炮的炮身结构。
背景技术：
在抗震救灾、紧急救援等场合中，需要操作距离远、安全稳定性高、便携性好的爆破设备。但传统火炮破坏性大、危险性高、机动性低，不适用于抢险救援。气体炮是利用空气动力原理，以压缩气体为工作介质，由一差压装置和可实现自动控制的快速排气阀瞬间将气体压力能转变成空气射流动力能并产生强大冲击力的装置，且气体炮具有高速发射弹丸的能力，它的冲击加载可在固体材料中产生几百mpa至几百gpa的冲击波压力。气体压力能越大，瞬间排放的气流加速度越高，具有的空气射流动力能就越高，气体炮产生的冲击力也就越强大。利用气体炮爆炸瞬间排放高速气流的强大驱动力，易于实现高加速度冲击力学环境。由于上述特点，气体炮技术逐步在抢险救灾、紧急救援、部队日常训练等领域中得到应用。然而，现有轻质气体的气体炮因其气体危险性高，压缩气体时耗功大，且现有气体炮的结构设计特点导致其具有较大的后座力，炮管长度也相对较长，并需要较多的弹药量，安全性有待进一步提高，成本相对较大，且装填速度相对较慢，且附属设备多，难以携带，影响了气体炮的推广应用。
技术实现要素：
针对现有技术的上述缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种超临界二氧化碳气体炮的炮身结构，通过对气体炮加速结构的改进，在提高炮弹爆破效果和安全性，提高炮弹速度，减小后座力的同时，大大缩短了炮管长度，减小了弹药量，提高了超临界二氧化碳气体炮的便携性和经济性。
为实现该目标，本发明采用的技术方案为：
一种超临界二氧化碳气体炮，包括依次设置并固定密封连接的二氧化碳装液组件、加速段组件和炮管组件，其特征在于，
--所述二氧化碳装液组件，包括一用以容纳气液混合状态的二氧化碳的装液容器，所述装液容器的后端设置有伸入容器空间的发热管、前端的出口管路中固定设置一爆破片，其中，所述发热管在启动时用以对所述装液容器中的气液混合状态的二氧化碳进行加热，使之形成为超临界二氧化碳气体；所述爆破片具有破坏极限，当所述装液容器中的二氧化碳压力超过破坏极限时，所述爆破片即受剪力破坏；
--所述加速段组件，包括同轴布置的一加速段内环和一加速段外环，其中，所述加速段外环的后端与所述装液容器前端的出口管路同轴固定密封连接；所述加速段内环固定设置在所述加速段外环的中部，且所述加速段内环包括沿轴线延伸的收缩段和扩张段，所述扩张段的长度大于所述收缩段的长度，且所述收缩段和扩张段之间的过渡段形成为喉部；所述加速段外环上设置有反冲气孔，且所述反冲气孔在轴线方向上位于所述加速段内环的上游；
--所述炮管组件，包括一炮管，所述炮管的后端与所述加速段外环的前端同轴固定密封连接，所述炮管用以容纳并发射炮弹，且所述炮弹的外径与所述炮管的内径相当。
较优地，所述装液容器为一二氧化碳装液管，所述二氧化碳装液管的后端固定设置一密封堵头，所述发热管固定设置在所述密封堵头上，且所述发热管的末端穿过所述密封堵头伸入所述二氧化碳装液管内；所述二氧化碳装液管的前端形成为二氧化碳出口管路，所述爆破片固定设置在所述二氧化碳出口管路中。本发明中，要求爆破片具有较高的抗张强度与较高的延伸率，不至于使爆破片过厚，本实例选择爆破片厚度为4mm。当压力超过爆破片的破坏极限，爆破片即受剪力破坏，二氧化碳迅速喷射。
进一步地，所述发热管内部由镁粉充填，并通过一起爆头与外部电点火装置连接。较优地，所述镁粉的充填量应保证其释放的热量使得充装在所述装液容器中的气液混合状态的二氧化碳受热后达到超临界状态。更优地，为保证加热速率，所述镁粉的充填量应保证其释放的热量为所需热值的3倍。镁粉充填量根据热值计算，首先计算等熵膨胀所需热值，考虑到加热速率，总热值设置为所需热值的3倍。通过电火花引燃镁粉燃烧并释放大量热量，装液管内的二氧化碳温度、压力急剧升高，迅速达到超临界状态。
进一步地，所述密封堵头上还设有二氧化碳填充设备，所述二氧化碳填充设备用以向所述装液容器中充装气液混合状态的二氧化碳。
较优地，所述加速段外环的后端通过一第一转接段与所述装液容器前端的出口管路同轴固定密封连接。
进一步地，所述第一转接段的前后两端均为螺纹结构，并通过所述螺纹结构形成所述加速段外环与所述装液容器后端的出口管路之间的可拆卸连接结构。
较优地，所述加速段外环上设有多个沿周向均匀布置的反冲气孔，每一所述反冲气孔的轴线与气体炮出口方向成钝角布置(即与炮弹射击方向相反)。在加速段外环上设置反冲气孔，其目的是为了减小气体炮的后座力。
较优地，所述加速段内环中，所述扩张段长度约为所述收缩段长度的两倍，二者之间形成平缓过渡的喉部。经过加速段的加速以后，超临界二氧化碳的速度达到超音速状态。
较优地，所述炮管的后端通过一第二转接段与所述加速段外环的前端同轴固定密封连接。
进一步地，所述第二转接段的前后两端均为螺纹结构，并通过所述螺纹结构形成所述炮管与所述加速段外环之间的可拆卸连接结构。每次爆破任务后，通过拆卸第二转接段装填炮弹。随着气体的充入和可压缩性，气体逐步充入炮管推动弹丸运动加速推出完成爆破任务。
较优地，所述气体炮还包括设置在其后部的后把手、设置在其中部的中把手和设置在其前部的前把手。后把手、中把手和前把手，它们都通过螺钉结构与超临界二氧化碳气体炮相连接，便于拆装。各把手上设有轧花，以增大摩擦力。
较优地，所述加速段外环和炮管的外壁上分别均设有加速段卡箍和炮管卡箍，二者通过紧固件固定连接，以增加气体炮的连接紧密型和炮管刚度。
本发明的超临界二氧化碳气体炮的炮身结构，为了提高二氧化碳空气炮的便携性，二氧化碳装液组件、加速段组件和炮管组件三部分采用螺纹密封连接，可以实现快速装卸；通过设置二氧化碳填充设备可实现二氧化碳的现场填充，保证了抗震救灾的高效性；二氧化碳由发热管内镁粉通过电火花引燃后释放大量热量，使装液管内的二氧化碳迅速达到超临界状态；气体炮爆破瞬间的压力由爆破片控制，爆破片不仅可以控制爆破瞬间压力，起到快速阀门的作用，也起到在充装与吸热阶段起到密封超临界二氧化碳的作用；加速段组件由连接段和加速段两部分螺纹连接，可以实现加速段组件更换的灵活性；加速段沿炮弹射击相反方向设计一定的数目的反冲孔，以减小超临界二氧化碳气体炮的反冲力，反冲孔的直径不易过大，再减小气体炮后座力和减小气体炮的气动损失之间寻求最优解；加速段由内外环两部分组成，通过替换不同的内环结构，得到不同加速段出口速度的超临界二氧化碳气体炮；炮管组件由转接头、炮弹和炮管组成，加速段组件和炮弹组件之间通过螺纹连接，可以实现炮弹的快速装填。
同现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
(1)本发明结构简单，体积小，便于加工和携带；
(2)拆装方便，对于不同目标炮弹速度的结构替换简单；
(3)反冲气孔设计，大大提高了超临界二氧化碳气体炮的安全性；
(4)加速段组件结构设计，可以大大提高炮弹初速，增强爆破效果，缩短炮管长度，减少火药量。
附图说明
图1为本发明的超临界二氧化碳气体炮的炮身结构示意图；
图2为二氧化碳装液组件结构示意图；
图3为加速段组件结构示意图；
图4为炮管组件结构示意图；
图5为本发明的超临界二氧化碳气体炮炮身结构的应用实例图。
附图标记：100-二氧化碳装液组件-，101-二氧化碳装液管，102-发热管，103-起爆头，104-二氧化碳填充设备，105-爆破片，200-加速段组件，201-加速段内环，202-加速段外环，203-反冲孔，204-第一转接段，300-炮管组件，301-炮管，302-炮弹，303-第二转接段，400-后把手，500-中把手，600-前把手，701-加速段卡箍，702-炮管卡箍，703-紧固件。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图(图1～图5)对本发明的实施例进行详细说明。
如图1所示，本发明的超临界二氧化碳气体炮的炮身结构，由依次设置并固定密封连接的二氧化碳装液组件100、加速段组件200和炮管组件300三部分构成。
如图2所示，二氧化碳装液组件100，由二氧化碳装液管101、发热管102、起爆头103、二氧化碳填充设备104、和爆破片105组成。二氧化碳装液管101的装液管容积为0.0014m3，二氧化碳充装质量为0.9kg，使用灌装机将气液混合状态二氧化碳通过二氧化碳填充设备104进行现场冲装。起爆头103后端有单向阀门，可通过内六角扳手开启与闭合。在充装时开启阀门，充装完毕拧紧即可关闭。发热管102内部由镁粉充填，通过起爆头103与电点火装置连接。镁粉充填量根据热值计算。首先计算等熵膨胀所需热值，考虑到加热速率，总热值设置为所需热值的3倍。通过电火花引燃镁粉燃烧并释放大量热量，二氧化碳装液管101内的二氧化碳温度、压力急剧增大，迅速达到超临界状态。当压力超过爆破片105的破坏极限，爆破片即受剪力破坏，二氧化碳迅速喷射。要求爆破片105具有较高的抗张强度与较高的延伸率，不至于使爆破片过厚，本实例选择爆破片厚度为4mm。
如图3所示，加速段组件200，由加速段内环201、加速段外环202、反冲孔203和第一转接段204组成。在炮管长度与内径确定的情况下，通过协调爆破片厚度与二氧化碳充装质量，达到爆破片后的速度为350m/s。第一转接段204前后两端均为螺纹结构，通过生胶带密封分别与二氧化碳装液管101和加速段外环202相连。加速段外环202的内径,即加速段内环201的进口内径为30mm，加速段内环201的喉部内径为16mm，加速段外环201的出口内径为32mm。加速段内环201位于加速段内环202中部，其扩张段长度约为收缩段长度的两倍，喉部平缓过渡。经过加速段的加速以后，超临界二氧化碳的速度达到了800m/s，为超音速状态。为了减小超临界二氧化碳气体炮的后座力，在加速段外环202上设置反冲气孔203，本实例中在加速段外环202上周向均匀布置两个反冲气孔203，反冲气孔203的直径为6mm，位于加速段内环201之前，与气体炮出口方向成150°分布。
如图4所示，炮管组件300，由炮管301、炮弹302和第二转接段303组成。考虑便携性与经济指标，尽可能选择较短的炮管长度。通过参数优化，选择炮管301的长度为1.5m，炮管内径为35mm。第二转接段303前后两端均为螺纹结构，通过生胶带密封分别与加速段外环202和炮管301相连。每次爆破任务后，通过拆卸第二转接段303装填炮弹302。随着气体的充入和可压缩性，气体逐步充入炮管推动弹丸运动加速推出完成爆破任务。
如图5所示，为了操作方便，增加后把手400、中把手500和前把手600，它们都通过螺钉结构与超临界二氧化碳气体炮相连接，便于拆装。把手上设有轧花，以增大摩擦力。由于超临界二氧化碳的出口速度很大，且炮管较长，在加速结构和炮管之间增加加速段卡箍702和炮管卡箍702，它们通过螺钉703连接，以增加气体炮的连接紧密型和炮管刚度。
以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
1.一种超临界二氧化碳气体炮的炮身结构，包括依次设置并固定密封连接的二氧化碳装液组件、加速段组件和炮管组件，其特征在于，
--所述二氧化碳装液组件，包括一用以容纳气液混合状态的二氧化碳的装液容器，所述装液容器的后端设置有伸入容器空间的发热管、前端的出口管路中固定设置一爆破片，其中，所述发热管在启动时用以对所述装液容器中的气液混合状态的二氧化碳进行加热，使之形成为超临界二氧化碳气体；所述爆破片具有破坏极限，当所述装液容器中的二氧化碳压力超过破坏极限时，所述爆破片即受剪力破坏；
--所述加速段组件，包括同轴布置的一加速段内环和一加速段外环，其中，所述加速段外环的后端与所述装液容器前端的出口管路同轴固定密封连接；所述加速段内环固定设置在所述加速段外环的中部，且所述加速段内环包括沿轴线延伸的收缩段和扩张段，所述扩张段的长度大于所述收缩段的长度，且所述收缩段和扩张段之间的过渡段形成为喉部；所述加速段外环上设置有反冲气孔，且所述反冲气孔在轴线方向上位于所述加速段内环的上游；
--所述炮管组件，包括一炮管，所述炮管的后端与所述加速段外环的前端同轴固定密封连接，所述炮管用以容纳并发射炮弹，且所述炮弹的外径与所述炮管的内径相当。
2.根据上述权利要求所述的超临界二氧化碳气体炮的炮身结构，其特征在于，所述装液容器为一二氧化碳装液管，所述二氧化碳装液管的后端固定设置一密封堵头，所述发热管固定设置在所述密封堵头上，且所述发热管的末端穿过所述密封堵头伸入所述二氧化碳装液管内；所述二氧化碳装液管的前端形成为二氧化碳出口管路，所述爆破片固定设置在所述二氧化碳出口管路中。
3.根据权利要求2所述的超临界二氧化碳气体炮的炮身结构，其特征在于，所述发热管内部由镁粉充填，并通过一起爆头与外部电点火装置连接。
4.根据权利要求3所述的超临界二氧化碳气体炮的炮身结构，其特征在于，所述镁粉的充填量应保证其释放的热量使得充装在所述装液容器中的气液混合状态的二氧化碳受热后达到超临界状态。
5.根据权利要求4所述的超临界二氧化碳气体炮的炮身结构，其特征在于，更优地，为保证加热速率，所述镁粉的充填量应保证其释放的热量为所需热值的3倍。
6.根据权利要求2所述的超临界二氧化碳气体炮的炮身结构，其特征在于，所述密封堵头上还设有二氧化碳填充设备，所述二氧化碳填充设备用以向所述装液容器中充装气液混合状态的二氧化碳。
7.根据上述权利要求所述的超临界二氧化碳气体炮的炮身结构，其特征在于，所述加速段外环的后端通过一第一转接段与所述装液容器前端的出口管路同轴固定密封连接。
8.根据权利要求7所述的超临界二氧化碳气体炮的炮身结构，其特征在于，所述第一转接段的前后两端均为螺纹结构，并通过所述螺纹结构形成所述加速段外环与所述装液容器后端的出口管路之间的可拆卸连接结构。
9.根据上述权利要求所述的超临界二氧化碳气体炮的炮身结构，其特征在于，所述加速段外环上设有多个沿周向均匀布置的反冲气孔，每一所述反冲气孔的轴线与气体炮出口方向成钝角布置(即与炮弹射击方向相反)。
10.根据上述权利要求所述的超临界二氧化碳气体炮的炮身结构，其特征在于，所述加速段内环中，所述扩张段长度约为所述收缩段长度的两倍，二者之间形成平缓过渡的喉部。经过加速段的加速以后，超临界二氧化碳的速度达到超音速状态。
技术总结