Газовая пушка — это аппарат для физических экспериментов. Это узкоспециализированная пушка, разработанная для создания чрезвычайно высоких скоростей. Обычно она используется для изучения высокоскоростных ударных явлений ( исследования гиперскоростей ), таких как образование кратеров от ударов метеоритов или эрозия материалов микрометеоритами . Некоторые фундаментальные исследования материалов основаны на ударе снаряда для создания высокого давления; такие системы способны переводить жидкий водород в металлическое состояние . [ требуется ссылка ]
Легкогазовое ружье работает по тому же принципу, что и пружинно-поршневое пневматическое ружье . Поршень большого диаметра используется для проталкивания газообразной рабочей жидкости через ствол меньшего диаметра, содержащий снаряд для ускорения. Это уменьшение диаметра действует как рычаг, увеличивая скорость и уменьшая давление. В пневматическом ружье большой поршень приводится в действие пружиной или сжатым воздухом, а рабочей жидкостью является атмосферный воздух.
В газовом орудии поршень приводится в действие химической реакцией (обычно порохом ), а рабочим телом является более легкий газ, такой как гелий или водород (хотя гелий гораздо безопаснее в работе, водород обеспечивает наилучшие характеристики [как объясняется ниже] и вызывает меньшую эрозию пусковой трубы). Одним из дополнений, которое газовое орудие добавляет к пневматическому орудию, является 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 высокого давления проходить в ствол. Это гарантирует, что максимальное количество энергии будет доступно, когда снаряд начнет движение.
Газовые пушки обычно делятся на одноступенчатые и двухступенчатые. [1]
Одна такая одноступенчатая газовая пушка находится в Университете Маркетт , Милуоки, Висконсин . Она использовалась для изучения полимеров и металлов в областях давления до 20 ГПа. Газовая пушка в Маркетт была изготовлена компанией PAI и доставлена в 2015 году. Она имеет два ствола: гладкий ствол длиной 15 футов и два дюйма и щелевой ствол длиной 13 футов и два дюйма. Щелевой ствол позволяет производить нагрузку сдвига давления и сложные взаимодействия цели и летающего объекта. Максимальное рабочее давление составляет 10 000 фунтов на квадратный дюйм, что позволяет запускать снаряд массой 200 г со скоростью до 1200 м/с. Целевой резервуар обычно настраивается для экспериментов по плоскостному и наклонному удару. Системы мягкого захвата часто используются для извлечения материалов для анализа после выстрела. [2]
Одна из конкретных газовых пушек, используемых NASA, использует модифицированную 40-миллиметровую пушку для питания. Пушка использует порох для перемещения пластикового (обычно HDPE ) поршня вниз по стволу пушки, который заполнен водородным газом высокого давления. В конце ствола пушки находится коническая секция, ведущая вниз к 5-миллиметровому стволу, который стреляет снарядом. В этой конической секции находится диск из нержавеющей стали толщиной около 2 мм с рисунком «x», нанесенным на поверхность посередине. Когда водород развивает достаточное давление, чтобы разорвать надрезанный участок диска, водород течет через отверстие и разгоняет снаряд до скорости 6 км/с (22 000 км/ч) на расстоянии около метра.
NASA также использует газовые пушки с размерами пусковой трубы от 0,170 дюйма (4,3 мм) до 1,5 дюйма (38 мм) в исследовательском центре Эймса . Опасные испытания [3] проводятся на испытательном полигоне Уайт-Сэндс . Эти пушки использовались для поддержки различных миссий, начиная с исследований возвращения в атмосферу в рамках программы «Аполлон» в 1960-х годах, а в последнее время — для высокоскоростной тепловизионной съемки. Могут быть достигнуты скорости от 1 км/с до 8,5 км/с. Самая большая из них включает в себя поршень диаметром 6,25 дюйма (159 мм) весом более 46 фунтов (21 кг) для сжатия водорода.
Range-G на базе ВВС Арнольд является «крупнейшей регулярно эксплуатируемой двухступенчатой системой легкогазовой пушки в Соединенных Штатах». [4] Range-G использует сменные пусковые трубы диаметром от 3,3 дюйма (84 мм) до 8,0 дюймов (200 мм) с поршнем 14,0 дюймов (360 мм) весом до 2300 фунтов (1000 кг). Скорость снаряда может достигать 4,5 километров в секунду (16 000 км/ч) для конфигурации 8,0 дюймов (200 мм) и 7 километров в секунду (25 000 км/ч) для конфигурации пусковой установки 3,3 дюйма (84 мм). [4] Основное применение полигонных сооружений на базе ВВС Арнольд — измерение высвобождаемой кинетической энергии при ударе снаряда.
Начальная скорость пневматического ружья , огнестрельного оружия или газового ружья ограничена, но не ограничивается скоростью звука в рабочей жидкости — воздухе, горящем порохе или легком газе. До скорости звука термодинамика обеспечивает простой, приблизительный подход к расчету: снаряд ускоряется разницей давления 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 за пределами скорости звука кинетическая теория газов , которая определяет скорость звука, дает более подробный анализ с точки зрения частиц газа, составляющих рабочую жидкость. Кинетическая теория показывает, что скорость частиц газа распределена по закону Максвелла-Больцмана , причем скорость большой доли частиц превышает скорость звука в газе. Эта доля газа может продолжать оказывать давление и, следовательно, ускорять снаряд 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 рабочей жидкости, служит для увеличения максимально возможной скорости. Пружинно-поршневые пневматические винтовки увеличивают температуру воздуха в камере путем адиабатического нагрева ; это увеличивает локальную скорость звука достаточно, чтобы преодолеть потери на трение и другие потери эффективности и придать снаряду скорость, превышающую скорость звука в условиях окружающей среды.
Гибридная электротермическая пушка на легком газе работает по тем же принципам, что и стандартная пушка на легком газе, но добавляет электрическую дугу для нагрева легкого газа до более высокой температуры и давления, чем поршень в одиночку. Дуга применяется в камере, содержащей легкий газ, повышая температуру и давление до точки, где газ и разрывает разрывной диск, и воспламеняет топливо за поршнем, который перфорирован для обеспечения воспламенения. Полученное сочетание электрического нагрева и сжатия поршня обеспечивает более высокие давления и температуры, что приводит к большей мощности и более высокой потенциальной скорости, чем стандартная пушка на легком газе. [5] [6]
Когда снаряд, выпущенный из газовой пушки, поражает цель, прикладываемое давление зависит от массы снаряда и площади поверхности или поперечного сечения, по которой распределяется ударная сила. Поскольку снаряды, запускаемые с воздуха, 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, плотный и узкий снаряд будет оказывать большее давление в целом, чем легкий и широкий. Рассматривая снаряды с постоянным поперечным сечением, исследователи недавно начали изменять плотность своих снарядов в зависимости от длины. Поскольку снаряды движутся с известной скоростью, изменения плотности в зависимости от длины имеют предсказуемую связь с ударным давлением, приложенным в зависимости от времени. При использовании материалов в широком диапазоне плотностей (от вольфрамового порошка до стеклянных микросфер ), нанесенных тонкими слоями, тщательно изготовленные снаряды можно использовать в экспериментах с постоянным давлением или даже в контролируемых последовательностях сжатия-расширения-сжатия.