新型灭火弹发射装置的结构改进

李海峰　成佳淇　霍天畅

摘 要 针对目前的灭火弹发射装置在技术上的不足，依托“某消防单位与某高校联合研制生产一种智能灭火弹”项目，分析在发射装置增加拉瓦尔喷管对气体加速作用的可行性，使灭火弹获得更高的弹丸出口初始速度。相较传统灭火弹发射装置，改新型发射装置性能有很大提升。

关键词 灭火弹 发射装置 拉瓦尔喷管

中图分类号：TH11文献标识码：A

0前言

大型油罐、气罐、化学液罐、高楼和森林着火，已经成为民生和环境安全的重要威胁。关于远距离灭火，经过二十多年的发展，已开发出一些产品，如82mm和105mm迫炮发射灭火弹。但这些产品在技术上都存在一个严重的问题，就是使用延迟或碰撞后抛撒灭火剂，这些造成灭火效率下降，灭火剂抛撒功能无法有效实现，有的甚至飞过火场，因此失去效能。另外，使用迫击炮等大型发射平台灵活性不足，成本太高，安全性不高等缺点，不适合消防单位使用。

本文依托“某消防单位与某高校联合研制生产一种智能灭火弹”项目，为灭火弹发射平台配套设计和研发一种体积小，推力大，重量轻的新型喷管式发射装置。

1拉瓦尔喷管的构造

典型的拉瓦尔喷管一般有收缩段、喉口、扩张段三部分组成。

1.1收缩段

收缩段的作用是将气流从低速即小于马赫数加速到音速。因为收缩段的初始部分气流速度比较低，所以从横截面的中心管到收缩段必然有个过渡。收缩段的长度通常取定于收缩段的半锥角 ，中心管直径，喉口直径。按理想从横截面的中心管到圆锥形收缩段应当逐渐过渡，交接处圆滑一些比急剧的转角为好，这主要是为了避免喷头内应力集中及使气流平缓。

收缩段的半锥角一般选取比较大，可为30埃贝邮账醵蔚胶砜诠刹糠钟猛桓龃笾虏槐涞那拾刖叮淝拾刖渡源笥诤砜诎刖毒涂梢粤耍庋龅哪康氖俏耸构煞浅9饣推交骸？

1.2 喉口部分

理论上讲，只要喉口上游和下游的截面积变化足够平缓，喉口的长度可以为0。但是这样的喷管难于制作，为了方便收缩段与扩张段的加工，喉口应有一定的长度。一般横截面喉口的长度不超过喉口直径。因为随喉口长度增大，喉口有效截面积减少，反而会造成喷出系数减少。

1.3 扩张段

扩张段半顶角的适用范围一般采用5白笥摇R蛭┱沤翘螅谂缤烦隹诖Σ募げū冉涎现兀贾律淞骼┥⒈冉峡欤焕┱沤翘。虺羲偻ǖ籃艹ぃ矫娌愎窈筒沽λ鹗А：砜诘嚼┱哦蔚墓纱Γ捎猛桓龃笾虏槐涞那拾刖丁4永┱哦蔚脚缤范嗣嫦嘟淮τ幸恍〉那拾刖段茫蟮那拾刖痘崾寡跗淞鞑晃榷ǎ跎倨浯┩改芰Α？

2改进方案和模型计算

2.1 改进方案

气体炮的主体主要由气室、身管组成，传统的气体炮气室和身管是直接相连的，如图1（a）所示。由于气室和身管的半径不同，在连接处出现拐角，不利于气体通畅流过，因此需要对传统连接部分进行改进。

拉瓦尔喷管可增加喷管内气体流动的速度，但由于其喉部的存在，导致气体流量有所减小，然而只要设计得当，拉瓦尔喷管对弹丸初速仍然有加速作用。针对拉尔瓦喷管连接部分的改进二维结构如图1（b）所示

（a）

（b）

2.2 模型计算

对于定常、绝热的气体，其在等截面直管内流动的状态取决于其初始的流动状态。如果它在管内初始的流动是亚音速流动状态，则随着流程增加，马赫数M会增加，气体压强p减小;如果它在管内初始的流动是超音速流动状态，则马赫数M随流程增加会减小，气体压强p增加。

当喷管喉道处马赫数时，由公式：

可以看出若想提高涡轮机或者火箭发动机的喷管工作效率，喉道处气流马赫数M=1时效果最好，因此设计时应尽可能使得喉道处气流马赫数M接近或等于1。当亚音速气体在收缩型喷管中的速度达到极限时，需要一个扩张型喷管来对该气体继续加速。拉瓦尔喷管就是按这种原理实现亚音速气体跨音速流动的一种装置。

2.2.1 灭火弹初速计算

仿照传统火炮的弹道学理论作出以下假设：

发射介质为理想气体，不考虑气体的黏性和气体与壁面的摩擦;考虑到弹丸发射的时间较短，气体初始温度为常温，近似认为发射过程中气体和外界来不及进行热交换;将摩擦力等所做的无用功折算到弹丸质量上，通过虚拟质量系数来表示这种折算。

由弹丸运动方程：

气体状态方程：

式中：为气体炮身管横截面面积;为弹丸质量;为弹丸行程;为弹丸对应于行程的速度;为气室初始气压;为气室容积;为弹丸行程为时弹后空间平均压力;为绝热指数。

联立两式得弹丸初速公式：

式中：为弹丸的初速;为身管的长度。

带入参数计算得：

2.2.2 喷喉面积的计算

由公式：

式中：为气体流量;为气体的等压热容与等容热容量之比。对于氧气：;为气体常数。对于氧气：为工作压力;为气体温度;为喷喉面积。

带入数值计算得：

计算结果如下表1。

3结束语

本文通过在发射装置中添加拉瓦尔喷管并进行大斜面改进，增加弹丸的出口初始速度，来达到优化灭火弹发射装置的目的。改进后的发射方案相较于过去的方案弹丸出口初始速度更大。能够满足快速将灭火弹射到指定位置的设计要求。

参考文献

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