CN102288070A - 气体延迟反冲方法 - Google Patents

Abstract

一种涉及气体延迟反冲方法。此方法应用于：1.可以使任意口径、膛压和初速的武器都可以实现低后坐力或者无后坐力发射。2.燃气涡轮发动机、冲压发动机以及火箭发动机。作为燃烧室分系统，使工质从定压燃烧模式转变为具有更高的热循环效率的定容燃烧模式。在武器的身管(即枪管或者炮管)内装配一个活塞，当身管内火药气体燃烧、膨胀做功发射弹丸时，同时推动活塞沿轴线方向运动；当身管的“膛压-时间曲线”一定，活塞的特殊的结构设计使得在弹丸出膛的瞬间活塞恰好可以运动到身管上所开的排气孔的位置，这样一来，一部分的火药气体随着弹丸向前喷出而一部分的火药气体通过这个排气孔向后喷出形成反冲作用力以抵减身管后坐动量。

Description

气体延迟反冲方法

技术领域：

此方法应用于： 

1.利用火药气体在密闭的身管中燃烧、膨胀做功发射弹丸的各种身管武器系统。主要目的在于使火药气体在发射弹丸之后向弹丸运动的反方向高速喷出从而形成对身管的作用力因此减小甚至抵消身管的后坐力。应用此原理可以使武器的反后坐系统拥有极高的效率，以至于可以使任意口径、膛压和初速的武器都可以实现低后坐力或者无后坐力发射。身管武器系统包括：手枪、步枪、机枪等各种枪和各种口径的身管火炮。 

2.燃气涡轮发动机、冲压发动机以及火箭发动机。作为燃烧室分系统，使工质从定压燃烧模式转变为具有更高的热循环效率的定容燃烧模式，以脉冲工作的方式完成工质的输送、燃烧、膨胀(或者直接利用压力)做功、再输送的循环过程。这包括了脉动喷气发动机、亚燃和超燃冲压发动机、液体和固体火箭发动机、涡轮喷气发动机、涡轴发动机以及燃汽轮机，以及混合类的发动机如旋转冲压转子发动机。应用此原理的发动机可以统称为：定容燃烧脉冲发动机。 

背景技术：

为了平衡武器发射时产生的后坐力，有各种不同的反后坐系统。这些系统基本上建立在两种基本的原理之上：一种是以火药气体在向前发射弹丸的同时向后发射某种物体从而平衡弹丸的动量，实用的方式是使部分火药气体在发射时高速向后喷出，即气体的反冲使武器受到作用力以减小武器的后坐力；一种是利用机械和液压(或者气压)的机构延长后坐的行程增加后坐的时间从而在后坐冲量一定的前提下使后坐力减小。前者优于后者之处在于可以使反后坐系统的质量更轻、体积更小、不需要受后坐行程的限制，因此武器可以更加轻便以增加机动性。 

就前一种原理而言，现有两种主要的应用方式：无后坐力炮和膛口制退器。前者在发射弹丸时火药气体从尾部高速喷出以使弹丸的动量被全部抵消，后者是弹丸出膛之后的后效期火药气体有部分向前喷出而另有部分在制退器作用下向后高速喷出使火药气体本身的动量被部分抵消因而减小了后效期火药气体的能量对身管产生的后坐力。另外，也有一些减小后坐力的混合运用方式，比如一些大口径反器材狙击枪，在火药气体发射弹丸的同时有部分火药气体通过枪管上的导气装置向后喷出，因而可以部分抵消后坐力。 

无后坐力炮的优点在于可以最大限度的减少甚至抵消后坐力；缺点在于火药气体在未完全燃烧的情况下即喷出，温度和压强低因此火药气体反冲的速率小、冲量小而使得反后坐系统的效率过低，同时若升高膛压则火药气体喷出速率高而使得用于发射弹丸的火药能量减小而降低初速和膛口动能，因此导致武器的膛压和弹丸初速受到限制，同时向后喷出的火药气体继续燃烧使武器发射特征明显且冲击波和超压容易伤害发射者。 

膛口制退器的优点在于可以促进火药气体完全燃烧并且使完全燃烧之后的气体高速向后喷出，反后坐的效率比较高，同时也因为喷出的火药气体已经完全燃烧而使发射特征不象无后坐力炮那么明显；缺点在于只能部分减少向前喷出的火药气体，向后喷出的火药气体有限因而只可以减小火药气体本身的(弹丸发射方向的)动量和火药气体对枪管的冲量而无法利用火药气体的(反冲的)冲量平衡身管的后坐力。 

显而易见的是，如果可以使完全燃烧的火药气体在弹丸出膛的瞬间大部分向反方向高速喷出，则不仅可以减少或者抵消向前喷出的气体的动量也可以用来平衡弹丸的动量。简单的说，就是同时具备无后坐力炮和膛口制退器的优点而避免此两者的缺点。这样的反后坐系统具备最高的效率和最优秀的战术性能。 

要实现这样的目的，需要在武器上配置“开关”，火药气体在弹丸出膛前在密闭的身管内完全燃烧而在弹丸出膛的瞬间“打开”这个开关，这样一来就可以控制和分配火药气体的流量使需要的部分(通常是大部分)已经完全燃烧的火药气体向弹丸发射的反方向高速喷出。由于这个开关的存在，火药气体向后的喷出相对于无后坐力炮而言被“延迟”，因而称这个原理为“气体延迟反冲”。形象的讲，就是使原本在发射弹丸的同时就应该向后喷出的气体“暂时”停留在身管内(继续燃烧)并在弹丸出膛的瞬间被释放。相对于膛口制退器而言，相当于使更多的火药气体改变运动方向而向后“反冲”，而原本这部分火药气体是随弹丸向前喷出的。 

这个原理通过配置在武器身管上的活塞机构来实现，即利用活塞的运动来实现“开关”功能。 

由于这个原理的核心在于“延迟”，即火药气体的膨胀做功与燃烧过程并不同步，因此可以应用于同样是利用高温高压气体膨胀做功的燃气涡轮发动机、冲压发动机以及火箭发动机，改变燃烧和膨胀做功的同步性以使燃料完全燃烧之后才开始膨胀做功，将原本采用的定压燃烧模式改进为定容燃烧模式，从而提供更高的热循环效率、更高的能量和更大的功率。 

发明内容：

应用于武器系统时： 

在武器的身管(即枪管或者炮管)内装配一个活塞，当身管内火药气体燃烧、膨胀做功 发射弹丸时，同时推动活塞沿轴线方向运动；当身管的“膛压-时间曲线”一定，活塞的特殊的结构设计使得在弹丸出膛的瞬间活塞恰好可以运动到身管上所开的排气孔的位置，这样一来，一部分的火药气体随着弹丸向前喷出而一部分的火药气体通过这个排气孔向后喷出形成反冲作用力以抵减身管后坐动量。 

为了获得更大的反冲能量，更好的做法是在武器的身管(即枪管或者炮管)上固定装配一个容纳用于反冲的火药气体的管状的“气缸”，为描述方便起见以下均以枪管为例；通常此气缸与枪管轴线平行但是也可以设置为任意夹角而只要保证气缸内的火药气体最终的喷出方向与所需反后坐的方向相同；枪管上(通常是在靠近弹膛部分)开设有导气孔，气缸在对应位置也同样开有导气孔，一部分未完全燃烧的火药气体(实际上是火药气体与火药颗粒的混合物质而为简化起见以下只称为火药气体)通过导气孔进入气缸；部分火药气体留在枪管内燃烧、膨胀做功发射弹丸，与此同时另外的部分火药气体在气缸内定容燃烧；气缸前部开有排气孔，并在此处设置活塞机构，气缸内的活塞在初始位置时封闭排气孔以保持气缸密闭，火药气体在气缸内燃烧时推动活塞运动，当活塞运动一段距离后、活塞端面经过排气孔时此排气孔被打开，于是火药气体可以喷出；在排气孔处装配改变气体流动方向的喷管以使火药气体向需要的方向高速喷出；在导气孔位置也设置活塞机构(活塞可以在枪管内或者气缸内)作为开关，使从枪管进入气缸的火药气体的总量可以控制，并且避免了在弹丸出膛和打开排气孔后有部分气缸内的火药气体通过导气孔回流入枪管导致能量损失。 

导气孔位置越是靠近弹膛，则因为枪管内压力越高而作用时间更长而可以使更多的未完全燃烧的火药气体进入气缸内，于是可以得到更大的反后坐的冲量；越是靠近膛口则枪管内压力越低而作用时间更短则进入气缸内的火药气体越少且相对而言燃烧的更充分剩余的火药力更小，则得到的反后坐的冲量就越小。根据武器需要的反后坐冲量和运用条件的限制而设定反后坐冲量的大小，因而决定导气孔的位置。 

活塞的运动距离与气缸内的火药能量、气缸的容积和活塞本身的各个受力面的大小相关，当火药总的能量、导气孔大小、气缸容积一定的前提下，气缸内的“压强-时间曲线”一定因而对活塞的总的压强和作用时间一定，因此只需要灵活设计活塞的不同受力面的面积就可以决定活塞运动的速度、距离，因而可以确定打开排气孔的时间；当弹丸、枪管长度、火药总的能量、导气孔大小一定、弹丸初速一定的前提下枪管内发射时间一定，因此当打开排气孔的时间设计为与弹丸出膛的时间一致，就可以实现“延迟反冲”的目的。 

武器的弹丸初速一定、需要实现的反后坐系统效率一定的情况下，则需要实现的气缸中的火药气体反冲的动量(或冲量)一定；而假设综合考虑枪管和喷管的材料性能、成本、作战环境等因素而可以设定气缸中的最高压强、喷管效率和反冲的方向(即与枪管轴线的夹角) 并且因而确定火药气体反冲的速率，则可以因此而确定需要从枪管进入气缸的火药气体的质量和气缸的容积；枪管内“膛压-时间曲线”为已知，则通过设计导气孔的面积来决定进入气缸的(未完全燃烧的)火药气体的质量和能量；因此，可以使延迟反冲的火药气体按照需要提供不同程度的作用力以平衡武器的后坐力。 

之所以活塞可以实现所需要的、可以控制的运动速度，是因为火药气体可以被视为均匀流体、各部分压强相等因而通过设计使火药气体对活塞的不同的端面的作用力方向相反而各个端面的面积不同，则最终使活塞运动的有效作用力最小可以为零而最大为活塞的最大端面的面积与火药气体的压强的乘积。在这里，忽略了膛内和气缸内的压力波以及变截面或者爆燃产生的压力异常等情况，而将气体简化为各向同性的均质流体以便利用数学模型反映其燃烧和做功的过程，而通过实验对计算结果进行修正。 

本发明的优点： 

1.现有的所有身管武器都可以轻易装配，不受武器的膛压和初速等因素限制。换言之，可以改装现有武器或者重新设计而实现任何膛压和初速的武器的低后坐力或者无后坐力发射。 

2.极大的减小现有武器的后坐力、后坐行程和后坐系统的质量和体积，降低武器制造成本和制造难度，提高武器生产能力。 

3.因第2项而可以极大的提高武器的机动性。例如，载重2吨的战术卡车在现有技术条件下只能作为大口径机枪和30mm以下的火炮的机动发射平台，而应用本发明则可以使其成为105mm(或者更大口径)反坦克炮的机动发射平台-反坦克歼击车；现有的155mm自行火炮武器重量大多超过40吨，而应用本发明则可以使用轻型轮式车辆作为机动发射平台，这样一来155mm自行火炮武器的总重量可以低于10吨。同理，起飞重量6-10吨级别的直升机可以作为105mm-125mm坦克炮的机载发射平台。 

4.因后坐力的大幅度减小因而可以使手持和抵肩射击的轻武器的威力获得极大的提高、提高射击的稳定性和精度。用于提高武器威力时，将可以使现有的大口径机枪和20-40mm火炮可以抵肩机动发射。 

5.技术适应性强。随着液体火炮和电热化学炮技术的发展，武器的初速将大幅提高而后坐力也将同等增长，若采用机械和液压的反后坐系统则结构重量和尺寸增长数倍甚至会超过武器运用环境的限制而无法运作；而运用本发明反而更加有利，因为火药气体的反冲速率更高则反后坐系统的冲量也会与之成正比的提高，因而不需要改变结构重量和尺寸就可以实现同等效率的反后坐。 

本发明的缺点： 

1.需要火药气体提供能量以平衡武器的后坐力，因此若改装现有武器则在需要较高的反后坐效率时(要求较低效率的情况下则不存在)会导致弹丸初速下降、降低武器威力；而按照本发明重新设计武器并保持原武器的技术性能(初速和膛口动能)则相对于原武器而言需要增加燃烧室容积容纳更多的火药以满足火药气体反冲所需要，因此弹膛部分的尺寸和结构、火药的总量和封装方式、火药的燃烧速度等均需要重新设计。 

2.在需要较高的反后坐效率时(要求较低效率的情况下则不存在)相对于原来的弹药而言增加了火药总量因而提高了成本；增加了气缸和活塞机构等零部件，因而若原武器没有反后坐系统则成本必定增加。 

3.由于火药颗粒高速喷入气缸，会导致火药颗粒碎裂而加速燃烧甚至爆燃，导致气缸内压力波动和冲击，影响武器的机械性能、寿命；火药颗粒体积越大越明显。 

4.武器的火力机动性降低。即同一武器发射不同膛压、初速的弹药时，由于导气孔、气缸容积、活塞机构的性能等均固定不变，因此可能导致反后坐的效率改变甚至使反后坐系统失效，因而武器的后坐力和稳定性也会改变；而若要保持反后坐的效率不变则需要使弹药性能满足反后坐的需要，即部分弹种需要牺牲部分内弹道和外弹道的性能，而若要保持这种性能不变，则增加了武器的设计和制造难度。 

5.由于火药气体的反冲，发射阵地的冲击波、超压随后坐效率和武器威力增加而加强，导致对武器和发射人员的影响甚至伤害，并使发射特征明显而相对较容易暴露发射阵地，也会增加对作战环境的要求。 

应用于燃气涡轮发动机、冲压发动机和火箭发动机时(即定容燃烧脉冲发动机)： 

以亚燃冲压发动机为例，来自于超音速进气道的、经过压缩的亚音速的空气流进入燃烧室，注入燃料产生燃烧，并在燃料完全燃烧后恰好由于活塞的运动而打开燃烧室的排气口，高温高压气体通过排气口并在收敛扩散喷管中被加速到超音速而喷出；在此之前，与在(采用气缸和进气与排气两个活塞机构的)武器系统中应用的活塞关闭进气孔的方法类似，另一个活塞在燃烧的初期(或者在开始燃烧之前)即由于燃烧室内气体的压力作用而迅速关闭进气口、封闭燃烧室使燃料定容燃烧。 

应用于超燃冲压发动机时，超音速进气道内高温高压的超音速气流一部分通过进气口引入燃烧室而另外的部分通过旁通通道排出；引入的超音速气流进入燃烧室体积膨胀、温度和速度降低，同时在进气道内的超音速气流的压力或者燃烧室内气体压力作用下可以按照设计 需要关闭进气口以避免引入过多的空气导致燃烧室内的空气压力和温度过高使燃烧失效；这样一来等于是将原来进气道内的高温的超音速气流转变为低温的亚音速气流，并在燃烧室内定容燃烧；只有当燃料完全燃烧后才能产生足够压力开启排气口以排出高温高压废气，或者将富燃料的废气引入超音速燃烧室以使其在超音速流下稳定燃烧；燃料能够有足够的时间完全燃烧，与进气道几何特性及其变化、超音速激波位置及其变化、进气速度、燃料燃速等条件没有直接关系而在根本上只取决于用于开关排气口的活塞的设计；同样，废气的温度和排出速率与进气道长度、进气速度、燃料燃速等没有直接关系，可以按照需要使废气具有合适的温度和压力以提供最佳的排气速率和推进效率；若进气道几何形状为固定，在不同飞行速度下进气道内气体速率、温度和压力的改变不会直接影响燃烧和做功过程，而只与燃烧室工作脉冲频率直接相关，即改变推力大小但是不影响发动机正常工作(因此这一优点特别有利于旋转冲压转子发动机使其具备低工况下的稳定性和高工况下的高功率输出)。 

以燃气涡轮发动机(包括涡轮喷气发动机、涡轴发动机和燃气轮机)为例，压气机产生的压缩空气通过进气口以亚音速进入燃烧室，注入燃料产生燃烧，在燃料完全燃烧后恰好由于活塞的运动而打开燃烧室的排气口，高温高压气体通过排气口并在收敛扩散喷管中被加速到超音速而喷出，高速喷出的气体作用于高压(和低压)涡轮；若采用特殊的热动力结构如压力盘或气动波转子则可以使高温高压气体直接作用于动力元件而不需要气体在膨胀后才做功因此热效率相比涡轮更高；同样通过活塞开启和关闭进气口和排气口，使燃料定容燃烧。 

另外，也可以用独立的燃烧室取代风扇的作用即从压气机引入压缩空气、输入燃料并在完全燃烧后打开排气口高速喷出废气产生推力，在不改变涡轮发动机核心机的情况下就可以大幅度提高功率。也可以适用于改造涡轮发动机的后燃室，低速飞行状态下新的后燃室(包括身管状燃烧室和开关进气口、排气口的活塞机构)的进气口和排气口均开启或者采用旁通通道使得由风扇排出的低温低速气流自由通行从而产生推力；而在高速飞行状态下则采用脉冲工作方式，来自风扇的低温低速气流通过进气口进入(新的)后燃室后在一定时间关闭进气口，输入燃料并在定容条件下完全燃烧，高温高压废气的压力作用于活塞并通过活塞开启排气口从而高速排出燃料完全燃烧后的废气产生推力，风扇相当于“并联”的低压压气机而整个系统相当于一台涡轮喷气发动机；这样一来燃料燃烧的更充分、温度和压力更高因而具备更高的效率和更大的推力，同时不需要改造发动机基本结构、不需要改变发动机自身的循环参数如增压比、涡轮前温度、空气流量和涵道比等等而只是简单的改造后燃室就可以实现“变循环”工作，在亚音速巡航时降低油耗和噪音而在加速和高速飞行时具备高推力，使发动机在各种飞行和工作状态下都具备优秀的性能，满足超音速客机与大飞行包线多任务战斗机的需要。通常军用涡扇发动机的后燃室仅能产生1.5倍的加力推力，比如军用推力为10吨 则加力推力为15吨，然而采用定容脉冲燃烧室作为后燃室则可以产生2.5-3.5倍的加力推力，即军用推力为10吨则加力推力为25-35吨。 

本发明的优点： 

1.定容燃烧的热循环效率为47％，而定压燃烧的热循环效率为27％。 

2.热效率高、燃料消耗率低、结构简单、能量密度高。 

3.使涡轮发动机在低转速工况下的的热效率与高转速时一致。 

4.更高的燃烧温度和压力带来更高的能量和推力。 

5.温度和压力增加则可以减少燃烧室长度和体积。 

6.可以使冲压发动机速度跨度增大，从低超音速到高超音速(比如2-15马赫)的范围内均可保证发动机正常工作，从而简化发动机设计。 

本发明的缺点： 

1.更高的燃烧温度使燃烧室寿命降低。 

2.活塞的脉冲式往复运动导致燃烧室和发动机震动，降低结构寿命或者影响有效载荷的安装和使用。 

3.脉冲式工作方式使得功率密度在某些应用条件下可能会低于通常的定压燃烧模式，可能反而会增加发动机的体积和重量。 

4.当应用于涡轮喷气发动机用燃烧室取代风扇时，用于产生推力的高温和高速气流相比涡轮风扇发动机的低温低速气流有更多的能量损失，则在较低的飞行速度下效率较低。 

附图说明：

如图1所示，这是气体延迟反冲反后坐系统的示意图。延迟反冲反后坐系统由气缸、导气箍和将要(按照图中箭头指示的方向)分别装配在气缸的头部和尾部的活塞机构组成；此图中枪管和气缸的指向(尾部向头部的方向、进气孔向排气孔的方向或者弹膛向膛口的方向)相同，而根据武器的不同的设计需要也可以使枪管和气缸的指向相反；气缸头部开有排气孔而尾部开有导气孔，枪管靠近弹膛的位置开有导气孔，通过导气箍连接枪管和气缸使二者的导气孔相通；弹药击发后，部分(未完全燃烧的)火药气体通过枪管上的导气孔、导气箍中的通道和气缸上的导气孔进入气缸中继续燃烧；在火药气体压力作用下，安装在气缸尾部的活塞机构在设定的时刻将关闭气缸上的导气孔，安装在气缸头部的活塞机构在另一时刻将开启气缸上的排气孔，就可以使完全燃烧后的火药气体从排气孔高速喷出；利用这部分火药气体的冲量并按照需要设定其运动方向，就可以实现延迟反冲原理以平衡枪管的后坐力。 

如图2所示，此为气缸尾部装配的活塞机构的结构图。气缸尾部固定装配中空圆管状的活塞套，气缸与活塞套的轴线重合，并共同容纳活塞在其中沿着轴线方向运动；活塞为外部有圆环状凸起(如图所示端面B与端面C之间的部分)而内部开孔且一端封闭的圆管，开口方向正对气缸尾部；活塞后部开有通气孔以使端面C、活塞套和活塞外表面所形成的气室与气缸这二者连通；气缸、活塞套、端面B与活塞外表面形成的气室不与气缸连通，可以封闭以作为气体弹簧也可以与外界环境相通保持大气压力。 

如图3所示，此为活塞运动原理图。弹药击发后，部分火药气体通过导气孔进入气缸，燃烧膨胀后的火药气体可以视为各部分压强一致的均匀流体；在轴线方向，火药气体同时作用于活塞的端面A、端面C以及活塞底部；通过设计端面C的面积，使其按照需要大于端面A与活塞中心孔的面积之和，这样一来(沿轴线方向的)作用力的合力可以远小于火药气体对于活塞在任一方向的作用力并且可以根据需要来任意设定合力的大小，使活塞产生设计需要的速度并如图中箭头所指的方向而向气缸方向运动，就可以使活塞在需要的时刻经过导气孔位置并使其关闭。另外，这样的结构显然可以使这个处于气缸尾部的活塞直接作为导气式自动原理中的活塞和活塞杆，只要使活塞反向运动(需要通过设计使活塞端面C的面积小于端面A与活塞中心孔面积之和并且活塞上需要开有导气孔)或者利用杠杆带动枪机框运动即可。要说明的是，此图中及随后各图中对活塞的复位不做描述，通常只是简单的装配复位弹簧或者直接利用不与火药气体连通的气室(活塞端面B、活塞套、活塞外表面以及气缸尾端之间形成的空间)作为气体弹簧就可以实现活塞的复位；同样需要说明，说明书附图中的各图只为说明本发明的原理而不表示具体的结构尺寸、比例和速度。 

如图4所示，当气缸直径过小(比如应用于小口径步枪时)而不适宜容纳活塞在其中运动时，则需要更大直径的活塞和活塞套，因此安装方式改变为气缸和活塞套分别与导气箍固定装配，气缸上则不需要开有导气孔。 

如图5所示，此为在枪管内装配用以开关导气孔的活塞机构的结构图。这种装配方式适合与“膛内活塞自由后坐式自动原理”结合运用。活塞上分别开有通气孔和导气孔，其中导气孔对应的活塞套位置也开有导气孔；导气箍连接活塞套和气缸并使二者的导气孔相通，弹药击发后，部分火药气体分别进入端面C、活塞套与活塞外表面形成的气室以及通过活塞与活塞套上的导气孔(并经过导气箍和气缸上的导气孔)进入气缸内；在轴线方向，火药气体同时作用于活塞的端面A、端面C和弹膛底部，通过设计端面C的面积，使其按照需要小于端面A与活塞(端面A处的)中心孔的面积之和，使活塞产生设计需要的运动速度并向膛底方向运动，就可以使活塞在设定的时刻经过活塞套上的导气孔位置并使其关闭。由此图可知，若采用分装弹药则可以使弹壳和发射药置于气缸中而弹头置于枪管中(导气孔需要开在弹头 后部)，活塞可以灵活设置在枪管或者气缸中，这样的结构适合弹药轴向尺寸比较大或者发射条件受局限的情况。 

如图6所示，此为气缸头部装配的用以开关排气孔的活塞机构的结构图。气缸头部固定装配中空圆管状的活塞套，二者轴线重合，并共同容纳活塞在其中沿着轴线方向运动；活塞为外部有圆环状凸起(如图所示端面B与端面C之间的部分)而内部开孔且一端封闭的圆管，开口方向正对气缸；活塞后部开有通气孔以使端面C、活塞套和活塞外表面所形成的气室与气缸这二者连通；气缸、活塞套、端面B与活塞外表面形成的气室不与气缸连通；气缸在排气孔处装配喷管用以加速火药气体使其高速喷出并控制其喷出方向；初始状态时活塞封闭排气孔，进入气缸内的火药气体继续燃烧膨胀，同时继续作用于活塞的端面A、端面C和活塞底部，根据需要设计端面C的面积，使其按照需要小于端面A与(端面A处的)活塞中心孔的面积之和，这样一来(沿轴线方向的)作用力的合力可以远小于火药气体对于活塞在任一方向的作用力并且可以根据需要来任意设定合力的大小，使活塞产生设计需要的运动速度并向活塞底部方向运动，就可以在设定的时刻经过排气孔位置以使喷管(通过排气孔)与气缸连通(即“打开”排气孔)。(说明：在气缸直径过小的情况下则可以参照图4所表示的方法) 

如图7所示，此为气体反冲示意图。排气孔被活塞“打开”后，气缸内的气体如图中所指示的方向进入喷管(通常利用“收敛扩散喷管”)使高温高压的气体高速喷出；改变喷管的指向可以决定气体的喷出方向；气体反冲形成对喷管的作用力，作用力传递到气缸并通过气缸和导气箍传递到枪管上，形成沿着枪管轴向的反后坐的作用力。(特殊的应用：可以使喷管指向与枪管轴心线垂直，用以平衡枪管和自动机后坐产生的对武器的翻转力矩-例如用于手枪或者榴弹炮的反后坐系统。) 

如图8所示，此为只在枪管内装配活塞机构用以开关排气孔的结构图。这种装配方式适合与“膛内活塞自由后坐式自动原理”结合运用。活塞套(广义上是枪管的一部分)上开有排气孔并与喷管连接；弹药击发后，火药气体的压力作用于活塞，通过设计端面C的面积，使其按照需要小于端面A与活塞(端面A处的)中心孔的面积之和，使活塞产生设计需要的运动速度并向膛底方向运动，就可以使活塞的端面A在弹丸出膛的瞬间运动到活塞套上的排气孔位置从而使枪管通过活塞套和其上的排气孔与喷管相通，这样一来枪管内的高压火药气体一部分从膛口向前喷出而一部分由此排气孔和喷管向后喷出(如箭头所示方向)。 

如图9所示，此为一种定容燃烧脉冲发动机的燃烧室和活塞结构示意图。初始阶段，进气口开启而排气口关闭；压缩空气(在火箭发动机的应用中是燃料与氧化剂)从进气口进入而充满燃烧室，之后喷入燃料(在火箭发动机的应用中只是通过点火)燃烧，在燃烧的初期 阶段即燃烧室内压力开始急剧增加的初期，燃气作用于进气口的活塞使其沿燃烧室的轴线方向运动而关闭进气口，或者(在压力足够的条件下)只是由输入的压缩空气自身的压力推动活塞关闭进气口；燃烧过程中燃气的压力作用于装配在排气口位置的活塞，使活塞沿轴线方向运动并在燃气温度和压力最大(即完全燃烧)时运动到排气口的位置因而使之开启，高温高压燃气通过喷管加速并排出。 

如图10所示，此为一种一体化设计的燃烧室和进气口活塞结构示意图。燃烧室外壳与活塞套合为一体为圆管状结构，圆柱状的导流锥通过整流片安装在活塞套上，活塞在导流锥与活塞套之间而沿轴向往复运动，导流锥与活塞套之间的空间即为(圆环状)进气口。此图为关闭进气口状态的结构剖视图，即在压缩空气如箭头指向通过进气口进入燃烧室后，空气压力或者燃烧初期的废气压力作用于活塞的端面C(利用废气压力的情况下也包括对端面A的作用力)使活塞向进气口方向运动，并在运动一定距离后在设定的时刻关闭进气口。 

如图11所示，此为一种一体化设计的燃烧室和排气口活塞结构示意图。燃烧室外壳与活塞套合为一体为圆管状结构，圆柱状的导流锥通过整流片安装在活塞套上，活塞在导流锥与活塞套之间而沿轴向往复运动，导流锥与活塞套之间的空间即为(圆环状)排气口。此图为关闭排气口状态的结构剖视图，当燃烧室内燃料燃烧即产生压力作用于端面A与端面C，通过设计端面C的面积，使其按照需要大于端面A的面积，使活塞产生设计需要的速度并向燃烧室方向运动(即远离导流锥的方向)；当运动一定距离后在设定的时刻活塞开始打开排气口而此时恰好燃料完全燃烧，废气被导流锥与活塞套之间形成的收敛扩散的(一体化的、圆环状的)喷管加速而如箭头指向高速排出。与图10所示意的燃烧室和进气口活塞机构对接，就可以构成一个完整的定容燃烧脉冲发动机燃烧室分系统。通常这种结构适合于活塞的端面A与内径之比相对较大的情况下。 

具体实施方式：

应用于武器系统并采用气缸。 

(说明：在此部分中，多采用简化计算和估算以便于表明设计思路、设计方法和计算方式，并不是为了得出精确的设计数据。) 

例如，参考25mm机关炮和各国正在研发中的25mm高速榴弹发射器(如美国的“理想单兵战斗武器”-OICW和“理想班组支援武器”-OCSW)，设定武器设计指标为：口径25mm、弹丸质量100g、初速500m/s、最大膛压超过200MPa、身管的膛线部分与坡膛部分总长300mm；要求后坐冲量与普通7.62mm步枪相当(大约为14N·s)以达到可以抵肩和机动发射、气缸(不包括活塞机构)长度不超过400mm；已知条件为：气缸指向与身管相反且火药气体反冲方向与身管轴线平行、已有的膛口制退器的动量效率大于50％。 

按照图1和图2所示意的结构，在身管上安装气缸(指向与图中所示相反)和导气箍。根据膛口动能，估算发射药质量大约为13g、身管后坐动量估算为59N·s。那么，需要气缸内的火药气体的反冲的冲量约为45N·s。设定气缸中火药气体完全燃烧之后的膛压为100MPa，按照公式： 

$V_e=\sqrt{\frac{\mathrm{TR}}{M}\·\frac{2k}{k-1}\·[1-{(P_e/P)}^{(k-1)/k}]}$

其中，V_e＝喷管出口排气速度，m/s 

T＝入口气体的热力学温度，K 

R＝通用气体常数＝8314.5J/(kmol·K) 

M＝气体分子质量，kg/kmol(也称分子量) 

k＝c_p/c_v＝绝热指数

c_p＝气体在恒压下的比热

c_v＝气体恒容比热 

P_e＝出口气体绝对压力Pa

P＝入口气体绝对压力，Pa 

(取k＝1.22，M＝25kg/kmol)可以计算出在P＝100MPa和T＝2400k(考虑到气缸内火药气体的热量损失)时火药气体排气速率约为2500m/s，而1MPa(即大约是排气终了)时速率约为1720m/s，取反冲过程中气体喷出速率的平均值约为2100m/s，因此，用于反冲的(气缸中的)火药气体质量为21.5g，则总的发射药质量为34.5g。根据公式： 

$(p+a\frac{n^2}{V^2})(V-\mathrm{nb})=\mathrm{nRT}$

计算气缸容积(暂时忽略活塞机构内部容积部分)约为191cm²(因火药种类决定a和b而本处为计算方便取余容系数为0.9并且忽略压力修正项)，取气缸内径为25mm则气缸长度约为390mm。 

枪管内的发射药在燃烧过程中，火药颗粒部分燃烧成为高温高压气体而部分仍然为不可压缩的固体，枪管内为气体-固体两相混合物质；固体火药颗粒一方面可以被视为均匀的流体在枪管内和气体一起“流动”，另一方面固体颗粒在膛内和气体中均匀分布，因此可以视为均相流即沿轴线方向气体与固体颗粒速度相同以近似的反映内弹道过程；于是可以将火药发射过程模拟为两个燃烧过程的叠加，即13g火药燃烧膨胀做功推动弹丸发射的同时另外的21.5g火药燃烧膨胀的结果可以被当作是用于“发射”自身到气缸中；当枪管的结构尺寸和装药量(以13g计算)被确定，则其“膛压-时间”(P-T)曲线可计算也可以实测出来，设定从膛 压为0开始而将在t＝t₁时枪管内膛压为(从最高200MPa下降到)100MPa(可以根据“膛压-时间曲线”灵活选择合理的t1值和膛压值)时完全关闭导气孔，现在假设其时间点(实际设计中取决于实际的曲线值)为t₁＝0.5ms；活塞关闭导气孔时气缸中(假设火药等速燃烧因而总质量21.5g的火药中8.96g燃烧成为气体)的压强由气体状态方程求得约为P＝47MPa；气缸内压强增加则导气孔两边的压力变化导致流速和火药气体的体积的改变，根据枪管和气缸的“压强-时间曲线”并取其压力差，即为发射气体-固体混合物质的有效压强；单位时间dt内每增加(8.96g中的)dm质量的火药燃烧产生的气体都将在有效压强作用下通过导气孔被发射到气缸，同时有效压强也会使单位质量的火药颗粒(21.5g火药中的未燃烧的12.54g)被发射到气缸中；取枪管的导气孔截面为控制体边界，由于假设火药气体与火药颗粒是均相因而速率相等，因而可以将火药气体的发射和火药颗粒的发射分别所需要的导气孔的面积分开计算；对于火药气体来说忽略其余容则其密度与压强的关系大致是： 

$\mathrm{\ρ}=\frac{P}{998}(g/{\mathrm{cm}}^3);$

根据公式： 

m＝ρ*S*v*t， 

$v=a*t=\frac{P*S}{m}*t,$

其中m为火药气体的质量、S为导气孔的有效面积(与时间相关而不等于导气孔的实际的面积)、v为发射火药气体的速度、t为发射火药气体的时间，则有： 

$\∂m=\frac{P}{998}*S*\frac{P*S}{m}*t*\∂t$

m＝8.96g、t＝0.5ms、P(假设0.25ms达到最大膛压)取平均值，则可求得发射8.96g火药气体需要的导气孔的有效面积约为： 

S＝145mm²； 

火药颗粒的密度ρ＝1.6(g/cm³)；则同理可求得发射12.54g火药颗粒需要的导气孔的有效面积约为： 

S＝64mm²； 

二者相加即为导气孔的有效面积：S＝209mm²。 

由上式可知，导气孔的有效面积的大小与所需要发射的火药(气体和颗粒)的质量、火药燃烧的温度成正比，更多的质量、更高的温度需要更大的面积；与膛压、内弹道时间成反比，即更高的膛压、更长的内弹道时间需要更小的有效面积。 

在具体的设计过程中，需要实验数据对此过程中的估算值(如火药气体的温度、压强、气体-固体混合物质的流速差、余容系数对结果的影响、能量损失、导气箍内通道的长度的 影响以及设定关闭导气孔的时间、活塞与气缸之间的摩擦力的影响等)进行修正，并且需要实验来确定可能的压力波动，才能精确的计算出导气孔的有效面积。 

需要活塞的运动来关闭导气孔则通常导气孔的实际面积应该是有效面积的2倍或者根据活塞的运动速度和距离来确定。在本例中假设导气孔的面积为418mm²即设定活塞开始运动即开始关闭导气孔、导气孔为沿枪管圆周的矩形孔而轴向长为10mm，因而活塞关闭导气孔的行程为10mm而运动时间为0.5ms(这同样需要在设计时由实验数据修正)、活塞完全关闭导气孔时的速度为40m/s；由于活塞的质量(因为气缸内径和最大压强一定则)可以在一定程度上灵活设定和增减则假设活塞质量为120g，活塞关闭导气孔时气缸中(21.5g火药中的8.96g完全燃烧后)的压强为P＝47MPa且假设气缸内的压强线性变化，根据图3所示端面A与中心孔的面积之和为491mm²，因此求得端面C的面积为900mm²，因此活塞外部圆环状凸起的外径约为42mm。(在具体应用中若结构上允许则可以设定活塞运动方向相反并且在活塞上对应气缸的导气孔的位置也开有同样尺寸的导气孔，即设定活塞的端面A与中心孔的面积之和大于端面C的面积而活塞的行程和运动时间不变，则端面C的面积将为83mm²，因此圆环状凸起的外径约为27mm。) 

开启排气孔的行程与排气孔的面积相关，其面积根据气缸直径、排气速度、排气过程需要的时间而确定(通常用来平衡身管后坐力时排气孔的面积与气缸横截面积相同而用来平衡后坐力产生的翻转力矩时则相对较小以求得较长的作用时间)，由此可确定其轴向尺寸和开启排气孔之前活塞的速度。假设经计算而得要求开启排气孔时活塞的速度为25m/s、活塞从开始运动到开启排气孔的时间为1.2ms、活塞质量同样假设为120g、气缸内压强在开启排气孔(即活塞速度达到25m/s)时为100MPa，根据图6所示端面A与中心孔的面积之和为491mm²，因此求得端面C的面积为441mm²、活塞的圆环状凸起的外径约为34.4mm；而若采用图11所示的一体化结构，假设活塞的管厚为5mm则端面A的面积为314mm²，因此端面C的面积为364mm²、活塞的圆环状凸起的外径约为33mm。 

应用于武器系统而只在枪管内装配用于排气的活塞机构。 

因为不需要设计用于开关导气孔的活塞而只需要开关排气孔的活塞，因此只要采用与装配有气缸的应用类似的计算方法设计活塞的端面面积即可。区别在于，由于膛内火药气体质量和排气时的温度、压力通常都小于应用气缸的设计的情况，因此反冲的冲量通常要小于应用气缸的情况，即通常只在反后坐效率要求不高因而可以使结构简化为取消气缸的情况下运用。 

例如，同样是前例中的25mm榴弹发射器的武器及其性能指标，假设发射药质量为13g、 火药气体(从膛口和排气孔)喷出的平均速率估算为1500m/s、火药气体各有50％分别从膛口和排气孔喷出、膛口制退器的(动量)效率为50％，则榴弹发射器的总的后坐动量为45N·s，而在采用气体延迟反冲反后坐系统之前的总的后坐动量为59N·s。则总的(动量)制退效率为24％。 

假设按照图8所示的活塞结构(即弹膛在活塞内部)、平均有效压强为85MPa、活塞质量为500g、端面A的面积为471mm²(即活塞外径为35mm)、要求活塞开启排气孔时速度为8m/s(运动距离为4.8mm)，则可计算出端面C的面积为923mm²、活塞的圆环状凸起的外径约为49mm；如果使活塞不包括弹膛部分而采用图10所示的活塞结构(直通式的活塞其内径为25mm)并与枪管一起装配于活塞套内以减轻活塞质量，假设其质量为150g则可计算出端面C的面积为11.8mm²、圆环状凸起的直径约为35.2mm。 

定容燃烧脉冲发动机。 

应用于燃气涡轮发动机、冲压发动机和火箭发动机的燃烧室，其结构与应用于武器系统的气缸和活塞机构类似，都是由可以承受高温高压的身管式燃烧室、装配在身管上的活塞机构、通过由活塞开闭的排气口来连通身管的喷管部分组成；进气口和用于开闭进气口的活塞机构又与气缸上的导气孔及开闭导气孔的活塞机构类似，因此可以采用与装配气缸的武器系统相同的设计和计算方法，在给定的输送入燃烧室的气体或者燃料混合物的压力、燃烧温度和压强、脉冲频率的数值下计算出活塞的质量、端面面积和身管的结构尺寸；其中，通过进气口输入的是燃料-氧化剂混合物则通常只能利用混合物自身的压力作用于活塞而关闭进气口，而通过进气孔输入的只是压缩空气或者氧化剂时可以利用其本身的压力以及燃烧初期的压力来作用于活塞而关闭进气口。 

例如，某涡扇发动机定容脉冲后燃室由若干个内径36mm、最大压强为50MPa的管状燃烧室组合而成，进气和排气活塞的外径36mm而内径为25mm；进气速率为600m/s而排气速率要求为1800m/s，则标准大气压条件下可计算出废气温度约为1800K；假设按照图11的活塞结构而设定排气活塞质量为150g、要求活塞运动到开启排气口位置的速度为10m/s、输入燃料和完全燃烧所需要的时间为5ms，则可计算出活塞的端面C的面积为539mm²、活塞的圆环状凸起的外径约为44.5mm；若进气活塞需要设定为在燃烧室内压强达到5MPa时关闭而假设压强为线性变化且忽略进气压力、假设要求活塞完全关闭进气口时速度为25m/s、按照图10所示的活塞结构而设定进气活塞质量为150g，则可计算出进气活塞的端面C的面积为3000mm²、活塞的圆环状凸起的外径约为71.5mm。假设进气和排气时间均为5ms，则燃烧室工作循环的脉冲频率最大为66Hz，因此需要三个定容脉冲燃烧室为一组轮流工作以实现平 稳而连续的进气、燃烧、排气的循环。 

需要说明的是，这样的计算方式未考虑到活塞的复进能量，这可以来自于排气活塞与进气活塞的联动因而需要合并计算活塞的质量、增加蓄能装置并改变(进气和排气)活塞的端面C的面积从而由燃烧室内的化学能来自动提供活塞复进的能量、或者引流一个燃烧室内的高温高压燃气驱动另一个燃烧室的活塞复进；另一方面，上述计算过程只是为了描述活塞的运动原理，而从实际应用的角度而言，为了实现更安全高效的进气和排气循环，通常需要由一组燃烧室的各个排气活塞轮流(或者排气活塞控制下的燃气作用)来驱动进气活塞，这也使得进气活塞与活塞套的尺寸和重量减小，结构紧凑合理。 

Claims (3)

1.本发明的技术特征之一在于利用活塞机构作为开关应用于各种身管武器系统，使火药气体能够按照设计需要在发射弹丸之后向弹丸运动的反方向高速喷出从而形成对身管的作用力因此减小甚至抵消身管的后坐力，活塞的独特结构设计遵循等压强不等面积的原则从而保证了只依靠火药的能量即可按照设计需要实现自动开关的功能而不需要外部能源。

2.本发明的技术特征之二在于利用活塞机构作为开关应用于燃气涡轮发动机、冲压发动机和火箭发动机，活塞的独特结构设计遵循等压强不等面积的原则从而保证了只利用燃料或工质自身的能量而不需要外部能源即可按照设计需要实现自动开关的功能因而使燃料定容燃烧。

3.运用权利要求1或2中所述的本发明所独有的技术而将此技术实现为产品，其技术特征为依据权利要求1或2中所述的原理和运用权利要求1或2中所述的本发明独有的技术作为必要的组成部分才能构成一个完整的产品。

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