介绍

艾姆斯0.5英寸两级轻气枪如图所示(未按比例)。这种枪的操作是从粉末室中的粉末燃烧开始的。活塞通常是一种容易变形的塑料，例如聚乙烯，在泵管中被加速到0.8千米/秒的速度。活塞前的氢气被活塞大大压缩和加热，压力达到7000巴左右，温度理想情况下高达3000 K。在压缩周期的某个时刻，射弹后面的隔膜破裂，射弹开始沿枪管加速下落。活塞和射弹之间高度压缩和加热的氢气可以有大约4公里/秒的声速，并可以将射弹加速到7 - 8公里/秒的速度。

图1.艾姆斯0.5英寸轻气枪示意图。数字：以厘米为单位)是内径或距粉末室盲端的距离。WG1–WG4表示用于测量活塞速度的须规。

炮膛腐蚀是两级轻气枪的一个严重问题.由于发射组件的损坏或破坏，过度的炮管腐蚀会导致发射不良或失败。它还会导致频繁的枪管更换，特别是在较高的发射速度下，以及相应的停机时间。炮管腐蚀还会限制用严重腐蚀的炮管材料装填氢工作气体所能获得的最大速度。

缓解这一问题的一种方法是在各种火炮操作条件下进行一系列计算流体动力学计算，然后从这一系列计算中选择最佳的火炮操作条件，从计算中判断出的可能导致降低火炮侵蚀的条件可以在实际火炮发射中进行测试。

测试

计算方法

为了进行所需的计算，首先需要获得枪管材料(枪钢或碳钢)的热导率、比热和密度。

火炮身管壁内的径向热传导分析是按常规方法进行的。该壁在轴向和径向上被分成多个单元。对于美国宇航局艾姆斯0.5英寸轻气枪，轴向有200至400个单元，径向有16个单元。细胞在管孔处最薄，并且随着向外移动而厚度增加。分析热传导的区域的总径向厚度为0.042厘米。当壁温超过熔点时，材料开始从壁上流失。为了确定壁材料损失的速率，对于每个时间步长，在炮管壁处对第一个单元进行热平衡。

管材的选择

熔点最高的金属是铼、钽和钨。表1给出了这些金属以及钽-10%钨合金的相关性能，钽-10%钨合金被用作枪管衬套。还提供了炮钢的数据。

难熔金属非常昂贵，因此必须在炮管中用作衬里或涂层，炮管的主要材料通常是炮钢。

模量大于枪钢护套模量的内衬/涂层材料不能有效地将载荷传递给护套材料，并且容易开裂。相比之下，那些模量小于护套模量的衬里/涂层材料，特别是如果它们是韧性的，有效地将载荷传递到护套上，并且不容易开裂。

表1.枪管衬套或涂层潜在材料的关键性能

钽和钽-10W及类似合金已被用作军用粉末枪的衬里和涂层，并被证明能有效减少枪管腐蚀。

从表1可以看出，钽的热性能比铼稍差，因为钽的熔点、密度和热导率低于铼的相应值。然而，钽的熔点比炮钢的熔点提高了铼的近90%。很明显，钽是两级轻气炮内衬/涂层的有力候选材料。

模拟的火炮和条件

图.1.艾姆斯0.5英寸轻气枪示意图。数字(以厘米为单位)是内径或距粉末室盲端的距离。WG1–WG4表示用于测量活塞速度的须规。在计算中，隔膜被视为封闭端边界条件，直到隔膜处的压力首先超过隔膜破裂压力；此时，隔膜立即被移除。

表2中有四个数据块，用垂直线隔开.数据块1使用4198型粉末，其余数据块使用4895型粉末。前两个数据块的标称泵管体积为100%，数据块3和4的标称泵管体积分别为60%和40%。数据块之间的收缩锥角也有差异，如表2所示；这些被认为不如粉末类型和泵管体积的差异重要。各种数据块的喷枪配置如下:

数据块1：尺寸如图1。

数据块2：锥角变为8.1°。

数据块WG1右侧所有轴向尺寸缩小607.22cm；锥角改变至8.1度。

数据块WG1右侧所有轴向尺寸缩小911.82cm；锥角改变至8.1度。

对于具有8.1度锥角的区块2、3和4中的数据，锥大端的轴向尺寸被移动以适应该锥角。

表2.模拟数据块的Ames 0.5 "火炮操作条件

在表3中的镜头是以不同的方式建模的。所有45次射击都用钢枪管模拟，并在氢中加入钢(在表中记为“钢，l”)。然后用钢枪管模拟36次射击，并且没有用钢装载氢(在表中记为“钢，没有l”)。

在氢中加入了铼(在表中记为“re，l”)。选择用铼枪管建模的弹丸大多是在高性能火炮操作条件下制造的，从钢换到铼枪管时的初速增益预计最高。

用钽枪管对9次最高性能的射击进行了重新建模，用钽装载氢(在表中记为“Ta，l”)。

表3.观察到或预测到侵蚀的炮管长度

钽、铼和钢管的结果

图1显示了钢、铼和钽管的计算流体动力学初速与钢管的实验初速。可以看出，对于9次注射中的7次，钽管和铼管的结果难以区分。对于第二高速度射击，钽管初速比铼管初速稍小(~0.040 km/s)。对于最高速度射击，钽管的初速比铼管的初速小约0.70 km/s，但即使如此，钽管产生的初速增益约为用铼管可获得的钢管初速增益的82%。结论是，总的来说，钽枪管可以产生铼管获得的炮口速度增益的很大一部分。

图1 数据块1的9次高性能射击中，钢、钽和稀土管的艾姆斯0.5英寸火炮的计算流体动力学初速与钢管的实验初速进行了对比

图2显示了钢管、铼管和钽管的计算流体动力学炮管质量损失与钢管的计算流体动力学初速的关系。图3显示了相同的计算流体动力学炮管质量损失与比率(粉末质量)/(氢气质量)的关系。

钽管的质量损失是钢管的0 ~ 0.14倍，铼管的质量损失是钢管的0 ~ 0.05倍。对于最高速度数据点，耐火金属管的质量损失是钢管的0.25至0.45倍。

图2.钢管、钽管和铼管的0.5英寸艾姆斯枪的计算流体动力学管质量损失与钢管的计算流体动力学初速的关系图

图3.钢、钽和稀土管的0.5英寸艾姆斯枪的计算流体动力学管质量损失与粉末质量与氢质量之比的关系图

图4显示了33-93炮点条件下钢、铼和钽管沿炮管质量损失的计算流体动力学曲线。

图5显示了镜头20-80和图6的相应数据。图6显示了镜头18-78的相应数据。

图4.钢管、钽管和稀土管的艾姆斯0.5英寸枪的33-93发子弹的计算流体动力学管质量损失对枪的距离作图。

图5.钢管、钽管和铼管的计算流体动力学管质量损失为20-80，艾姆斯0.5英寸枪的质量损失为沿枪的距离。

图6.钢、钽和稀土管的艾姆斯0.5英寸枪的18-78发子弹的计算流体动力学管质量损失对枪的距离作图

对于钢管，预计在165–280厘米的管长范围内会发生腐蚀，隔膜的腐蚀范围约为45厘米(图中x = 1635厘米)。除了最高速度的喷丸33-93，耐火金属管的腐蚀长度要小得多，钽管为0-40厘米，铼管为0-25厘米。钢管的最大退壁量为:7发0.003–0.005厘米，第二快发0.008厘米(20-80发)，最快发0.012厘米(33-93发)。对于钽管，相应的数字为0.0–0.0023厘米(7发)、0.004厘米(20-80发)和0.0065厘米(33-93发)。对于铼管，相应的数字为0.0–0.0013厘米(7发)、0.0028厘米(20-80发)和0.0049厘米(33-93发)。

结论

钽的腐蚀仍然比钢管少得多(见图2和图3)，可以看到钽管的初速性能与铼管非常接近(见图1). 即使对于最高速度的弹丸，钽管产生的初速增益约为钢管的82%，这是铼管所能获得的。

钽涂层将比铼更有效地将载荷传递到背衬厚钢管上。钽的延展性也比铼大得多。这将使钽涂层比铼更能承受枪火的热和压力应力和应变而不破裂。此外，钽和钽合金衬里/涂层已成功应用于军用粉末枪。总的来说，钽似乎比铼更适合作为两级轻气枪的衬里/涂层材料，以减少管腐蚀并提高初速。