Lettgasspistol - Light-gas gun
Den lette gasskanon er et apparat for fysikk eksperimenter. Det er en høyt spesialisert pistol designet for å generere ekstremt høye hastigheter. Det brukes vanligvis til å studere høyhastighets påvirkningsfenomener ( hypervelocity research), for eksempel dannelse av støtkratere av meteoritter eller erosjon av materialer med mikrometeoroider . Noen grunnleggende materialforskning er avhengig av prosjektilpåvirkning for å skape høyt trykk slike systemer er i stand til å tvinge flytende hydrogen til en metallisk tilstand .
Operasjon
En lysgasspistol fungerer etter samme prinsipp som et luftstempelsprøyte . Et stempel med stor diameter brukes til å tvinge et gassformig arbeidsfluid gjennom et fat med mindre diameter som inneholder prosjektilet som skal akselereres. Denne reduksjonen i diameter fungerer som en spak, og øker hastigheten mens den senker trykket. I en luftpistol drives det store stempelet av en fjær eller trykkluft, og arbeidsfluidet er atmosfærisk luft.
I en lysgasspistol drives stempelet av en kjemisk reaksjon (vanligvis krutt ), og arbeidsfluidet er en lettere gass, slik som helium eller hydrogen (selv om helium er mye tryggere å jobbe med, gir hydrogen den beste ytelsen [ som forklart nedenfor] og forårsaker mindre erosjon av lanseringsrøret). Et tillegg som en lysgasspistol legger til luftvåpenet, er en bruddskive , som er en plate (vanligvis metall) med nøye kalibrert tykkelse designet for å fungere som en ventil. Når trykket bygger seg opp til ønsket nivå bak skiven, river disken seg opp, slik at høyt trykk, lett gass kan passere inn i fatet. Dette sikrer at den maksimale mengden energi er tilgjengelig når prosjektilet begynner å bevege seg.
En bestemt lysgasspistol brukt av NASA bruker en modifisert 40 mm kanon for kraft. Kanonen bruker krutt til å drive et plaststempel (vanligvis HDPE ) nedover kanonløpet, som er fylt med hydrogengass under høyt trykk. På enden av kanonløpet er det et konisk snitt som fører ned til 5 mm fatet som skyter av prosjektilet. I denne koniske seksjonen er det en skive i rustfritt stål, omtrent 2 mm tykk, med et "x" mønster skåret inn i overflaten i midten. Når hydrogenet utvikler tilstrekkelig trykk for å sprenge den skårede delen av skiven, strømmer hydrogenet gjennom hullet og akselererer prosjektilet til en hastighet på 6 km / s (22.000 km / t) i en avstand på omtrent en meter.
NASA driver også lette gasskanoner med lanseringsrørstørrelser fra 4,3 mm til 38 mm ved Ames Research Center . Farlig testing utføres ved White Sands Test Facility . Disse våpnene har blitt brukt til støtte for forskjellige oppdrag som begynner med Apollo-program for reentry-studier på 1960-tallet og sist for høyhastighets termisk bildebehandling. Hastigheter fra 1 km / s til 8,5 km / s kan oppnås. Den største av disse involverer et 6,25-tommers (159 mm) diameter stempel som veier mer enn 21 kg for å komprimere hydrogenet.
Arnold Air Force Base 's Range-G er det "største rutinemessige opererte to-trinns, lette gass pistolsystemet i USA". Range-G bruker utskiftbare lanseringsrør fra en borediameter på 3,3 tommer (84 mm) til 8,0 tommer (200 mm) med et 14,0-tommers (360 mm) stempel som veier opp til 2300 pund (1000 kg). Prosjektilhastigheter kan nå 4,5 kilometer per sekund (16 000 km / t) for 8,0-tommers (200 mm) konfigurasjon og 7 kilometer per sekund (25 000 km / t) for 3,3-tommers (84 mm) bærerakonfigurasjon. Den primære bruken av rekkevidde på Arnold Air Force Base er måling av frigitt kinetisk energi ved prosjektilpåvirkning.
Designfysikk
Snutehastigheten til en luftpistol , skytevåpen eller lysgasspistol er begrenset av, men ikke begrenset til, lydhastigheten i arbeidsfluidet - luften, brennende krutt eller en lett gass. Opp til lydhastigheten gir termodynamikken en enkel, tilnærmet beregningstilnærming: prosjektilet akselereres av trykkforskjellen mellom endene, og siden en slik trykkbølge ikke kan forplante seg raskere enn lydhastigheten i mediet, antyder termodynamisk analyse at snutehastigheten er begrenset til lydhastigheten. Imidlertid, utover lydhastigheten, gir den kinetiske teorien om gasser , som bestemmer lydhastigheten, en mer detaljert analyse med hensyn til gasspartiklene som omfatter arbeidsfluidet. Kinetisk teori indikerer at hastigheten til gasspartiklene er Maxwell-Boltzmann fordelt , med hastigheten til en stor brøkdel av partiklene som overstiger lydhastigheten i gassen. Den brøkdelen av gassen kan fortsette å legge press på og derfor akselerere prosjektilet utover lydhastigheten i avtagende mengder når prosjektilets hastighet øker.
Lydhastigheten i helium er omtrent tre ganger så høy i luft, og i hydrogen 3,8 ganger så høy i luft. Lydhastigheten øker også med temperaturen på væsken (men er uavhengig av trykket), slik at varmen som dannes ved kompresjon av arbeidsfluidet, tjener til å øke maksimal hastighet. Fjærstempelluftpistoler øker temperaturen på luften i kammeret ved adiabatisk oppvarming ; dette øker den lokale lydhastigheten nok til å overvinne friksjonstap og andre effektivitetstap og drive prosjektilet med mer enn lydhastigheten under omgivelsesforholdene.
Hybrid elektrotermisk lysgasspistol
Den hybride elektrotermiske lysgasspistolen fungerer på lignende prinsipper for standard lysgasspistolen, men legger til en lysbue for å varme lysgassen opp til høyere temperatur og trykk enn stempelet alene. Buen påføres i kammeret som inneholder lett gass, og hever temperaturen og trykket til det punktet hvor gassen både bryter den sprengende skiven og antenner drivstoffet bak stempelet, som er perforert for å tillate antenning. Den resulterende kombinasjonen av elektrisk oppvarming og stempelkompresjon gir høyere trykk og temperaturer, noe som resulterer i mer kraft og høyere potensialhastighet enn en vanlig lysgasspistol.
Effektprofil
Når prosjektilet avfyrt av en lysgasspistol påvirker målet, avhenger trykket av massen til prosjektilet og overflatearealet eller tverrsnittet som støtkraften fordeles over. Fordi luftlanserte prosjektiler opplever friksjon med luftmolekyler, øker luftmotstanden proporsjonalt med økt prosjektiloverflate, noe som resulterer i langsommere hastigheter jo større overflatearealet til et prosjektil er. Som sådan vil et tett og smalt prosjektil bruke mer trykk generelt enn et lett og bredt. Ser på konstante tverrsnittsprosjektiler, har forskere nylig begynt å variere prosjektilens tetthet som en funksjon av lengden. Siden prosjektilene beveger seg med en kjent hastighet, har endringer i tetthet som en funksjon av lengden et forutsigbart forhold til slagtrykket som påføres som en funksjon av tiden. Med materialer i et bredt spekter av tettheter (fra wolframpulver til mikrosfærer av glass ) påført i tynne lag, kan nøye laget prosjektiler brukes i eksperimenter med konstant trykk, eller til og med kontrollerte kompresjon-ekspansjon-kompresjonssekvenser.
Se også
- Forbrenning lysgasspistol , en pistol med høy hastighet som bruker forbrenningsgass som drivmiddel.
- Ram-akselerator , en høyhastighetspistol som bruker forskjellige prinsipper for å oppnå lignende prosjektilhastigheter.
- Sjokkrør , et verktøy som brukes til å demonstrere egenskapene til gasser med høy hastighet.
- Voitenko kompressor , en formet ladningsdrevet enhet som bruker hydrogengass til å akselerere tynne skiver opp til ca 40 km / s.
- Super High Altitude Research Project
- Rompistol
Referanser
- ^ "Remote Hypervelocity Test Facility" . NASA . 2014-07-31. Arkivert fra originalen 30. juli 2014.
- ^ a b "Hypervelocity Range Facility" . Arnold Air Force Base. 2008-12-11. Arkivert fra originalen 2013-03-18.
- ^ US 5429030 Hybrid elektrotermisk lysgasspistol og metode
- ^ Hybrid elektrotermisk lysgasspistol og metode , US patent 5,429,030 Tidman 4. juli 1995
Eksterne linker
- Lawrence Livermore National Laboratory gasspistol
- QuickLaunch, også kjent som TekLaunch, planlegger å kommersialisere en 1 km hydrogenpistol for å skyte drivstoff til bane med lav jord
- Test Sequencer og høyhastighetskamera-kontroller med sanntidsreaksjon på hypervelocity-hendelser og utløse prediksjonsfunksjoner