Internal Ballistics of a Light Gas Gun : Theory, Simulation and Parametric Study

En lättgaskanon är en typ av kanon som används vid experiment där mycket snabba förlopp är av intresse, till exempel hypersonisk strömning och höghastighetskollisioner. Kanontypen når betydligt högre hastigheter än en konventionell kanon då projektilen accelereras genom eldröret av en gas med låg molekylmassa som vätgas eller helium istället för krutgaser. Denna lättgas komprimeras först till högt tryck och temperatur i pumptuben av en kolv som accelererats av en krutladdning. Pumptuben är ett rör anslutet till eldröret som initialt är frånskild av ett membran. För kanonen kan en mängd olika parametrar varieras och hur dessa ska väljas för att en viss mynningshastighet ska nås är inte självklart. Vid FOI har val av parametrar historiskt gjorts baserat på erfarenhet och genom experiment vilket kan vara tidsödslande. Syftet med examensarbetet var därför att simulera kanonen och undersöka hur olika parametrar påverkar dess prestanda. Forskningsfrågor som skulle besvaras var hur olika parametrar påverkar projektilens mynningshastighet och vilket utav två eldrörsalternativ som är bäst lämpat för en viss projektilvikt. Det innerballistiska förloppet i kanonen har simulerats för olika parameterkombinationer med ett program utvecklat specifikt för lättgaskanoner vid NASA:s Ames Research Center och modellen har i viss mån kunnat jämföras mot experimentell data. Resultatet av simuleringarna är att mängden lättgas och krut båda har stor inverkan på mynningshastigheten och att högre kolvvikt jämnar ut trycktoppar som uppstår till följd av stötar i gasen. Att ändra membranets öppningstryck ger ingen förbättring av kanonprestandan för den undersökta projektilvikten och utav de två eldrören som undersökts är det med större kaliber mer lämpligt för de aktuella experimenten.A light gas gun is a type of gun which is used for experiments when high velocity phenomena are of interest, such as hypersonic flow and high-velocity impacts. The gun type can reach much higher velocities than a conventional gun as the projectile is accelerated down the barrel by a gas with low molecular mass such as hydrogen or helium instead of combustion gasses. This light gas is first compressed to high pressure and temperature in the pump tube with a piston which is accelerated with a propellant charge. The pump tube is connected to the barrel but initially separated from it with a membrane. A vast array of parameters can be varied on the gun in order to achieve a target muzzle velocity and their selection is not trivial. Historically parameters have been selected at FOI through experience and experiments which can be tedious. The purpose of this thesis was to simulate the gun and investigate how various parameters influence its performance. The research questions to be answered was how the parameters influence the muzzle velocity of the projectile and which of two barrels is the most suitable for a given projectile weight. The internal ballistics of the gun was simulated for various combinations of parameters using a program specifically developed for light gas guns at NASA's Ames Research Center and the model has to some extent been compared to experimental data. The result of the simulations shows that the amount of light gas and the propellant charge have a significant effect of the achieved velocity and that the weight of the piston has a reducing effect on the pressure peaks caused by shockwaves in the gas. Changing the opening pressure of the membrane does not improve gun performance for the investigated projectile weight and of the two barrels investigated the one with larger calibre is better suited for the experiments of interest.