[0001] 本发明属于航空、航天、汽车、兵器等领域，涉及记录器(黑匣子)冲击试验用弹托及脱壳器设计技术，具体涉及一种特别适用于大质量弹丸的高速强冲击试验用的弹托结
构。

[0002] 航空、航天、汽车、兵器等领域中，记录器(黑匣子)用来记录和保存数据，是一种在高速强冲击应用场景对记录和保存数据进行保护的抗坠毁单元，例如：飞机、汽车、轮轨等
设备在寿命周期内以及导弹、炮弹等在研制初期记录关键数据的抗毁设备。

[0003] 目前，记录器的强冲击试验多采用火炮或者气炮设备实现，按照强冲击试验相关标准，要求分离后的撞击速度≥159m/s，撞击加速度值大于5000g乃至上万G,通过高速摄像
系统进行测量并转化为加速度过载值。在整个试验过程中，弹托作为传递运动的介质存在，
由记录器和夹具组成弹丸安装在弹托内，在高压气流推动下在炮管内做加速运动，然后在
脱壳器的阻挡下使弹丸与弹托分离，弹丸依靠惯性穿过脱壳器中间孔并撞向载荷发生材
料，弹托在脱壳器作用减速并碎裂碎片及粉末会在气流的作用下飞向受试产品，并对高速
摄像检测过程形成遮挡。

[0004] 对于如何避免弹托碎片及粉末对高速摄像机产生遮挡的问题，目前有两种解决方案，一种是弹托采用高韧性，并抗冲击的塑料材料或者复合夹层制成，弹托高速飞行后被脱
壳器拦下并发生缓冲变形，滞留在脱壳器内。此方案的弹托只是发生变形不易碎裂，且脱壳
器可以经受多次高速撞击试验时不会失效，但是需要将脱壳器从炮管上分离，再取出变形
弹托后再将脱壳器装回，存在试验效率较低的问题。同时，由于弹托采用密度较大的塑料或
者复合材料，导致整体重量较大，对于脱壳器的冲击力伤害较大，需要频繁的更换或者维护
脱壳器，大幅增加了成本大。

[0005] 另外一种是通过质量较轻的发泡材料或者复合夹心结构包裹弹丸的弹托内芯，使得整体重量下降，利用弹托内芯遮挡脱壳后的发泡材料飞沫，优点是利用弹托内芯脱壳后
导向碎裂并阻挡部分飞沫，实现脱壳器内残渣的快速清理和恢复，但是存在弹托内芯制作
成本高、弹丸需要额外增加固定装置和弹托发泡飞沫的遮挡效果取决于飞沫的大小、防遮
挡效果不稳定的问题。

[0026] 下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

[0027] 以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请
一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实
施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神
下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例的特征可以
相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所
获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0028] 在本实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解
为对本发明创造的限制。

[0029] 此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个及两个以上。

[0030] 还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘
制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可
能更为复杂。

[0031] 本发明实施例公开了一种高速强冲击试验用的弹托结构，该弹托结构用于大质量(如≥10KG)弹丸的高速(如≥150m/s)强冲击试验，参见图1所示，所述弹托结构包括弹托1
和配合使用的脱壳器2，弹托1的重心在圆径轴线上，且弹托1内放置有弹丸3，弹丸3是由夹
具夹持记录器后形成的。弹丸3的外径与脱壳器2的最小内径的单边间隙值大于2倍弹丸3在
垂直方向的落差，本发明实施例中择优选择两者之间的单边间隙≥10mm。弹丸3与弹托1内
部型腔121之间的间隙不大于1mm。

[0032] 本发明实施例中，弹托1是一个具有半球状受压面的弹头结构，内部有放置弹丸的型腔121；型腔121≤1.5°拔模角度为方便脱模进行设计。弹托1通过去除材料方法保证与弹
丸3的配合间隙。具体来说，参见图1和图3所示，所述弹托1包括一体成型的半球部11和圆柱
部12，在脱壳时所述圆柱部12自由端面与所述脱壳器2接触。所述圆柱部12内设有容纳弹丸
3的型腔121，所述圆柱部12上沿圆周向分布有多个定向开裂槽122，每个所述定向开裂槽
122沿所述弹托1的径向方向延伸，定向开裂槽122的设置应使得弹托1满足弹丸3安装和炮
膛内过载运行的强度要求。

[0033] 在圆柱部12的一个可选的实施例中，根据圆柱部12的尺寸，定向开裂槽122可以设置为多个，例如可以设置为4～12个，本发明实施例中择优选择在圆柱部12上沿圆周向均匀
设置6个定向开裂槽122。每个所述定向开裂槽122的长度为所述弹托1长度的0.3～0.5倍，
宽度为3～5mm，且根据实际炮膛内高速运行所需的弹托过载强度需求，使定向开裂槽122的
深度不超过圆柱部12壁厚的0.2～0.5倍。

[0034] 在圆柱部12的一个可选的实施例中，参见图2所示，所述圆柱部12的外周壁上沿所述半球部11至所述圆柱部12自由端面方向加工有截面为V型的圆环123，具体来说圆环123
的最深处尺寸不超过圆柱部12壁厚的一半，且可以将其设置与定向开裂槽122深度一致，且
可以将圆环123与圆柱部12上撞击端面之间的夹角设置为不大于45°。

[0035] 在圆柱部12的一个可选的实施例中，所述型腔121的深度小于所述弹丸3的长度，使所述弹丸3安装至所述型腔121内后，所述弹丸3超出所述圆柱部12自由端面约10mm以上
(此高度为弹丸3和弹托1重心允许的最大偏差值)。

[0036] 本发明实施例中，将弹托1与高压气体接触的面设置为半球部11，半球部11一方面可以使得弹托1的重心在装入的弹丸3整个结构的重心之后，弹托1的重心和重量是可以通
过调节内部半球形状实现的。另一方面可以将发射时的高压气体的冲击力均匀分布在整个
半球面，使其相比其他平面承压面的受力更均匀，相同气压压力下承力面压更小，对于材料
本身的强度要求更低，选择材料更多，设计成本更低。

[0037] 在具体实施时，使半球部11的直径略小于炮管的内径，并通过弹托1本身的油性脱模剂润滑炮管，同时通过油膜对高压气体形成一定的密封作用。

[0038] 再者，在半球部11的一个可选的实施例中，参见图2所示，在脱壳后为便于弹托1快速的碎裂和减少弹托1的重量，参见图2所示，在所述半球部11内设有与所述型腔121连通的
减重腔111。

[0039] 在上述弹托1的一个可选的实施例中，所述弹托1采用硬质聚氨酯仿木发泡材料通过特定模具发泡成型的，且所述弹托1与所述弹丸3的重量比为1:6～1:10，通过提高质量差
比，可以使得脱壳后速度比差大，脱壳碎片加速小，滞后于受试过程的时间间隔更长。同时，
需要使弹托1和弹丸3的重心都在弹托1的轴线上，且使得安装后弹丸3的重心在弹托1的重
心的10mm范围内，保证脱壳后产品姿态不会有大的偏差。

[0040] 在上述弹托1的一个可选的实施例中，采用所述硬质聚氨酯仿木发泡材料制备所述弹托1时，在所述硬质聚氨酯仿木发泡材料发泡时添加有纤维增强物，且所述硬质聚氨酯
3
仿木发泡材料的发泡泡沫密度≥300kg/m。通过纤维增强物的添加可以增加发泡成核率，
使得聚氨酯依附在纤维上发泡并形成较大的结块，提高强度并减少粉末产生。

[0041] 优选地，所述纤维增强物的添加量小于所述硬质聚氨酯仿木发泡材料质量的20％，所述述纤维增强物的长度大于等于所述弹托1与所述脱壳器2之间的间隙。在加工成
型时，纤维增强物应预先通过硅烷偶联剂增强纤维与发泡物的联接性能，模具采用含硅的
油性脱模剂如硅基油性脱模剂或润滑脂，并在50℃的模温下保压不小于30分钟，模具锁模
3
压力不小于15MPa；脱模后的弹托1的密度不小于300kg/m ，拉伸强度不小于15MPa。硅基油
性脱模剂的使用可以使得弹托1内外表面形成硅基油膜减少弹托1在炮膛内的摩擦力，并对
炮膛内壁进行维护、保养，同时减少弹丸3分离时的阻力，避免附加固定约束装置影响弹丸3
分离姿态。

[0042] 进一步地，参见图1和图4所示，所述脱壳器2与所述圆柱部12接触的环形端面(即撞击面)上沿圆周方向设有切割刀片21，切割刀片21的数量不少于定向开裂槽122的数量，
切割刀片21可以快速将弹托1切割成大块，并被脱壳器2进行阻挡，避免其对高速摄像摄录
撞击靶材过程造成遮挡。

[0043] 优选地，所述切割刀片21为三角切割刀刃，所述三角切割刀刃的宽度小于所述定向开裂槽122的宽度，其中，参见图4所示，三角切割刀刃中靠近脱壳器2内径处为刀刃最高
处，由脱壳器2内径至外径方向刀刃高度逐渐减小，且刀刃两侧夹角不大于45℃。本发明中
可以采用仿木聚氨酯并利用纤维增强弹托的强度，此时必然使得撞击后弹托1不易破碎，脱
壳器2承受更大的撞击力，因此利用定向开裂槽122和切割刀片21的配合可以快速将弹托1
切碎，形成较大的碎块，快速耗散撞击力，减少脱壳器2承受的冲击。同时因为弹托1材料强
度提高，形成的碎块不易破碎成粉末，更易于被脱壳器2阻挡，有利于高速摄像系统的测试。

[0044] 使用本发明上述实施例中弹托结构进行高速强冲击试验时，高压气体推动弹托1在炮管内高速运行并将速度传递给弹丸3，弹托1在脱壳器2的阻挡下停止运动并碎裂成块，
弹丸3在惯性作用下通过脱壳器2的内腔孔继续高速飞行撞击波形材料。

[0045] 本发明实施例实现了如下技术效果：

[0046] 1.通过采用质量较轻、强度增强的硬质聚氨酯仿木复合发泡材料单独发泡制作成带有半球承压面的子弹外形，内部设计可调重心的脱壳内腔，相对于其他弹托，结构简单，
原料便宜，可加工性能好，适合各类弹丸的弹托制作，原材料价格便宜，制作成本低。

[0047] 2.采用单一材料制作弹托1，减少类似弹托1内芯、遮挡罩，密封橡胶槽、固定装置等附属零部件，极大的降低了弹托的设计复杂度和重量；弹托1设计定向开裂槽122和具有v
型截面的圆环123，结合脱壳器2的切割刀片21(三角形切割刃)，脱壳时弹托1快速分裂并卸
载压力，减轻了对脱壳器2的撞击伤害，降低了脱壳器2的设计要求，提高了脱壳器2的使用
寿命；同时脱壳后沿定向开裂槽122切分解，并被脱壳器2的三角型切割刃分解成较大的碎
片，被脱壳器2有效阻挡，避免碎片在压缩气体的推动下穿过脱壳器2飞向弹丸3，影响高速
摄像。同时切割后的弹托碎片相对于其他的弹托结构小很多，无需拆装脱壳器2可实现弹托
碎片清理，提高试验效率；

[0048] 3.在采用硬质聚氨酯仿木复合材料制备弹托1时，为使得成型物的强度更高，通过添加纤维增强发泡成核率和成型强度，通过硅烷偶联剂增加聚氨酯分子间的交联强度，整
体提高基体强度。较大的强度可以避免飞沫产生，最大程度减少飞沫对测试系统的影响；

[0049] 4.将弹托1设计为圆柱部12和半球部11，半球部11使得推力承压面更大，相较于平面推压面对于气密的要求性降低，并对于弹托1设计强度要求降低，设计选择性更大，采用
可调重心的型腔121设计，可以使的弹丸3和弹托1重心布局更匹配合理，弹丸3脱壳后的姿
态变化更小。弹托1端部的型圆环和口部45°倒角，可以最大限度的减少口部脱壳碎片对于
弹丸姿态的影响。

[0050] 5.采用控制型腔121开孔和弹丸3间隙方法确保弹丸脱壳阻力小，利用内腔发泡后的自结硬皮上的脱模剂油膜减少弹丸3脱模阻力，相较于固定装置更易于操作实施，脱模阻
力更小，并且成本低廉，适用于各类复杂的弹托内芯外部构型。脱模后自结硬皮上的硅基油
性脱模剂油膜，在试验中既减小了弹托在炮膛内的摩擦阻力，同时对炮膛进行了润滑保养，
避免了专门针炮膛的维护保养工作。

[0051] 显然，本领域的技术人员应该明白，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在
本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护
范围之内。

[0052] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当
将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员
可以理解的其他实施方式。