图 3。1 结构示意图

2。3 活塞驱动系统的工作原理

从以上的结构示意图可以看出整个系统主要由储气罐、活塞、驱动段、膜片组成。基本 原理就是利用储气罐的高压气体充入驱动段而驱动活塞运动，活塞压缩右侧气体进而挤破膜 片。

首先将化学性质不活泼、热传导性低的氮气充入储气罐，直到储气罐内部气压达到预期， 保持一段时间。打开充气孔的锁定装置，使储气罐和左侧驱动段连接，进行充气过程。活塞

两侧压力差达到活塞启动压力后活塞开始向右侧加速运动，驱动段右段气体受活塞挤压 而压力上升。随着活塞向右的挤压，右侧气体压力逐渐上升，活塞加速度减小直到开始减速 运动。此后，分成两种情况分析。一，在活塞减速至速度为零时，膜片两侧压力差仍未达到 破裂压力，则活塞开始向左做加速运动，活塞向左端挤压气体，气体被充入储气罐，此后活 塞做往复运动。二，在活塞速度降低到零之前，膜片两侧压力差达到破裂值，膜片破裂，右 段高压气体从最右端释放到外界。

相比较用火药作为能量源的做法，高压储气罐这种方法更稳定，实验结构更简单，实验 环境也更方便。在这个装置里，活塞运动速度变化较大，速度峰值也较高。活塞作为能量的 传递者和体现者，首先左侧高气压通过活塞的挤压作用将能量传递给右侧，活塞加速度的大 小体现出左右两侧气压的差距。

2。4 活塞驱动系统的工作过程

系统工作过程具体分为三个阶段其中第三阶段又分两种情况讨论。具体过程如下：

图 2。2 活塞运动前

图 2。3 活塞运动过程中

图 2。4 膜片打开，气体外泄

图 2。5 活塞速度为零，膜片仍未破裂

第一阶段：如图 2。2，从充气口打开，高压储气罐开始充气到活塞两侧压力差达到活塞启 动压力值为止。

第二阶段：如图 2。3，从活塞开始运动到膜片破裂或者到活塞向右减速到速度降为零而膜 片仍未破裂。

第三阶段：如图 2。4，从活塞向右运动挤压右侧气体，膜片两侧压力差达到破裂压力，膜 片破裂开始；另一种情况，如图 2。5，从活塞向右的速度降为零（膜片仍未破裂）开始，然后 向左加速运动而循环。

从以上的三个阶段可以看出这个系统有特点，具体包括：

（1）采用环保、分质量小、传热性弱的氮气为工作介质。工作开始前，向装置注入氮气 至所需压力，保持充气并排尽空气。在高压储气罐的充气作用下，活塞两侧达到启动压力差， 活塞开始向右运动，压缩右侧的氮气。驱动端右侧的氮气被挤压从而挤破膜片，氮气从最右 侧释放。

（2）利用活塞充当能量的转移者。将高压储气罐的能量通过挤压右侧低压气体的方式传 递到右侧，类似，当右侧的膜片没有破裂的情况下，活塞会向右加速运动，具有较大惯性的 活塞又将能量传递到左侧。以此类推，循环下去。

整个过程虽然分成三个过程，但是三个过程彼此独立而又互相影响。活塞运动阶段是建 立在充气阶段，充气阶段的快慢又影响活塞的运动状态包括后期的加速度等变量。第二阶段 活塞的运动状态决定驱动段右侧的气体压缩状态，决定膜片的破裂还是活塞运动是否循环， 所以只有通过建立物理数学模型并通过数值计算来进行模拟。