等离子体点火密闭爆发器中火药燃速特性的研究

等离子体与火药的作用规律是影响电热化学发射中能量利用效率的关键因素。研制了采用等离子体点火的密闭爆发器实验系统,对单基药在等离子体作用下的燃烧特性进行了研究。结果表明:等离子体点火可以显著缩短火药的点火延滞时间;实现有效点火的电能的最低阈值低于0.05kJ/g;输入电能可以显著增加火药的燃速。等离子体对所用单基药燃速的增强效果仅体现在电脉冲注入期间,但是随着电能输入的增加,逐渐显示出等离子体注入期后火药燃速增强的趋势。     

破碎发射药形状特征量的计算方法

分析了发射药形状特征量与密闭爆发器试验中发射药的燃烧压力曲线之间的关系,提出了估算破 碎发射药形状特征量的方法,并给出了确定发射药形状特征量的详细步骤。对通过落锤实验得到的不同破碎 程度的发射药进行了密闭爆发器实验,并利用建立的方法计算了该发射药的形状特征量,计算结果与实验结 果吻合较好。     

点火具点火射流蚀剥作用对底排药柱燃烧特性的影响

为了研究底排点火具射流蚀剥作用对底排药柱碎块脱落情况及其燃烧性能的影响,采用半密闭爆 发器实验装置模拟底排弹出膛口瞬态卸压工况,借助高速录像记录点火具点火与底排药柱燃烧的序列图像。 建立底排药柱在半密闭爆发器燃烧的数学模型,计算分析了不同碎块脱落质量引起的平均压力、质量流率和 燃烧时间的变化情况。研究结果表明:蚀剥作用发生在点火具点火初期,导致脱落的底排药剂碎块来不及燃 烧;蚀剥作用主要是强点火射流对底排药柱侵蚀与冲击造成的;碎块总量约占底排药柱初始质量的7%~ 9%,严重影响点火和燃烧的一致性。计算结果与实验值吻合较好。     

固体发射药等离子体点火过程及弹道效应分析

总结了常规火炮点火的现状,分析了固体药电热化学炮（ＳＰＥＴＣ）点火的潜在优势,并对等离子体点火过程中存在的燃速增强机理进行了讨论。作为等离子体点火的弹道效应分析,利用电热增强固体药内弹道、等离子体发生器、脉冲功率源三者的耦合编码,计算了不同点火功率、不同毛细管径对ＳＰＥＴＣ炮弹道性能的影响。     

基于离散单元法的发射装药挤压破碎模拟实验

为了揭示发射装药破碎引起的膛炸现象,急需进行相应装药结构下发射装药挤压破碎数值模拟研究。以硝胺花边十九孔发射药为研究对象,基于离散单元法建立了发射装药挤压破碎模拟系统,同时进行了发射装药动态挤压破碎实验,通过数值模拟与实验获得了不同冲击载荷下的破碎发射装药和挤压应力;分别对获得的破碎发射装药进行了密闭爆发器数值模拟和实验。结果表明:模拟与实验获得的发射装药挤压应力时间历程、密闭爆发器压力时间曲线和起始动态活度比的一致性较好,实验验证了发射装药挤压破碎模拟系统的有效性及合理性。该模拟系统具有重大工程应用价值,为高能发射装药冲击破碎过程和发射装药发射安全性研究奠定了基础。     

发射药粒冲击破碎的数值模拟

为了研究发射药粒冲击破碎对发射装药发射安全性的影响,本文以离散单元法为基础,将发射药粒离散成弹簧-球单元系统,推导了弹簧刚度系数的理论表达公式。采用相应的破坏准则,建立了发射药粒冲击破碎的动力学仿真系统,模拟了发射药粒以不同初始角度冲击刚性边界的破碎过程,并将该方法应用于发射药床挤压破碎动力学计算中,再现了发射药床挤压破碎的动力学过程。发射药床破碎后会导致初始燃面增加,而对内弹道性能产生影响的直接因素是初始燃面的增加程度,采用统计的方法定量地获得了破碎后发射药床的表面积,结果表明破碎后的发射药床表面积增加了35.79%,而试验结果得出的发射药床表面积增加量为32.25%,说明仿真结果与试验结果较为接近,验证了本文理论与模型的正确性。本文研究为进一步研究发射装药挤压破碎对发射安全性的影响提供了重要的计算手段。     

冲击破碎高能推进剂的燃烧异常

为研究高能推进剂的冲击损伤状态对其使用安全性的影响,以爆轰波为加载手段,对NEPE推进剂试样进行冲击损伤。经扫描电镜观察和密度测量,冲击试样的基体材料和固体颗粒破坏严重,密度降低。热分析实验表明,损伤有利于试样中硝酸酯热分解的进行。密闭爆发器实验显示,损伤使燃烧速度加快。     

液体发射药电热化学发射内弹道一维两相流模型及数值模拟

在理论分析的基础上 ,结合实验条件建立了液体发射药电热化学发射内弹道一维两相流数学模型 ,该模型包含电弧等离子体生成和运动、等离子体卷吸液体发射药生成小液滴以及膛内多相流体的相互作用。利用该模型对电热化学发射内弹道过程进行了数值模拟 ,并将模拟结果与实验数据进行了分析比较 ,结果表明模拟结果与实验数据基本吻合。     

膛内等离子体点火及燃烧增强过程数值模拟

在初始点火过程中 ,假设等离子体为充分发展射流流动 ,因而可采用积分近似模型进行描述。而在随后的膛内燃烧过程中通过以经验公式给出等离子体混合长度的方法来处理等离子体的运动 ,并给出了合适的相间阻力及传热公式。通过在计算网格设计中引入了自适应方法提高了数值解精度。计算膛压曲线与实验符合良好。相对常规内弹道情形 ,等离子体能量的注入使在不同时刻膛内的气、固两相速度、压力和膛底温度等出现提高 ,这是等离子体注入后对内弹道的增强过程。计算结果为固体工质电热化学炮的弹道设计提供了理论依据。     

高能推进剂的撞击损伤状态对其燃烧稳定的影响

以大型落锤为加载手段,对高能ＮＥＰＥ推进剂试样产生损伤。扫描电镜观察,基体材料破坏,而固体颗粒无明显变化。热分析试验表明,损伤对以硝酸酯为主的基体材料的热分解有影响。密闭爆发器试验显示,损伤对燃烧稳定有明显影响。     

基于光学诊断的某新型含铝推进剂燃烧特性分析

为探究某新型含铝固体推进剂燃烧特性和规律,在模拟固体发动机的高压条件下,采用可调功率激光器结合高速摄影、发射光谱等光学诊断技术对该新型含铝固体推进剂开展了系统的点火及燃烧过程研究。通过对该推进剂的点火延迟、退移速率、燃烧温度以及团聚物颗粒尺寸的定量测量和分析,明确了该推进剂的点火延迟量级;证实此推进剂的退移速率严格遵循Summerfield燃速公式;判断出其最高燃烧温度高于3 300 K,且随压力增大而升高;通过对燃烧过程中发光凝聚相产物面积的量化分析得出推进剂产物中团聚物粒径尺寸受环境参数的影响规律。     

Nonsteady burning of a solid propellant in a gaseous oxidizer flow

The burning of a solid propellant is investigated for nonsteady heat propagation in the induction zone. The equation of heat conduction in the propellant is solved in finite form for the case of a sharp change in burning rate; the time dependence of the temperature gradient at the propellant surface is obtained and used to investigate the mechanism of collapse of the diffusion flame above the surface. The combustion stability of a propellant burning in a channel with a large free volume is analyzed. The perturbations of the gas-dynamic quantities are related with the perturbations of the burning rate and hence with the properties of the induction zone in the solid phase. An analysis of the dispersion relation for the limiting case of propagation of acoustic waves in a stationary gas shows that the longitudinal acoustic perturbations that develop in the channel may grow with time, interacting with the heated subsurface layer of propellant.Translated from Zhurnal Prikladnoi Mekhaniki i Tekhnicheskoi Fizikt, No. 4, pp. 44–52, July–August, 1971.In conclusion the author thanks B. V. Librovich for formulating and discussing the problem and A. G. Istratov and V. G. Markov for their valuable comments.     

一种排气式膛压模拟装置

为了在实验室条件下简洁、高效地获得与实际相符的膛压曲线,进而开展典型结构和材料膛压载荷响应特性研究,提出了压力舱内发射药燃烧同时发射药气体由排气件排出的膛压模拟装置。结合发射药燃烧理论和等熵流动模型,建立了排气式膛压模拟过程的数学模型。基于理想气体假设,利用Fluent软件模拟泄压过程质量流量规律,并与理论结果对比,确定了流量系数。分别根据76和155 mm火炮膛压曲线特点及小型化设计原则,对模拟装置性能参数进行了优化设计。优化结果表明,获得的压力曲线的增压速率和降压速率基本满足要求,峰值压力达到300 MPa,压力大于30 MPa历时10 ms以上。验证实验结果表明:压力曲线有良好的重复性,且与理论结果一致,装置工作可靠性高;以排放发射药气体方式模拟膛压曲线是可行的。     

Nonstationary burning of propellants with variable surface temperature

The author examines nonstationary processes (combustion at varying pressure, quenching, and ignition) for a model propellant whose burning rate u and surface temperature t₁ depend on pressure p and initial temperature T₀. All the processes in the surface reaction zone and the gas phase are assumed inertialess. It is shown that a theory of nonstationary combustion for such a model can be constructed by analogy with the Zel'dovich theory [1, 2], in which the surface temperature of the powder is assumed fixed. The variation of burning rate with time has been investigated for small sudden pressure changes. It is shown how a sufficiently large and steep pressure drop may cause quenching of the propellant. The process of propellant ignition is subjected to a qualitative analysis.The author thanks O. I. Leipunskii, A. G. Istratov, V. B. Librovich, and A. D. Margolin for their comments and advice.     

Fracture of a burning solid propellant attenuated by a crack-type cavity

A plane steady problem of fracture mechanics for a burning deformable solid propellant attenuated by a crack-type cavity with a burning surface is considered. The crack-type cavity is assumed to have tip zones with bonds between the faces, and mixed boundary conditions are imposed on the propellant charge boundary. The problem of equilibrium of a propellant charge containing a crack-type cavity reduces to solving a system of nonlinear singular integrodifferential equations with a Cauchy-type kernel. Based on the solution obtained, the normal and tangential forces in the tip zones of the crack-type cavity are found. Local conditions determining stability (safety) of the solid propellant burning regime are found.     

组合脉冲压裂加载过程耦合模拟及火药配比影响敏感性分析

基于组合脉冲压裂物理过程,以三种燃速火药柱串联、中心管同步点燃方式,结合火药爆燃加载、压挡液柱运动、射孔孔眼泄流、裂缝起裂、高压气体裂缝内流动及裂缝扩展等子模型,组建多级爆燃压裂耦合模拟模型。并据此分析不同配比火药组合爆燃压裂时,井底压力变化及裂缝延伸情况。结果表明:不同燃速火药串联组合可实现一级火药快速爆燃,瞬间达到多方向射孔孔眼起裂压力,二、三级火药持续长时间燃烧维持高压以充分延伸裂缝的目的;在确定一级快速火药和总火药用量后,井底爆燃压力加载速率和各方向破裂压力均随第三级燃速火药质量比重的增加而呈现降低趋势,但变化不明显;而不同方向裂缝最终延伸长度对二、三级燃速火药的配比具有较强敏感性;在以多方向裂缝安全起裂为目标、设定一级燃速火药后,合理配比三种火药比单一配比高-中速、高-低速火药,可更有效地延长爆燃压裂过程的井底有效持压时间,从而可大幅扩展火药用量上限,提高爆燃压裂裂缝延伸规模。