Φ100/30mm口径二级轻气炮研制

Φ100/30mm口径二级轻气炮主要用于EFP(Explosively Formed Projectile爆炸成形弹丸)、PELE(Penetrator with Enhanced Lateral Efficiency横向效应增强型侵彻弹)、分段杆条等杀伤元件对各类目标毁伤机理及高应变率材料动态性能等领域的高速、超高速撞击实验研究。该气炮以Φ100mm单级压缩气炮作为首级驱动,加装可拆卸的Φ30mm发射管,实现了一、二级气炮的功能。本文主要介绍了该气炮的高压锥段、发射管、膜片及活塞等关键零部件的结构设计、调试及实验研究情况。目前该炮作为一级气炮已将20kg弹丸驱动到349m/s,1kg弹丸驱动到1157m/s;作为二级气炮已将100g弹丸驱动到3005m/s,400g弹丸驱动到1520m/s。     

气相爆轰驱动二级轻气炮内弹道数值模拟

二级轻气炮是超高速弹丸驱动技术中使用最广泛的技术之一, 它在超高速气动物理现象及材料高速碰撞下力学性能的实验研究和验证方面起着不可或缺的作用. 中国科学院力学研究所基于爆轰驱动方法研制了一座大型二级轻气炮, 可弥补高压气体驱动能力有限和火药使用受限的不足. 本文基于经过实验验证的准一维数值模拟方法, 详细研究了该设备的内弹道动力学参数及发射性能, 并探讨了不同发射方法及装填参数对设备性能的影响规律和机理. 研究结果表明, 氢氧爆轰驱动相比于高压气体驱动具有明显优势; 不同爆轰驱动方式对弹丸发射性能影响较小, 但其影响到整个设备的强度设计; 对装填运行参数的研究表明增大爆轰段充气压力可以有效加强轻气炮发射性能, 而活塞质量变化对发射速度的影响较为复杂, 轻气炮实际运行中受设备设计指标及模型材料性能的限制, 优化过程中需要同时调整3种参数以达到轻气炮最佳性能.      

一种非火药驱动气体炮内弹道模型及发射诸元协调

介绍一种新型非火药驱动的气体炮,它有五个气室控制气体炮的整个发射过程。给出了该气体炮的结构原理和内弹道数学模型,并通过计算机模拟,分析了这种气体炮的发射参数的协调和优化关系,指出了影响弹丸最大加速度的主要因素。     

活塞发射机构的57mm一级气体炮

叙述了调试５７ｍｍ一级气体炮中所遇到的问题和解决方法，调试发射的结果为：发射管长７．９２ｍ，气室容积０．０１８ｍ＾３在９ＭＰａ空气介质时，可使２８０ｇ弹这到４６０ｍ／ｓ出口速度，注入１８ＭＰａ氢气时，可使２８０ｇ弹丸达到９００ｍ／ｓ出口速度。     

冰弹丸高速发射方法研究

冰弹丸的高速发射技术是认识冰弹丸高速撞击靶板损伤效应的瓶颈技术。利用二级轻气炮作为发射装置,采用液氮杜瓦制冷系统实现温度控制,选择铝质膜片对气压进行控制,利用高速摄像机对冰弹丸的完整性进行观测,并利用丝网测速仪对弹丸速度进行测量,实现了对冰弹丸的高速发射。通过实验验证了该方法的可行性,得到了完整冰弹丸在1516m/s下撞击铝合金靶板的实验结果。     

气体炮及其常规测试技术(一)

随着自由飞行器的发展,常规火炮很久以前就变成了一种试验装置,即用于提供高速度弹丸。就一般火炮而言,它仅能提供2～3km/s的高速度弹丸,这个速度上限是由于火药气体分子量大造成的。如果使用氢气或氦气,由于它们的分子量小,就能得到较高的弹丸速度。 基于这种思想,1946年美国人研制了第一门利用轻质气体作发射气体的炮。以后,以轻质气体为工作介质的各种类型轻气炮装置相继问世。目前这种设备已经发展到可以产生高达11km/s速度弹丸的试验装置。     

非火药驱动的二级轻气炮的发射参数分

介绍了一台５７ｍｍ口径一级压缩气炮驱动的１０ｍｍ口径二级轻气炮，并分析了这种气炮的特点。对其发射参数和发射效果之间的关系进行了数值计算模拟，计算弹速与实测弹速的差异小于１０％。根据计算模拟结果，分析了活塞质量、活塞驱动气压、泵管初充气压和弹丸释放气压等发射参量同弹速和二级气室的气压气温峰值的关系，评估了１０／５７二级轻气炮的发射能力。     

电热炮原理性实验研究

本文介绍了电热炮的基本原理、实验装置结构、等离子体发生器和发射实验结果。实验结果表明,电热炮原理实验的装置是成功的,已将19.3g复合弹丸加速到1.85km/s,穿透30mm厚的钢板。     

组成式气体炮

利用平板碰撞技术，右在靶中产生强度为几十至几百吉帕的冲击波，飞板的加速通常用气体炮驱动。本文介绍了ＬＳＤ实验室正在执行的气体炮改造计划设计方案。为降低改造费用和充分利用原有的设备条件，提出了“积木式”设计案，由这种设计方案建成的组合式气体炮系列，将具有４０－１００００ｍ／ｓ的发射能力，并包含有使弹丸不产生随机性转动的剪式气体炮和具有发射较重弹丸能力的火炮。这些改造计划完成以后，将使冲击动力学的研究     

电热化学炮点火方式实验研究

对比实验表明，利用与等离子体发生器联结的中空管结构从弹丸底部点燃推进剂，不仅可以提高弹丸的出口动通顺学能降低膛内的压力；如果单纯依靠增加电源系统的初始电能提高弹丸的出口动能，其副作用是增加了膛内压力。研究结果表明，推进剂点火结构的合理设计对提高电热化学炮的发射效率有重要意义。     

高压气体驱动二级轻气炮发射过程的数值模拟方法及应用

二级轻气炮是一种常见的超高速发射装置,多年来其数值研究大多采用简化一维模型,鲜有三维有限元模型。以14 mm口径高压气体驱动二级轻气炮为研究对象,采用耦合欧拉-拉格朗日（coupled Eulerian-Lagrangian, CEL）算法,根据膜片破裂与否,将二级轻气炮模型解耦为2个分级三维数值模型。为确定实验难以测得的参数（材料摩擦因数和膜片破膜压力）,设计正交试验,拟合确定活塞与泵管间摩擦因数为0.82,弹丸与发射管摩擦因数为0.30和膜片破膜压力为11.73 MPa。正交结果表明,摩擦因数对计算结果影响较大,在高压气体驱动二级轻气炮的计算中不应忽略。通过上述方法建立数字化高压气体驱动二级轻气炮,完整复现气炮发射过程,计算的弹丸终速与实验结果吻合度高。选取验证工况详细分析了气炮发射过程内流场变化,并呈现关键时刻的压力云图。该气炮简化方法、分级思想和关键参数确认方法可推广应用于固体发射药驱动、爆轰驱动等其他驱动形式的二级/多级轻气炮。     

铝合金Whipple防护结构高速撞击实验研究

为了掌握航天器防护结构受空间碎片高速撞击的损伤破坏模式及其防护性能，采用二级轻气炮发射球形弹丸，对铝合金Whipple防护结构进行高速撞击实验研究。根据实验结果分析了铝合金Whipple防护结构的防护屏和舱壁在不同速度区间的损伤模式特征，以及薄铝板防护屏高速撞击穿孔和舱壁弹坑分布随弹丸直径、弹丸撞击速度变化的规律。通过固定弹丸直径，改变弹丸撞击速度，寻找临界撞击速度的方法获得了铝合金Whipple防护结构在0.5~5.5 km/s撞击速度区间内的撞击极限曲线，并与由Christiansen撞击极限方程得到的撞击极限曲线进行了比较，结果表明，实验最小临界弹丸直径略大于预测值。     

平头弹丸正撞下钢筋混凝土靶板厚度方向的开裂

主要针对钢筋混凝土靶板在受到平头弹丸撞击下发生的厚度方向开裂的问题进行研究,并提出了一个弹丸低速撞击有限厚度板的二阶段模型。模型中第一阶段为侵彻阶段,弹丸受到混凝土介质的侵彻阻力由静阻力和速度效应引起的动阻力组成;模型中第二阶段为开裂阶段,钢筋混凝土靶板发生动态剪切破坏的最大承载力可以通过静态剪切破坏最大承载力乘以一个动态增强因子得到。该模型可以用来预测钢筋混凝土靶板发生厚度方向开裂破坏的临界能量。模型预测与实验结果吻合较好。     

火炮在不同介质中发射的膛口流场特性分析

为研究水下炮密封式发射膛口流场及在不同介质中的膛口流场分布特性,建立了水下密封式发射二维轴对称膛口多相流数值模型.采用VOF(volume of fluid)模型、标准k-ε湍流模型,结合用户自定义函数及动网格技术,分别对水下密封式发射与空气中发射膛口流场演化过程进行了数值模拟与对比.计算结果表明,火炮在水下发射时的膛口流场与空气中发射时有明显差异.水下密封式发射时的最大膛压与空气中基本相同,弹丸初速较空气中发射降低了32 m/s,而膛口压力与温度有明显的升高;水下密封式发射时大约在140μs初步形成马赫盘,而空气中发射时马赫盘形成较晚,约在320 μs;与空气中发射相比,水下发射时的激波核心区面积更小,且弹丸头部不存在冠状冲击波.水下密封式发射时,马赫盘距离膛口轴向位移随时间变化呈指数增长;空气中发射时,马赫盘距离膛口轴向位移随时间变化呈线性增长.     

固体差动随行装药高初速火炮内弹道理论分析

提出了一种基于差动原理的固体差动随行装药的高初速火炮发射方案,该方案能有效克服传统随行装药技术提高初速必将伴随射弹底部最大压力增加的缺点。它的主要特点是运用差动原理,实现不同组合件之间的速度不同,自动压缩储能室使随行工质向弹后连续喷射,有效抑制和消除了弹丸运动引发的稀疏波影响,提高了火炮工作容积利用率。推导了差动随行组合弹丸不同组合件动力学模型,给出了弹载工质物理量分布关系式。计算结果表明,在最大膛压、飞行弹丸底部最大压力、弹重及弹丸行程等不变条件下,随行药量取10.2 kg,某大口径火炮的弹丸初速可提高26%,火炮工作容积利用率提高约44%。该方案可为火炮提高初速和实现超远程发射提供新的途径。     

火炮发射步枪子弹的次口径实验技术

介绍了一种利用25 mm弹道滑膛炮发射7.62 mm步枪子弹的次口径实验技术。利用绝缘胶木弹托解决炮口径远大于子弹弹径的问题,使25 mm滑膛炮易于发射小口径子弹;在子弹后端胶粘一小质量同直径绝缘胶木圆柱,改变弹丸整体质心位置,使质心相对靠前,从而改善子弹发射后的气动弹道特性,保证弹道姿态;在目标靶前分别设置前后阻挡板,以分离、阻挡弹托及弹托碎片,保证弹道实验无附加的碎片效应。     

驱动气体的密度梯度对弹丸发射速度的影响

为进一步提升轻气炮的发射能力，提出采用梯度气体替代单一氢气或氦气作为驱动气体的方法，通过对等直径发射器进行分析，建立了弹丸在梯度气体驱动下的加速运动模型，对比了氖-氦梯度气体驱动与单一氦气驱动的发射能力差异，分析了梯度气体参数对发射性能的影响。结果表明，与单一氦气驱动相比，氖-氦梯度气体驱动能够提升0.4～1.4 km/s的发射速度或降低0.2～0.9 GPa的发射过载；气体的密度和活塞的运动速度对发射速度和过载的影响最大，气体压力和多方气体指数的影响次之；梯度气体中，高密度气体应选择多方气体指数和密度较高的气体（如氖气、氩气等）；梯度气体界面位置（高密度气体占比）对发射速度的影响不大，但高密度气体占比少有利于降低弹底压力。     

轨道炮刨削形成机理分析及数值模拟

基于电磁轨道炮的发射特点,分析了轨道炮刨削形成机理,并利用有限元软件ABAQUS对刨削的形成过程进行了数值模拟。结果表明:非均匀温度分布导致的瞬态微凸体,确实可以引起刨削的发生;刨削的数值模拟结果与实验结果具有较好的一致性;刨槽的损伤程度主要与电枢速度和枢轨间的有效损伤接触面积有关,而枢轨界面载荷对刨削的影响较小;高温材料更容易受到损伤,将缩短其使用寿命;选用硬度高的金属作为轨道材料,在一定程度上可以抑制刨削的发生,但是这将降低轨道的导电性能和轨道炮的发射效率。因此,根据自身实际的需求,确定材料硬度和导电性之间的平衡点,并通过轨道结构上的创新,克服现有金属加工技术的限制将是抑制轨道炮刨削的关键。     

7 km/s以上超高速发射技术研究进展

介绍了毫克至克量级弹丸7 km/s以上超高速发射技术的国内外研究进展,并对各发射装置的工作原理和技术要素进行了简要阐述.基于电磁驱动准等熵加载,美国ZR装置驱动25 mm×13mm×1.0mm铝飞片至46km/s速度,国内CQ系列磁驱动加载装置实现了 10mmx6mmx0.33mm铝飞片18 km/s的发射.借助于金属箔电爆炸产生高压气体驱动,美国利弗莫尔实验室100kV电炮装置驱动9.5mm×9.5 mm×0.3 mm的Kapton膜至18 km/s,国内流体物理研究所98 kJ和200 kJ电炮装置分别驱动?10 mmx0.2 mm Mylar飞片和?21 mm×0.5 mm Mylar飞片到10 km/s.基于阻抗梯度飞片技术,采用汇聚型和非汇聚型结构三级轻气炮,实现了厘米量级铝飞片和TC4钛飞片12～15 km/s速度发射.这些超高速驱动技术的发展,为空间碎片防护研究提供了坚实的技术支持.     

高速碰撞下圆柱壳自由梁的穿孔特性

利用二级轻气炮加载,进行了球状2A12铝弹丸垂直撞击圆柱壳自由梁实验。并进行了弹丸速度、圆柱壳直径和壁厚等因素对穿孔直径影响的数值模拟,数值模拟结果和实验结果基本吻合。通过量纲分析和数值模拟结合,推导了穿孔直径与相关影响参数的经验关系式。研究结果表明:当圆柱壳直径和厚度不变时,高速撞击产生的穿孔直径在径向和轴向都随着弹丸速度增大而增大;当弹丸速度和圆柱壳厚度不变时,高速撞击产生的穿孔直径随着圆柱壳自由梁直径的增大而减小;当弹丸速度和圆柱壳直径不变时,穿孔直径随着圆柱壳厚度的增大而减小。