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。     

超高速撞击实验的三级压缩气炮技术

介绍了弹速8km/s、氮气驱动三级压缩气炮技术的研究背景。论述了以三级压缩替代二级压缩 在提高氮气驱动多级气炮上限弹速方面的意义。讨论了弹径10mm 的57-37-10三级气炮的驱动气压、泵管 初充气压与发射弹速及高压气室荷载之间的关系。简述了57-37-10三级压缩气炮主要部件的工程设计,通 过实验数据和实物照片表述了57-37-10三级压缩气炮研究工作的进展情况。     

利用二级轻气炮实现重弹丸裸体击靶技术研究

介绍了利用３０ｍｍ口径的二级轻气炮作为发射手段，将２０￣４５ｇ重的钢弹丸发射到２￣４ｋｍ／ｓ，使弹丸－弹托顺利分离，实现钢弹丸裸体击靶的技术，为利用二级轻气炮开展重弹丸情况下的高速碰撞终点弹道效应研究提供了可靠的实验技术。     

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.      

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。     

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。     

三级炮超高速发射技术

介绍了Sandia实验室将二级轻气炮发射的变密度飞片作为输入级、碰撞次级飞片构成三级炮系统而获得超高速飞片的驱动技术。     

用于材料碰撞实验的一级轻气炮

随着战略武器和航天事业的发展,固体在高速高压状态下的物理特性极待人们去研究。如材料的本构关系,加载波和卸载波特性,动态屈服效应,动态断裂和动态相变等等。 一级轻气炮为我们研究上述课题提供了一种得力的实验手段。由于它具有弹速控制准确;使用方便,无废气噪声污染;可供室内使用等一系列优点,六十年代以来,国内外的一些科研教育机构先后建立起具有一定规模的轻气炮实验室。工业发达国家的一些实验室甚至建立了系列轻气地,以满足不同口径和弹速范围的实验要求。那时,我国有代表性的,是始建于七十年代的中国科学院力学研究所的10mm口径一级轻气炮。     

口径57毫米单级压缩轻气炮

本文介绍了口径为57毫米单级压缩轻气炮主要设计参数的选定,炮体结构,弹速和碰撞角的测量以及装调试验的主要结果。     

高速斜入水和水平入水气炮水箱实验系统

为开展模型高速斜入水和水中高速航行的水流场实验研究,研制了立式和卧式气炮与水箱组合的实验系统。通过快速阀和活塞阀控制气炮激发和驱动状态,一级气炮采用高压空气直接驱动弹托和模型,二级气炮采用高压空气驱动重活塞压缩使集气腔中产生高压气体,再驱动弹托和模型达到预定速度。通过调节水箱和发射管角度,使高速模型斜入水或水平入水。其中,立式可变发射角二级气炮可发射质量1～1000 g的模型至2500 m/s最大速度,卧式一级气炮可发射质量1～100 kg的模型至300 m/s最大速度。和小气室、高燃气压力火药驱动方式相比,新型气炮采用大体积、中低驱动压力气室,高压气体更接近等熵膨胀做功,调节高压气体压力,能较好地满足模型质量和速度的宽范围要求。结合光反射通断法测速、高速摄影和阴影流场显示等测量技术,得到立式气炮压缩管重活塞运动速度、压缩管末端压力时间曲线和模型倾斜与水平入水的流场阴影图像。结果表明:重活塞速度在膜片破裂前和理论计算值符合较好,但破膜后差异较大。立式气炮流场阴影图像反映了模型斜入水产生的空中和水中激波以及在气水界面的反射激波、空泡形成和侧向气水界面的破碎与飞溅等现象。从卧式气炮的模型水平入水阴影图像提取气泡轮廓,清楚地看出尾部气泡气水界面的波动和失稳。和商业计算软件Fluent计算结果相比,空泡上游区域基本重合,但尾流区域强湍流导致两者存在明显差异。和水洞实验相比,气炮水箱实验系统近真实地再现高速入水过程伴随的冲击和动态空化等物理现象和模型尺度效应。     

二级轻气炮内弹道的数值模拟与性能分析

为了优化二级轻气炮的设计参数和工作参数,必须进行数值模拟。本文介绍了准一维不定常流的Lagrangian算法,讨论了数值模拟中的若干问题,分析了气动过程。根据我们的数值模拟,归纳了影响气炮性能的一些基本规律,可供选择工作参数时综合分析。     

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.     

一种基于气体炮加载技术和惯性抛射原理的水冲击实验装置

基于气体炮加载技术和惯性抛射原理,研制了一套水冲击实验装置,可实现规则形状水柱按照设定速度发射。该装置在活塞推射技术的基础上,设计了一个抛射筒取代活塞,将水柱装在抛射筒内;利用气体炮产生的动力加载抛射筒,达到设定速度时撞击缓冲件得到减速,筒内水柱在惯性作用下飞出。抛射筒材料采用高强度合金钢,缓冲件材料采用橡胶,抛射筒在装置发射水柱后可再次使用。使用该装置开展了?200 mm×1 m尺寸水柱的发射实验,水柱速度及形状均满足水冲击实验的要求;采用非接触的光电测速方法测量了发射速度,与理论计算结果比较符合。     

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。     

磁流体特性对磁流变火炮后坐阻尼器性能的影响

针对火炮后坐磁流变阻尼器的特点,以某单管25 mm火炮实验用磁流变阻尼器为研究对象,基于Herschel-Bulkley本构模型,建立了该炮磁流变后坐阻尼器的轴对称一维层流模型,获得了不同磁场作用下阻尼力随活塞速度的变化规律。运用火炮的后坐运动方程,计算了不同磁流体特性指数下,火炮的后坐位移和后坐速度。计算结果表明,磁流体特性指数的变化对磁流变后坐阻尼器的性能影响显著。     

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。     

考虑活塞回复的侧向后喷武器两相流数值模拟

为研究活塞回复运动对火药燃气流动的影响,基于两相流理论对活塞控制侧向后喷武器的发射过程进行了数值模拟研究。考虑控制侧向后喷通道开闭的活塞-弹簧系统的往复运动,建立了结合膛内气固两相流、活塞腔内流固耦合和侧向排气管内气体瞬态流动的武器发射过程数学模型,并将数值模拟结果与相关文献进行了比较验证。得到了该武器发射过程中膛内流场分布与稀疏波传播特性,并与普通武器的膛内流场进行了对比分析。进一步研究了活塞回复运动对火药燃气流动和减后坐效率的影响。结果表明:相对于不考虑活塞的回复运动,在弹丸初速都降低1.52%的情况下,因为活塞回复关闭后喷通道,其减后坐效率由38.86%下降到32.88%,说明在此类武器研究中,不可忽视活塞回复运动。     

A ballistic compressor-based experiment for the visualization of liquid propellant jet combustion above 100 MPa

 This paper describes the components and operation of an experimental setup for the visualization of liquid propellant (LP) jet combustion at pressures above 100 MPa. The apparatus consists of an in-line ballistic compressor and LP injector. The ballistic compressor, based on a modified 76 mm gun, provides high-pressure (ca. 55 MPa) clear hot gas for the jet ignition. A piston (projectile) is fired toward a test chamber beyond the barrel’s end, and its rebound is arrested in a transition section that seals the test chamber to the barrel. The LP jet is injected once the piston is restrained, and combustion of the jet further elevates the pressure. At a preset pressure, a disc in the piston ruptures and the combustion gas vents sonically into the barrel. If a monopropellant is used, the jet injection-combustion process then resembles liquid rocket combustion but at very high pressures (ca. 140 MPa). This paper discusses the ballistics of the compression and compares experimental results to those predicted by a numerical model of the apparatus. Experimentally, a pressure of 70 MPa was achieved upon a 12.5 volumetric compression factor by firing a 10 kg piston into 1.04 MPa argon using a charge of 75 g of small-grain M1 propellant. Received: 16 December 1996/Accepted: 15 July 1997