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。     

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。     

高速弹丸诱导斜爆轰激波结构实验研究

斜爆轰推进系统在高超声速推进领域具有广阔的应用前景,其释热迅速、比冲高、燃烧室结构简单的优点吸引研究人员的持续关注.然而,斜爆轰的地面试验同时涉及到高速试验环境模拟、燃料与氧化剂混合、高温燃烧流场结构测量等技术难点,当前国内外系统的试验研究仍然十分有限,难以支撑斜爆轰发动机的研制.为了研究自持传播的斜爆轰激波结构与波面流动特性,基于爆轰驱动二级轻气炮开展了高速弹丸诱导斜爆轰实验研究,使用直径30 mm球头圆柱形弹丸发射进入充满氢/氧可燃混合气体的实验舱中以起爆斜爆轰波,并采用两种阴影技术对实验流动结构进行测量.实验中在不同速度、不同充气压力下观察到三种弹丸诱导激波结构,即激波诱导燃烧、弹丸起爆爆轰波和相对弹丸驻定的斜爆轰波,实验舱充气压力下降则会造成爆轰横波尺度增加与波面流动失稳.实验中,斜爆轰激波角与理论分析结果吻合较好,弹丸气动不稳定带来较大的弹丸攻角会对激波角测量带来一定偏差.通过对斜爆轰波波面法向传播速度的测量发现,随着远离弹丸,斜爆轰传播速度由弹丸飞行速度衰减至接近实验气体CJ速度,弹丸速度的降低会加速斜爆轰波传播速度的衰减.     

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。     

基于微波干涉测速技术的二级轻气炮/火炮内弹道参数诊断

测量二级轻气炮/火炮弹丸在内弹道的速度历程,对轻气炮/火炮的设计、内弹道计算、弹道异常现象诊断分析具有重要作用。因为不同波长微波的传输特性在不同炮管中不同,不同目标的反射特性也不同,为获得最佳的测试结果,设计了两个波长的微波干涉测速系统。对二级轻气炮和高速火炮的内弹道速度进行了连续测量,并利用短时傅里叶变换与相位计算相结合的方法进行了数据处理。实验成功获取了完整的内弹道数据,所测弹丸炮口速度与光束遮断测速装置测试结果差异小于0.5%。通过对内弹道实验数据的分析,证实了二级轻气炮在某些装填条件下易出现碎弹现象。此外,首次观测到二级炮内弹道内前冲气体速度历史,可为研究高速气体的温度、压力、电离等状态提供数据支撑。     

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。     

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.     

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。     

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。     

超高速小弹丸激光片光测速系统的研制及应用

为满足轻气炮实验中对超高速小弹丸的测速需求,研制了一套激光片光测速系统.系统采用片光压缩技术、光谱滤光技术以及电路滤波和宽带放大技术,解决了超高速小弹丸测速成功率低和易受干扰的问题,测速信号具有较高的信噪比.在轻气炮实验中,该系统实现了对高速小弹丸的速度测量,与激光光束遮断法对比,测量结果的不一致性小于1％,系统的测量...     

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。     

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。     

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。     

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。