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。     

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.      

燃烧轻气炮多级渐扩型燃烧室流场特性数值研究

为了分析多级渐扩型燃烧室结构对燃烧轻气炮氢氧燃烧特性的影响, 通过计算流体力学方法, 分别对采用传统圆柱型燃烧室和多级渐扩型燃烧室的燃烧轻气炮氢氧燃烧发射过程进行数值模拟。对比结果表明, 多级渐扩型燃烧室结构能够明显地减小燃烧室压力波动幅度, 提高氢氧燃烧稳定性; 多级渐扩型燃烧室内形成回流区, 可以减小气流轴向运动速度; 火焰扩展形态与渐扩型结构相吻合, 燃烧反应区表面变化平稳; 多级渐扩型燃烧室结构对氢氧火焰传播过程和压力波动现象有着重要影响。     

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。     

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。     

一级气体炮内弹道数值模拟

利用拉格朗日方法跟踪弹后工质的运动规律，对一级轻气炮内弹道进行一维数值模拟。用此编码对我所φ100mm一级气体炮的内弹道进行计算，所得结果与实验弹道参数符合良好。并对影响弹丸速度的主要因素进行了简要的讨论。     

平衡炮经典内弹道仿真计算

为精确计算内弹道诸元,考虑到平衡炮中的大装药量和平衡炮结构特点及点传火药对内弹道性能的影响,利用经典内弹道法对某口径的平衡炮进行了仿真计算,理论计算与实验结果相吻合。     

点火管破孔的随机过程的一维两相流计算

从宏观的角度考虑了破孔过程中的随机因素,提出了破孔压差的概念,把各个传火孔的破孔压差看作是服从正态分布的独立随机变量,建立了该过程的随机模型,并用Monte Carlo方法进行了随机模拟。所得结论对点火系统的设计安全性具有一定的指导意义。     

爆燃动力装置内弹道的优化设计

为了研制一种具有特殊功能的爆燃动力装置,并确保该爆燃动力装置做功能力的精确化,涉及一种爆燃动力装置的内弹道数值模拟、优化设计及实验验证技术。在建立爆燃动力装置内弹道物理模型、分析装置做功过程的基础上,应用经典内弹道理论,获得了爆燃动力装置内弹道数学模型,并开展内弹道数值模拟;依据爆燃动力装置评价指标,确定了遗传算法的目标函数、优化设计变量及约束条件,获得了爆燃动力装置内弹道设计的优化解;依据相似理论原理,开展了爆燃动力装置推门模拟实验。实验表明,建立的爆燃动力装置内弹道数学模型合理,爆燃动力装置内弹道优化设计结果较理想。     

点火能量对单基发射药燃烧爆炸特性的影响

为了探究点火能量对单基发射药燃烧爆炸特性的影响,自主设计了发射药燃烧爆炸试验装置。使用黑火药对单基发射药点火,开展燃烧爆炸实验。通过对铝制鉴定板及约束钢筒内壁烧蚀痕迹的分析,获得不同点火能量对单基发射药燃烧爆炸特性的影响。结果表明,点火初期约束钢筒内发射药燃烧反应不完全,反应剧烈程度较弱;随着距点火端距离增大,发射药燃烧反应剧烈程度变强,但此时反应仍不完全;在约束钢筒末端发射药反应完全。在4.0、5.0和8.0 kJ点火能量下,发射药点火初期到反应剧烈程度迅速增强的成长距离分别为54.66、 53.95和19.38 cm。20.0 kJ能量点火初期发射药反应剧烈程度较强,传播至末端时发射药发生爆燃反应,鉴定板产生明显凹痕;发射药在约束钢筒内不同位置分别发生了缓慢燃烧、快速燃烧和爆燃。     

含扰流装置的中心燃气式抛撒内弹道过程的数值模拟

为了研究扰流板对子母弹抛撒过程中子弹翻转角速度的影响规律,采用二维两相流模型对子母弹中心燃气式抛撒内弹道过程进行了数值模拟研究。通过计算结果和测试结果的对比,验证了数值模型的可行性和准确性。对流场结构和推弹装置受力状态的对比分析表明,当燃气发生器小孔集中于扰流板上侧时,提高扰流板位置可以有效增大推弹装置受到的翻转合力矩。可为同类型抛撒系统的设计和改进提供理论参考。     

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。     

大长径比、高密实火药床点火管点传火特性的影响因素

利用计算程序对影响大长径比、高密实火药床点火管点火性能的主要因素进行了对比模拟,讨论了不同结构尺寸和装填条件下的点传火性能,通过对计算结果的分析,总结了结构参数和装填条件对大长径比、高密实火药床点火管点传火性能的影响规律：小孔直径、首孔高度、单位长度小孔面积及装填密度显著影响点火压力及点传火性能;小孔直径、首孔高度及单位长度小孔面积是影响破膜后泄压速度的主要因素,而装填密度会影响药床的透气性及火焰传播的通畅性,均对点火安全性、瞬时性及一致性产生重要影响作用。

     

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。

     

随行装药方案提高大口径火炮初速的数值预测

采用固体随行装药技术提高现役大口径火炮初速,为工程应用提供理论指导。基于随行装药在30 mm弹道炮上的实验和数值模拟取得的良好结果,在100 mm加农炮火炮构造参数和装填条件不变的条件下,采用固体随行装药方案,考虑弹丸改变质量,建立固体随行装药零维模型,并依据模型编写模拟软件对内弹道性能进行了模拟分析,探讨了不同随行装药量、不同点火延迟时间以及不同形状火药对火炮膛压、初速的影响。模拟结果可以用来指导100 mm加农炮随行装药的设计和实验。     

点火能对丙烷-空气预混气体爆炸过程及管壁动态响应的影响

在长12 m的无缝不锈钢直管中,通过改变初始点火能量,探究了点火能对封闭管道内丙烷-空气混合气体爆炸传播特性和激波对管壁动态加载的影响。结果表明,初始点火能对预混气体爆炸火焰传播规律以及管壁的动态响应有显著影响：点火能越大,爆炸越剧烈,爆炸压力峰值压力和管壁最大应变就越大,且压力波和管壁应变的发展一致。火焰在传播过程中受到管道末端反射波的作用会发生短暂熄灭和复燃;管壁承受冲击波加载,应变信号主要分布在0~781.25 Hz,管壁最大应变率大于10^-3 s^-1,实验工况下管壁应变属动态响应。

     

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。     

考虑两相流内弹道的自行火炮发射动力学计算

为了更加准确地计算火炮弹丸的起始扰动,将两相流内弹道应用于发射动力学研究。建立了完整的自行火炮系统发射动力学方程组,包括火炮系统的体动力学方程组、弹丸在膛内运动的动力学方程以及两相流内弹道方程。编制了计算程序,实现了对某自行火炮发射过程的数值模拟,在准确计算内弹道过程的同时,获得了火炮的动力响应、弹丸膛内运动和起始扰动。部分模拟结果与实验实测结果吻合较好。计算表明,采用两相流内弹道模型将提高发射动力学计算精度。