燃氣泄漏對火藥燃氣多活塞拋撒的影響研究*

孫傳杰,馮高鵬,朱永清,魏雪婷,胡艷輝

(中國工程物理研究院總體工程研究所,四川綿陽 621900)

燃氣泄漏對火藥燃氣多活塞拋撒的影響研究*

孫傳杰,馮高鵬,朱永清,魏雪婷,胡艷輝

(中國工程物理研究院總體工程研究所,四川綿陽 621900)

針對子母彈火藥燃氣多活塞拋撒的設計問題,文中以經典內彈道模型為基礎,結合流量模型,將子母彈火藥燃氣多活塞拋撒過程劃分為3個階段,建立了考慮燃氣泄漏的火藥燃氣多活塞拋撒內彈道數學模型。以某子母彈拋撒結構為例,分析了燃氣泄漏參數對子母彈火藥燃氣多活塞拋撒過程的影響規律,并對火藥燃氣多活塞拋撒結構工程設計中的泄漏面積提出了控制建議,為火藥燃氣多活塞拋撒結構工程設計提供參考。

子彈拋撒;內彈道;燃氣泄漏

0 引言

子母彈具有搭載能力強、投放靈活的特點,一直是常規武器研究重點。近年來隨著運載器向高速化和制導化發展,子母彈采用防區外拋撒大質量有控子彈自主攻擊目標的作戰方式實現遠程突防和精確打擊。有控子彈一般要求低過載拋撒環境,并且要求拋撒分離過程精確控制初始分離參數,因此其拋撒結構設計較傳統子母彈的難度更大。

目前常用的大質量有控子彈拋撒方式主要為火藥燃氣囊拋撒和火藥燃氣多活塞拋撒。火藥燃氣多活塞拋撒主要依靠火藥燃燒釋放的高溫、高壓氣體推動子彈拋離母彈,可使子彈獲得較高的拋撒速度和可控的拋撒散布,且具有火藥燃燒規律可控和拋撒過載低的優點,因此是目前子母彈較廣泛采用的一種拋撒方式。

目前火藥燃氣多活塞拋撒研究偏重于燃燒室構型設計[1-2],且內彈道模型多未考慮燃氣泄漏因素。文中在經典內彈道模型的基礎上加入燃氣泄漏流量模型,研究燃氣泄漏對子彈拋撒的影響,為火藥燃氣多活塞拋撒結構工程設計提供參考。

1 系統工作原理

火藥燃氣多活塞拋撒結構如圖1所示,主要由火藥、燃燒室、子彈、活塞和包帶等組成。其工作過程為:子母彈到達預定位置,程控系統點燃燃燒室的火藥,火藥迅速燃燒,生產高溫高壓氣體。當燃燒室內的火藥燃氣達到一定壓強時解除包帶對子彈的約束,活塞助推子彈加速向外運動,實現子彈拋撒。

圖1 火藥燃氣多活塞拋撒結構簡圖

2 內彈道模型

在經典內彈道模型的基礎上[3-4],結合流量模型,建立含燃氣泄露的內彈道模型。基本假設如下:

a)火藥同時點燃且服從幾何燃燒定律;

b)火藥燃氣服從諾貝爾-阿貝爾狀態方程;

c)采用次要功系數對熱散失、摩擦等各種形式的次要功進行修正;

d)子彈啟動前火藥燃氣無泄露;

e)燃氣壓強達到啟動壓強,子彈瞬間開始運動;

f)燃氣泄漏流動服從氣體伯努利方程的流動規律。

在以上假設基礎上根據燃燒室狀態變化過程,內彈道計算分為3個時期。

2.1 第一時期

從點燃火藥到子彈啟動為第一時期。該時期火藥為定容燃燒階段。

在第一時期結束時,可根據啟動壓強為P0計算得到對應時刻的火藥相對已燃體積ψ0,再由ψ0反算得到火藥相對已燃厚度Z0。

(1)

式中:ψ0為第一時期結束時火藥相對已燃體積;Z0為第一時期結束時火藥相對已燃厚度;χ、λ、μ為火藥形狀特征參量;P0為啟動壓強;w為火藥質量;ρ為火藥固體密度;f為火藥力;,α為火藥余容;V0為燃燒室容積。

2.2 第二時期

從子彈啟動到火藥燃燒結束為第二時期。該時期火藥為變容燃燒階段,并且伴隨著火藥燃氣的泄露。

第二時期的內彈道模型為:

(2)

式中:ψ為火藥相對已燃體積;Z為火藥相對已燃厚度;S為多個活塞橫截面總面積;n為燃速指數;Ib為壓力全沖量;φ為次要功系數;m為拋撒子彈總質量;v為子彈速度;l為活塞行程;V為子彈運動增加的燃燒室空間;θ為火藥燃氣比熱比減一,即：θ=k-1。

假設燃氣在燃燒室內的流速為零,根據伯努利方程得到燃氣泄漏流動為亞音速流動和臨界流動的流速方程為[5]:

(3)

式中:φ2為流動損耗系數;P2為外界壓強,假設其等于大氣壓;P為燃氣壓強;k為燃氣比熱比;S1為泄露面積。2.3 第三時期

從火藥燃燒結束到子彈運動結束為第三時期。該時期燃氣為變容膨脹過程,并且伴隨著火藥燃氣的泄露。

該時期的內彈道模型為:

(4)

該時期的燃氣相對質量流出量η隨時間的變化規律如下式:

3 不同泄漏條件對火藥燃氣多活塞拋撒的影響

根據上述建立的內彈道模型,計算了不同燃氣泄漏參數對子彈拋撒過程的影響。火藥燃氣多活塞拋撒結構參數為:燃燒室內徑Φ28 mm、長度868 mm,3枚子彈對稱布置,每枚子彈質量60 kg,活塞助推行程24 mm,活塞3排7組共21個。

根據式(3)可知,由于外界壓強已知,在裝藥量和裝藥類型確定條件下,燃氣的泄漏流動即僅與泄漏面積與燃氣壓強相關。而根據式(1)和式(2)可知,燃氣壓強又受啟動壓強影響,即啟動壓強決定內彈道第二時期的燃氣量和初始燃氣壓強。

因此下面主要分析泄漏面積和啟動壓強的變化對火藥燃氣多活塞拋撒的影響。

3.1 泄漏面積對火藥燃氣多活塞拋撒的影響

泄漏面積/活塞面積為3%、9%和18%時燃氣壓強隨泄漏面積的變化如圖2所示。由圖可見,在活塞相同行程位置處,隨著泄露面積增大,燃氣壓強迅速減小,且減小幅度十分顯著。另外,當泄漏面積較大時,燃氣壓強降低到一定程度后則降幅顯著減緩。根據式(3)可知,此現象原因為,當燃氣壓強降低到一定程度后,燃氣泄漏流動從臨界流動進入亞音速流動,泄漏流速減小,因而燃氣壓強降幅變緩。

圖2 不同泄露面積對燃氣壓強的影響

燃氣相對泄漏量隨泄漏面積的變化如圖3所示。由圖可見,隨著泄露面積增大,燃氣相對泄漏量先快速增大而后到某個值之后又呈現逐漸緩慢減小趨勢。結合圖2可知,當泄漏面積較小時,燃氣泄漏流動為臨界流動,泄漏流速最大,因此燃氣相對泄漏量僅隨泄漏面積單調增大而增大;當泄漏面積增大到一定幅值,而燃氣壓強相應低于約2倍外界壓強時,燃氣泄漏進入亞音速流動,流速變緩,相應的燃氣泄漏量反而減小。

子彈拋撒速度隨泄漏面積的變化如圖4所示。由圖可見,隨著泄露面積增大,子彈拋撒速度急劇下降;當泄露面積增大到一定程度時,子彈拋撒速度下降幅度則明顯變緩。根據圖2和圖3的分析結果可知,燃氣壓強隨著泄漏面積的增大而降低,活塞助推力減小,相應的子彈拋撒速度也隨之減小。另外,由圖2可見,在泄漏面積增大到一定程度后燃氣壓強的減緩幅度非常平緩,因此在此范圍內的泄漏面積對子彈拋撒速度的影響程度也顯著弱化。

圖3 泄露面積對燃氣泄漏量的影響

圖4 泄露面積對子彈拋撒速度的影響

3.2 啟動壓強對火藥燃氣多活塞拋撒的影響

當泄漏面積/活塞面積為3%時,啟動壓強分別為3 MPa、9 MPa和18 MPa時的燃氣壓強變化如圖5所示。由圖可見,啟動壓強較高時,燃氣壓強隨活塞助推過程的降幅較大。根據式(2)～式(4)可知,啟動壓強較高時,泄漏流動為臨界流動,燃氣泄漏量較大,因而燃氣壓強降幅很大。

圖5 啟動壓強對燃氣壓強的影響

不同啟動壓強條件下燃氣相對泄漏量的變化如圖6所示,由圖可見,在泄漏面積一定條件下,燃氣相對泄露量隨啟動壓強增大而增加。不同啟動壓強條件下子彈拋撒速度的變化如圖7所示。

圖6 啟動壓強對燃氣泄漏相對量的影響

圖7 啟動壓強對子彈拋撒速度的影響

由圖可見,在泄漏面積一定條件下,子彈拋撒速度隨啟動壓強增大而增大。

3.3 討論

根據上述計算結果可知,在無燃氣泄漏條件下,子彈拋撒速度最大;啟動壓強較高條件下,子彈拋撒速度也較大。

下面以無燃氣泄漏時的子彈拋撒速度為基準,進一步分析有泄漏時的子彈拋撒速度與無泄漏的子彈拋撒速度的百分比隨泄漏面積和啟動壓強的變化關系,如圖8所示。在圖8的基礎上進一步處理得到不同啟動壓強時的子彈拋撒速度與啟動壓強為18 MPa時的子彈拋撒速度的百分比隨泄漏面積的變化,如圖9所示。

圖8 有泄漏子彈拋撒速度與無泄漏子彈拋撒速度 的百分比隨泄漏面積和啟動壓強的變化

圖9 不同啟動壓強子彈拋撒速度百分比隨泄漏面積的變化

由圖8和圖9可知,在泄漏面積較小時,即泄漏面積/活塞面積約在1%范圍以內時,不同啟動壓強的子彈拋撒速度百分比隨著泄漏面積增大呈緩慢減小趨勢,并且此區域內不同啟動壓強條件下的子彈拋撒速度百分比均超過80%,即在該范圍內啟動壓強對子彈拋撒速度影響較小;隨著泄漏面積增大,當泄漏面積/活塞面積處于6%范圍內時,不同啟動壓強的子彈拋撒速度百分比隨著泄漏面積增大呈迅速減小趨勢,并且達到最小值。在6%范圍內啟動壓強對子彈拋撒速度的影響十分顯著;隨著泄漏面積繼續增大,即泄漏面積/活塞面積的比值在大于6%范圍時,不同啟動壓強的子彈拋撒速度百分比隨著泄漏面積增大呈緩慢增加趨勢,即不同啟動壓強條件下子彈拋撒速度的差異逐漸減小,但其絕對值卻處在較小范圍。

因此根據該分析結果可知,在進行工程設計時應嚴格將泄漏面積/活塞面積的比值控制在1%范圍內以減小燃氣泄漏量,提高子彈的拋撒速度。另外在滿足結構設計可行性要求基礎上,可適當提高啟動壓強,增大燃氣壓強,以提高子彈的拋撒速度。

4 結論

文中在經典內彈道模型的基礎上加入燃氣泄漏流量模型,對燃氣泄漏對子彈拋撒的影響開展了研究。分析表明,燃氣泄漏對子彈拋撒速度的影響顯著,因此在火藥燃氣多活塞拋撒結構工程設計中應嚴格將泄漏面積控制在較小范圍。另外可適當提高啟動壓強以提高子彈的拋撒速度。

[1] 江坤, 王浩, 郭錦炎, 等. 拉桿活塞式發射裝置內彈道建模與仿真 [J]. 彈道學報, 2011, 23(1): 13-17.

[2] 陶如意, 孫繼兵, 黃明, 等. 高低壓室平衡炮內彈道數值模擬及試驗研究 [J]. 南京理工大學學報, 2006, 30(4): 478-485.

[3] 楊理明. 高低壓內彈道優化設計 [J]. 彈道學報, 1992(2): 92-96.

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[5] 陸家鵬. 自動武器學: 氣體動力學分冊 [M]. 北京: 國防工業出版社, 1988: 36-38.

Study on the Influence of Gas Leakage on the Multi Piston Projection of Powder Gas

SUN Chuanjie,FENG Gaopeng,ZHU Yongqing,WEI Xueting,HU Yanhui

(Institute of Systems Engineering, CAEP, Sichuan Mianyang 621900, China)

Based on classical interior ballistic theory and flow model, the design of the mutiple pistons pulled by powder gas for submunition dispersion was investigated. The projection process of shrapnel gas multi piston was divided into three stages, and the interior trajectory mathematical model of gas multi piston projection considering gas leakage was established. Take a shrapnel projection structure as an example, the influence of gas leakage parameter on the projection process of shrapnel gas multi piston, and suggestion was put forward that area of gas leak of pistons should be strictly limited, to provide the reference for the propellant gas multi piston throwing structure engineering design.

submunition dispension; interior trajectory; gas leak

2015-11-24

孫傳杰(1976-),男,四川新都人,高級工程師,碩士,研究方向:戰斗部終點效應研究。

O315

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