閥控氣體炮內彈道建模及實驗研究

龐 博，尚彬彬，張佳俊，劉 寧

(南京理工大學機械工程學院， 南京 210094)

氣體炮采用高壓氣體發射彈丸，初速調節方便，發射慣性小，結構簡單，避免了火炸藥操作危險性及炮膛燒蝕、身管溫升等傳統身管武器的缺點，廣泛用于實驗加載裝置[1]、警用裝備[2]、滅火彈發射裝置[3]等領域。氣體炮通常采用電磁閥控制發射過程，現有氣體炮內彈道模型將氣室壓力等價為彈底壓力，推導出了彈丸初速理論公式[4-5]，由于未考慮閥口節流效應，計算誤差較大。本文結合氣體動力學和經典內彈道理論，建立考慮閥口流動過程的氣體炮內彈道模型，通過實驗研究驗證了模型的準確性，研究成果為氣體炮工程設計和相關研究提供理論指導。

1 氣體炮內彈道模型

氣體炮由氣室、控制閥、身管、彈丸及控制機構組成，如圖1所示。發射前控制閥關閉，向氣室內加氣至額定壓力，完成彈丸裝填。加氣完成后，控制閥開啟，氣室內高壓氣體經閥內通道噴入身管，推動彈丸運動，直至彈丸飛出炮口。發射完成后關閉控制閥，進入下一射擊循環。

1) 基本假設

氣體炮發射時膛內氣體流動復雜，為了簡化建模過程，提出如下基本假設：

① 膛內氣體滿足理想氣體狀態方程。

② 彈丸在膛內運動時，彈后氣體壓力、密度、溫度均勻一致。

③ 由于發射過程時間很短，氣體膨脹過程視為等熵絕熱過程。

④ 考慮彈丸運動過程中摩擦力做功、彈前空氣阻力以及其他能量損失，引入次要功計算系數φ。

⑤ 閥口瞬間完全開啟[6]。

2) 氣室壓力控制模型

氣閥開啟前氣室充滿高壓氣體，設為初始狀態，此時氣室容積V10，壓力p10，氣體溫度T10，氣室內氣體質量m10。氣閥開啟后t時刻氣室狀態為：容積V1,壓力p1，溫度T1，氣室剩余氣體質量m1。根據氣體狀態方程可得：

p10V10=m10RT10

(1)

p1V1=m1RT1

(2)

即

(3)

射擊時氣室內高壓氣體從噴口不斷流出，認為氣室內氣體為定容條件下絕熱變化過程，所以有

(4)

t時刻氣室內氣體質量為

(5)

式中G1為流出氣室的氣體流量。

將式(4)、(5)代入式(3)并整理，可得

(6)

兩邊分別對時間求導，得

(7)

3) 膛內壓力控制模型

(8)

其中，G2為流入炮膛的氣體流量，將上式對時間求導得

(9)

4) 氣閥流量模型

(10)

(11)

5) 彈丸運動模型

設彈丸質量為m，運動方程為：

(12)

式中，φ為次要功計算系數[7-11]。

2 數值模擬及實驗驗證

研制了30 mm口徑氣體炮，如圖2所示，結構參數為：氣室容積V10=800 mL，身管長度L=0.9 m，尾翼穩定彈丸m=150 g，炮膛初始容積V20=10.6 mL，氣閥通道截面積A2=28.3 mm2。進行了多組不同氣室壓力下的射擊實驗，獲得了炮膛壓力和彈丸初速實驗結果，如表1所示。可以看出，當膛壓從1 MPa增大到3 MPa時，炮膛最大壓力僅提高了2倍左右，并且隨著氣室壓力的進一步提高，炮膛壓力增加幅度越來越小。這是由于高壓條件下閥口出口流量達到臨界值，增大氣室壓力并不能帶來彈后壓力的顯著提高，這也說明了在內彈道模型中考慮氣閥節流效應的重要性。

氣室壓力/MPa123最大膛壓/MPa0.81.21.7彈丸初速/(m·s-1)59.582.698.7

利用本文建立的內彈道模型模擬了30 mm氣體炮發射過程，取氣體絕熱指數k=1.39，次要功計算系數φ=1.19，氣室初始壓力3.3 MPa，其他參數不變。氣室壓力變化曲線如圖3所示，炮膛壓力曲線如圖4所示。仿真得到膛內最大壓力為1.75 MPa,炮口壓力0.8 MPa,。實驗測得最大膛壓1.71 MPa，誤差約2.3%；炮口壓力0.75 MPa,相對誤差6.7%。仿真彈丸速度曲線如圖5所示，計算炮口初速為96.6 m/s，測試初速為103.5 m/s,誤差6.7%。仿真結果與實驗數值吻合較好，誤差原因主要包括閥通道等效直徑、電磁閥開閥速度等因素。

3 結論

建立了閥控氣體炮內彈道過程模型并進行仿真計算，考慮了閥口節流效應，通過實驗研究驗證了模型的準確性，為氣體炮相關工程研究提供了理論指導。下一步將研究氣體炮新型控制方法，增大開閥速度和閥口流量，提高氣體炮內彈道效率。