氣體炮彈丸初速的影響因素分析*

蘇紅星,趙俊利,彭雙志

(中北大學機電工程學院,太原 030051)

0 引言

氣體炮是一種通用的高過載模擬試驗設備。它使用壓縮氣體代替火藥燃燒產生的高壓氣體來完成彈丸的發射。氣體炮與傳統火炮相比較具有安全可靠、發射穩定性高的特點。其發射氣體主要為輕質氣體或空氣,發射污染小,發射過程中不存在高溫特性,使用壽命長,能夠滿足大部分高過載模擬試驗的要求,現已經成為非常有用和實用的各種高過載試驗的設備[1-3]。

氣體炮彈丸初速是氣體炮性能的一個重要指標。彈丸初速值決定了氣體炮試驗系統所能模擬的載荷上限。彈丸最大初速值越大,彈丸初速的可調范圍就越廣,氣體炮試驗系統所能模擬的載荷范圍也就越廣。氣體炮的彈丸初速是由氣體炮內彈道決定的。氣體炮的內彈道比較復雜,含有多個參數,各個參數對彈丸的初始速度都有一定的影響[4]。

文中針對如何合理的提高氣體炮彈丸初速的問題,對氣體炮內彈道方程中影響彈丸初速的氣室容積、氣室初始壓力和發射管長度3個參數分別進行了計算,分析對比了這3個參數對氣體炮彈丸初速的影響。為氣體炮的設計和優化提供了一定的理論基礎。

1 氣體炮發射原理

氣體炮發射原理如圖1所示。發射前關閉控制閥,預先給氣室充氣至指定壓強;發射時,啟動控制閥,釋放氣室內的高壓氣體進入發射管,推動彈丸沿發射管向前運動,直至飛出炮口,完成氣體炮發射過程。

2 計算模型建立

氣體炮的工作氣體主要為空氣。由于空氣復雜的流體特性以及氣體炮發射時間的瞬態性,建立準確的氣體炮理論計算模型是比較困難的。在實際工程設計計算中,通常提出了簡化的計算模型[5-7]。

2.1 基本假設

氣體炮的計算模型的建立基于以下基本假設:

1)氣室內的氣體視為理想氣體,滿足氣體狀態方程。

PV=nRT

(1)

2)彈丸在氣體作用下向前運動時膛內壓力均勻一致。

3)由于發射過程時間很短,氣體膨脹認為是等熵絕熱過程。

4)引入次要功系數來考慮彈丸在運動過程中摩擦力做功以及其他能量損失。

5)忽略氣體壓力在發射過程中的損失。

6)彈丸發射過程中不存在漏氣的現象。

2.2 氣體炮內彈道方程

氣體炮內彈道在氣體炮的設計過程中非常重要,是氣體炮設計的基礎。因此需要建立較為準確的氣體炮內彈道模型以滿足實際設計計算需求。

根據基本假設,建立氣體炮內彈道方程組:

(2)

式中:l為彈丸行程;v為彈丸速度;P為膛壓;P0為氣室初始壓力;V為氣室容積;t為發射時間;S為炮膛橫截面積;m為彈丸質量;φ為次要功系數;γ為氣體多方指數。

2.3 影響因素計算模型

為了研究發射管長度、氣室容積、氣室初始壓力對彈丸初速的影響。從能量角度出發,分析了氣體炮發射時氣體壓力對彈丸做功的過程,建立了氣體炮氣室容積,氣室初始壓力,發射管長度與彈丸初速的關系。

根據發射過程中氣體對彈丸所做功等于彈丸達到指定初速所需要的總動能可以得到氣室容積、氣室初始壓力、發射管長度與彈丸初速的關系式。

(3)

式中:L0為炮管長度;E彈丸出炮口時的動能。

式(3)中,通過給定氣室容積V、發射管長度L0以及氣室初始壓力P03個參數中的兩個參數值,求解出剩余的一個參數與彈丸初速關系,進而確定不同參數對彈丸初速的影響。

3 初始計算

3.1 內彈道初始計算

氣體炮的氣室初始壓力值取15 MPa,氣室容積的值取50 L。內彈道計算的其它數據分別為彈丸質量5 kg,口徑100 mm,彈丸行程長5 m,發射氣體為空氣,多方指數取1.2,次要功系數取1.05。利用Matlab軟件,采用經典R-K法編寫計算內彈道方程的程序。計算氣體炮內彈道方程。計算結果如圖2所示。

由圖2的計算結果可以得到,當氣室容積取50 L時,發射管長度取5 m,初始壓力值取15 MPa時可以使氣體炮的彈丸初速達到395.436 6 m/s。內彈道結束時炮口壓力為7.48 MPa。

在相同條件下,內彈道結束時的炮口壓力值越大,炮口試驗裝置受到氣流的沖擊力也就越大,容易損壞測試儀器,因此氣體炮的發射安全穩定性也就越差。基于上述分析,內彈道結束時的炮口壓力值應盡可能的減小,以保證氣體炮系統的發射安全穩定性。

3.2 影響因素模型驗證

將氣室容積、氣室初始壓力和發射管長度3項計算數據代入式(3)中,計算求得彈丸初速為395.439 9 m/s。影響因素計算模型計算得到的彈丸初速與內彈道計算得到的彈丸初速結果相差0.003 3 m/s。可以看出利用能量法得到的影響因素計算模型是較為準確可靠的。

4 影響因素計算分析

為了確定氣體炮的各項因素對彈丸初速的影響,在對氣體炮內彈道進行了初步計算后,利用式(3),對氣室容積、初始壓力、彈丸速度這三個初始參數中的兩個取定值,另一個做變量進行各項影響因素的對比計算。

4.1 不同容積計算分析

為了研究不同容積對彈丸速度的影響,將氣室壓力,發射管長度取為定值。氣室的初始壓力取為15 MPa,發射管長度取為5 m。對氣室容積取不同值。計算得到速度與氣室容積曲線如圖3所示。

由圖3所示結果可以看出。氣室初始壓力和發射管長度一定時,彈丸初速隨著氣室容積的增大而增大。但增大氣室容積對彈丸初速的提升效率較低。氣室容積對彈丸初速的影響較小。考慮到較大的氣室容積在氣體炮安裝時需要占用更多的空間,在氣室的加工以及承壓方面也都有較為嚴格的要求,一般將氣室容積控制在200 L以內。根據上述分析,對氣室容積分別取值50 L,100 L,200 L,進行內彈道對比計算。計算得出不同氣室容積值下的速度和壓力曲線如圖4所示,壓力與速度值如表1所示。

表1 不同氣室容積下內彈道計算結果

由圖4和表1可以看出,氣室容積的增大對彈丸初速的提升效率較低且炮口壓力值也隨著氣室容積值的增大而增大。

4.2 不同氣室初始壓力計算分析

為了研究不同氣室壓力對彈丸速度的影響,將發射管長度,氣室容積取為定值。氣室容積取為50 L,發射管長度取為5 m。便于結果對比分析。對氣室初始壓力取不同值。計算得到速度與氣室壓力的曲線如圖5所示。

由圖5所示結果可以看出氣室初始壓力對彈丸初速的影響較大。彈丸初速隨著氣室初始壓力值的增大而增大。提高氣室初始壓力能夠有效提高彈丸初速。考慮到現有空氣壓縮機性能以及氣室的承壓能力,氣室初始壓力值不宜過大,一般限制在20 MPa以內。因此對氣室初始壓力分別取5 MPa,10 MPa,15 MPa進行內彈道計算。計算得出不同氣室初始壓力值下速度與壓力曲線如圖6所示。壓力與速度值如表2所示。

表2 不同氣室初始壓力下的內彈道計算結果

根據圖6與表2可以看出,當氣室初始壓力從5 MPa增加到15 MPa時,彈丸初速提升了133 m/s。炮口壓力也增長了5 MPa。可以看出增加氣室初始壓力對彈丸速度的提升效率較高。氣室初始壓力的增大,使得炮口壓力值也開始增大。

4.3 不同發射管長度計算分析

為了研究不同發射管長度對彈丸速度的影響,將氣室壓力,氣室容積取為定值。氣室的初始壓力取為15 MPa,氣室容積取為50 L。對發射管長度取不同值。計算得到彈丸初速隨發射管長度變化的曲線圖。如圖7所示。

圖7所示的關系曲線圖可以看出,發射管長度對彈丸初速的影響較大。彈丸初速隨著發射管長度的增加而增加。這是由于在內彈道時期,彈丸在發射管內的行程變長,對應加速彈丸的時間變長,彈丸速度也隨之提高。可以得到增長發射管長度能夠有效的提高彈丸初速。考慮到試驗設備場地的限制,對發射管長度分別取5 m,10 m,15 m進行內彈道計算。計算得出不同發射管長度值下的速度與壓力曲線如圖8所示,壓力與速度值如表3所示。

表3 不同發射管長度下的內彈道計算結果

發射管長度/m彈丸初速/(m/s)炮口壓力/MPa53957.48104954.83155543.50

根據圖8與表3可以得出,當氣室容積與氣室初始壓力一定的情況下,不同發射管長度對應的內彈道速度曲線與壓力曲線是重合的。當發射管長度從5 m增加到15 m時,彈丸速度提升了159 m/s。可見增長發射管長度對彈丸初速的提升效率較高。隨著發射管長度的增加,炮口壓力值在不斷減小。這使得炮口試驗裝置所受到的氣流沖擊力更小。氣體炮在發射過程中也相對更為安全穩定。

5 結論

文中利用氣體炮內彈道模型,計算分析了氣體炮的氣室容積,氣室初始壓力以及發射管長度對彈丸初速的影響。對比計算結果,可以得到如下結論:

1)增大氣室容積對彈丸速度的提升效率較低;

2)增大氣室初始壓力對彈丸初速的提升效率較高;

4)增大氣室容積和氣室初始壓力會使炮口壓力值增大,降低氣體炮系統的發射穩定性;

5)增長發射管長度不僅可以有效地提高彈丸初速,還可以降低炮口壓力值,從而提高氣體炮系統的發射穩定性。