壓縮空氣彈射內彈道影響因素作用規律研究

謝 磊，高欽和，邵亞軍

（火箭軍工程大學，西安 710025）

0 引言

垂直彈射技術被廣泛應用于防空武器系統中，與自力彈射相比，它具有結構簡單、發射時間短、能量利用率高等優點[1]。在彈射過程中，對導彈運動規律、氣體流動規律及彈射裝置高、低壓室壓力變化規律等內彈道特性的研究十分重要，尤其是對于其影響因素作用規律的分析[2]。

目前，有關彈射裝置內彈道性能的研究多集中在燃氣彈射方式上，李仁鳳[3]等建立初容室二次燃燒流動模型，研究了燃燒產物特性對燃氣彈射內彈道的影響；王天輝[4]等對燃氣發生器進行了裝藥設計，分析了裝藥增面比對內彈道性能的影響；空氣彈射方面，芮守禎[5]對不同彈射動力方式的內彈道特性進行了分析比較，得出高壓空氣彈射溫度、壓強變化更平穩；楊風波[6]等針對氣缸式彈射器，構建了考慮真實氣體效應的彈射內彈道數學模型，論證了真實氣體效應研究的必要性[7]。

在諸多彈射方式中，壓縮空氣彈射由于具有避免排焰、沖擊振動、燒蝕及降低紅外特征等優點，目前正被廣泛研究。為了研究壓縮空氣彈射裝置性能，可運用CFD技術，通過數值模擬方法對網格模型進行仿真計算。本文即采用FLUENT軟件，對彈射裝置內部流場進行數值模擬，分析了控制閥直徑、發射筒徑及初始溫度對內彈道特性的影響規律，為裝置的優化設計提供了參考。

1 壓縮空氣彈射裝置結構簡圖及原理

某直筒式壓縮空氣彈射裝置結構簡圖如圖1所示。

空氣壓縮機與高壓氣室之間通過導氣管連接。空氣壓縮機不斷把外部空氣抽入并進行壓縮過濾。壓縮空氣通過控制閥，經導氣管流入發射筒底部的高壓氣室。當高壓氣室內壓縮空氣壓強與外界壓強形成的總推力大于彈體重力、摩擦力等阻力時，高壓氣體推動彈托帶動彈體向上運動，完成彈射。

2 壓縮空氣彈射FLUENT建模

2.1 邊界條件及初始條件設置

由于裝置的軸對稱結構，同時為簡化分析，此處采用1/4網格模型進行計算分析。入口采用質量流量邊界條件，質量流量設置為4 kg/s；彈體底部采用WALL邊界條件；筒壁采用標準壁面函數，材料選擇鐵；以壓縮空氣作為流體介質。

2.2 動網格設置

網格更新方式采用Smoothing和Layering法，設置彈體底部區域為動網格運動區域，并編寫UDF定義其運動[8-9]。

彈底運動的主要程序編制如下。

2.3 網格無關性驗證

在FLUENT中分別對網格數為20.4，40.2，60.2和80.6萬的網格模型進行計算，時長為0.1 s，取差異較大的前0.03 s進行分析，得出不同網格數下彈體底部壓力變化曲線如圖2所示。

圖2 彈體底部壓力情況比較

由圖2可以看出網格數為60.2萬時前0.03 s計算結果和網格數為80.6萬時，前0.03 s的計算結果差異極小，為簡化計算提高運算速度，故本模型采用網格數為60.2萬的模型。

3 壓縮空氣彈射內彈道影響因素分析

3.1 控制閥直徑影響分析

通過對不同控制閥直徑0.058 m、0.06 m、0.062 m和0.064 m下網格模型的計算，得出不同條件下彈體底部壓力變化曲線和彈體速度曲線分別如圖3、圖4所示。

圖3 不同閥徑下彈底壓力變化曲線

圖4 不同閥徑下彈體速度曲線

從圖3可看到，初始階段低壓室壓力上升較快并逐漸形成壓力峰，之后壓力以較快速度降低，最終趨于平穩。原因在于，起初彈體速度和行程都較小，容積增加量與初容室體積相比為小量，影響低壓室壓力上升快慢的主要因素是初容室體積，而本文初容室體積較小，故上升快；彈體運動使低壓室容積較快增加，超過了工質氣體的供應，低壓室壓力較快下降。控制閥直徑對彈底壓力造成的影響主要存在于初始建壓階段。可以看出控制閥直徑不同對壓力變化的影響較大。當控制閥直徑為0.062 m時，彈底壓力變化最平穩，壓力穩步上升，峰值也相對更高；而控制閥直徑為0.06 m時，初始階段壓力上升最劇烈，對彈底的沖擊較大。證明選擇合適尺寸的控制閥可在一定程度上減少建壓階段對彈體底部的沖擊，利于低壓室壓力的平穩上升。

由圖4可看到彈體速度變化趨勢：初始階段，彈體速度在短時間內較快增長，隨后增長速度放緩。控制閥尺寸增大在一定程度上使彈體速度增長率加快，速率增大，但影響較小可基本忽略。

3.2 彈射筒徑影響分析

通過對不同彈射筒直徑0.79 m，0.82 m，0.85 m和0.88 m下網格模型的計算，得出不同條件下彈體底部壓力變化曲線和彈體速度曲線分別如圖5、圖6所示。

從圖5可看到低壓室壓力整體變化趨勢為先增大后減小，最終趨于穩定。筒徑增大使彈底壓力到達峰值的時間更慢，且峰值更小，但峰值往后的下降段壓力值更大，即壓力變化更平穩。證明合理的筒徑利于彈體彈射。筒徑太小，氣體壓力變化劇烈，對彈射裝置低壓室內壁造成一定沖擊；筒徑太大，則難以形成足夠的推力來維持彈體的運動。

圖5 不同筒徑下彈底壓力變化曲線

圖6 不同筒徑下彈體速度曲線

從圖6可以看出隨著筒徑增大，速度變化更平緩；同時在氣源壓力充足的情況下、出筒速度變化不大。

3.3 初始溫度影響分析

通過對不同溫度260 K、300 K、340 K和380 K下網格模型的計算，得出不同條件下彈體底部壓力變化曲線和彈體速度曲線分別如圖7、圖8所示。

圖7 不同溫度下彈底壓力變化曲線

圖8 不同溫度下彈體速度曲線

從圖7可看到彈體底部壓力先以較快速度增大，此階段發射筒底部空間在不斷建立壓力；其后彈底壓力慢速減小，此階段氣體不斷流入低壓室推動彈體運動，在彈體影響下發生此變化。可看到初始溫度對彈底壓力變化曲線的影響極大。初始溫度升高直接導致彈底壓力整體上升，同時峰值更大，到達峰值的時間有所縮短。

從圖8可看到彈體速度變化趨勢：初始階段，彈體速度在極短時間內迅速增大，隨后增長速度放緩。溫度升高對彈體速度增長率的影響效果明顯。證明初始溫度影響彈射器整體彈射性能，綜合考慮其他因素的前提下，可適當控制試驗初始溫度以促進裝置彈射性能。

4 結論

本文以壓縮空氣彈射裝置為研究對象，考慮到裝置的軸對稱結構，建立了壓縮空氣彈射裝置1/4網格模型進行仿真模擬；通過網格無關性驗證，選擇出合適網格數的模型；仿真分析了不同閥徑，發射筒徑和初始溫度條件下彈底壓力及彈體速度的變化情況。得到以下結論：

1）一定范圍內，控制閥尺寸增大對彈體彈射速度的影響較小。控制閥尺寸造成的影響主要體現在對彈底壓力變化的差異上。合適的控制閥尺寸使彈底壓力在初始建壓階段上升更平穩，有利于減小對彈體底部的沖擊，可見合適的控制閥尺寸對提升裝置性能影響較大。

2）筒徑增大使彈底壓力變化更平緩，同時峰值更小。綜合考慮筒內低壓室氣體對彈體底部的沖擊和推力的實現，選擇合適的發射筒徑達到對裝置結構優化設計的目的。

3）在氣源總體壓力一定的情況下，氣室初始溫度直接影響了彈體底部所受壓力整體水平的高低。一定范圍內，溫度越高，彈底所受整體壓力越大；同時，較高的初始溫度可促進彈體速度的增長。