冰雹發射過程的動力學仿真與分析

薛文鵬，許思琦，孫 科

(中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089)

1 引 言

在進行發動機吸雹試驗時，對冰雹的拋射速度和冰雹的完整性有較高的要求，國內目前在冰雹拋射方面的研究基本是空白。雖然基于壓縮空氣的氣炮的應用場景較多，如發動機吸鳥試驗、彈丸發射試驗等，但對于使用壓縮空氣驅動冰雹運動的試驗設備尚無。壓縮空氣驅動冰雹和鳥體、彈丸的主要區別在于，鳥體或彈丸為一整體，在受到氣流沖擊時會出現變形但不會出現破裂現象，而冰雹為脆性材料，在強氣流沖擊作用下，冰雹表面會出現裂紋，甚至在運動過程中破碎。國內專家學者在彈丸發射技術方面研究較多[1-6]，而對于脆性材料(如冰雹)的發射過程研究尚屬空白。

本文采用壓縮空氣炮的結構形式，計算冰雹在空氣驅動下的發射過程，利用氣體動力學基礎原理和面接觸理論，搭建了25mm和50mm冰雹運動過程模型，分析不同初始條件、不同發射管結構對冰雹發射速度和運動過程的影響。研究結果對發動機吸雹試驗的冰雹發射裝置的設計和研制具有指導價值。

2 結構及工作原理

壓縮空氣發射冰雹的氣炮結構如圖1所示，壓縮氣體經供氣閥直通發射管，炮體內發射管中安裝球形冰雹彈殼。按下發射按鈕后，炮體和發射管內氣體壓力升高，冰雹在高壓氣體和摩擦力的共同作用下，速度逐漸增大。當冰雹離開發射管時，已經獲得了一定的速度。

圖1 氣炮結構示意圖

3 數學模型的建立

3.1 氣體動力學理論

3.1.1 假設條件