高過載彈倉軟回收研究

高啟軒，潘孝斌，談樂斌，馮建闖

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094)

1 引言

炮射制導(dǎo)彈藥和電磁軌道炮制導(dǎo)彈藥，較一般常規(guī)彈藥更為復(fù)雜，內(nèi)部彈載器件包含電子控制元器件和精密傳感器，其承受高過載能力相對較弱。隨著彈藥制導(dǎo)能力、命中能力、殺傷能力的不斷提升，在高過載條件下，彈藥本身的可靠性和安全性卻在不斷下降[1]。

電磁軌道炮制導(dǎo)彈藥，在海軍和陸軍電磁軌道炮等項(xiàng)目的研發(fā)過程中，雖然能夠應(yīng)用有限元進(jìn)行抗高過載的力學(xué)性能分析，但在20 000g等級及以上過載時(shí)，電子制導(dǎo)部件缺乏相關(guān)的地面試驗(yàn)驗(yàn)證手段，而飛行試驗(yàn)的費(fèi)用很高且不易回收，很難控制落地時(shí)產(chǎn)生的反向過載，經(jīng)常出現(xiàn)反向過載導(dǎo)致彈體結(jié)構(gòu)及各分系統(tǒng)損壞，難以分析彈藥制導(dǎo)部件在發(fā)射過程的抗高過載能力，因此高過載軟回收試驗(yàn)系統(tǒng)就成為十分迫切的驗(yàn)證手段[2]。

Yoo等[3]使用分段氣室破膜方式，利用彈丸在管道內(nèi)壓縮預(yù)充氣體產(chǎn)生反向過載減速，對回收過程進(jìn)行數(shù)值分析，成功回收了初速為500 m/s的20 mm彈丸，給出了彈丸減速度、各段氣室預(yù)充壓力、回收管長度、截停距離之間的參數(shù)關(guān)系。潘孝斌、倪梯閔[4-5]等使用單級破膜方法，利用一維定截面非定常無黏流動(dòng)描述彈前壓縮氣體流動(dòng)狀態(tài)，將流動(dòng)控制方程與彈丸運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行耦合求解，得到了彈丸初速、氣室預(yù)充壓力與破膜壓力之間的匹配關(guān)系，成功實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量為36 kg、最大初速為548 m/s的彈丸在42 m內(nèi)的軟回收。文獻(xiàn)[4-6]均采用壓縮空氣阻尼破膜形式回收彈丸，雖然可以在較短距離截停彈丸，但是系統(tǒng)操作復(fù)雜、工作強(qiáng)度大，每次試驗(yàn)需更換裝夾壓力的膜片，影響試驗(yàn)效率。

本文研究高過載軟回收系統(tǒng)，采用壓縮空氣實(shí)現(xiàn)彈倉軟回收，回收管與回流管前后聯(lián)通，利用管內(nèi)壓縮波來回反射阻滯彈倉運(yùn)動(dòng)，從而消耗彈倉能量實(shí)現(xiàn)截停目的，試驗(yàn)可根據(jù)彈倉質(zhì)量、初速、回流管直徑等調(diào)整預(yù)充氣體壓力控制最大反向過載。

2 無損回收系統(tǒng)

2.1 工作原理

高過載彈倉軟回收系統(tǒng)主要組成包括：加載系統(tǒng)、回收系統(tǒng)、彈倉、支撐座、緩沖復(fù)位裝置等。其中加載系統(tǒng)包括發(fā)射藥筒、加載管、后坐緩沖系統(tǒng)等，與火炮發(fā)射工作原理相似，該部分技術(shù)相對成熟，不在本文討論范圍內(nèi)?；厥障到y(tǒng)包括回收管主體和2段回流管，回收管和回流管均由多根管段通過法蘭盤密封連接，總體結(jié)構(gòu)簡單，無損回收系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 無損回收系統(tǒng)工作原理

加載管采用火藥氣體推動(dòng)彈倉實(shí)現(xiàn)高過載，彈倉經(jīng)加載管發(fā)射產(chǎn)生高過載，依次通過過渡連接部分和同口徑回收管，加載管由制退機(jī)、復(fù)進(jìn)機(jī)控制其后坐運(yùn)動(dòng)，回收管與基座固定，兩者在滑動(dòng)套筒內(nèi)相對分離體但不脫出。通過壓縮彈前氣體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)阻力逐漸減速。當(dāng)彈倉速度首次降至零，仍存在彈前、后壓力差，彈倉將進(jìn)行反向運(yùn)動(dòng)，如此反復(fù)，直至彈倉停留在回收管內(nèi)某處。試驗(yàn)后，將管內(nèi)高壓混合氣體緩慢排放至室外，取出彈倉對被試品進(jìn)行檢驗(yàn)考核，讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行抗高過載分析研究。

2.2 回收過程分析

本文主要針對地面耐高過載無損回收系統(tǒng)中的回收過程進(jìn)行研究，重點(diǎn)在對彈倉進(jìn)入回收管后的動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析，內(nèi)彈道加載過程不在本文的討論范圍內(nèi)。根據(jù)試驗(yàn)場地大小的限制，回收系統(tǒng)的回收管有效長度設(shè)定為30 m，根據(jù)抗過載條件要求，目標(biāo)最大過載20 000g，彈倉整體質(zhì)量為96 kg，加載后彈倉初速為450 m/s，要求回收過程中反向過載不超過最大過載10%。

彈倉進(jìn)入回收管段后，其運(yùn)動(dòng)過程可能存在以下3種狀態(tài)：

1) 預(yù)充氣體壓力過低，彈倉在進(jìn)入回收管內(nèi)后，不斷壓縮預(yù)充氣體，直至到達(dá)回收管末端仍具有一定的剩余速度，彈倉撞擊回收管末端，不僅造成彈倉、設(shè)備損壞且十分危險(xiǎn)。

2) 預(yù)充氣體壓力過高，彈倉進(jìn)入回收管之后，不斷壓縮預(yù)充氣體形成彈前壓縮波，而回流管反射部分壓縮波不足以使彈前壓力降至過載要求，彈倉還未到達(dá)預(yù)期位置就開始反向運(yùn)動(dòng)，不僅反向過載過大，嚴(yán)重時(shí)還可能使彈倉返回至加載管撞擊藥筒，造成彈倉、設(shè)備損壞。

3) 預(yù)充氣體壓力在合適范圍內(nèi)，彈倉在進(jìn)入回收管后，彈前壓縮波通過回流管進(jìn)行反射至彈后管道內(nèi)，降低了彈前壓力，彈倉在合適反向過載作用下，在整個(gè)回收管內(nèi)前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)若干次，彈前后壓力逐漸趨于平穩(wěn)，直到彈倉速度為零，停下的彈倉的位置處于回收管內(nèi)部的某個(gè)位置。

上述情況中，前2種狀態(tài)都不允許發(fā)生，第1種情況彈倉的動(dòng)能并沒有完全轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能，導(dǎo)致彈倉并未如預(yù)期反向而撞擊回收管段，造成被試品和裝置損壞。第2種情況，彈倉在反向過程中，速度過大并未如預(yù)期在回收管段反復(fù)運(yùn)動(dòng)，而是反彈回火炮加載管中，可能造成彈倉和火炮部件損壞。這2種情況都會(huì)造成試驗(yàn)裝置的不可逆損壞，因此最理想的情況為允許彈倉有反彈，但反向速度較低，依靠將動(dòng)能轉(zhuǎn)化氣體內(nèi)能，最終彈倉停留在回收管內(nèi)，完成回收。

3 數(shù)學(xué)模型建立

3.1 控制方程

彈倉在回收段往復(fù)運(yùn)動(dòng)直至停止，分析此過程流場變化，2段回流管與回收管組成的三分岔管道，為對稱結(jié)構(gòu)，因此可以簡化為二維問題非定常無黏流動(dòng)來進(jìn)行分析，彈倉在通過回收管段的三分岔管路后，在回收管內(nèi)運(yùn)動(dòng)，壓縮管內(nèi)空氣產(chǎn)生反向阻尼逐漸減速，可近似看成氣體在做二維非定常無黏流動(dòng)。整個(gè)回收過程時(shí)間較短,因此不考慮壓縮氣體泄漏、熱量損失的影響,且滿足氣體狀態(tài)方程,建立Euler坐標(biāo)系下守恒形式的二維無粘流動(dòng)控制方程為[7-9]：

(1)

此外，完全氣體狀態(tài)方程與內(nèi)能方程為：

p=ρRT

(2)

(3)

式(2)—(3)中：R為氣體常數(shù)；T為氣體絕對溫度；Cv為定容比熱；k為絕熱指數(shù)。

(4)

(5)

(6)

綜合上述公式可知，對于完全氣體：

(7)

選擇使用麥考馬克方法進(jìn)行離散求解，麥考馬克方法是一種顯式有限差分方法，在時(shí)間和空間上具有二階精度。

3.2 運(yùn)動(dòng)方程

由于加載平臺選用的發(fā)射火炮為滑膛炮，彈倉不做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，彈倉在運(yùn)動(dòng)過程中僅受頭部與尾部的氣體壓力和在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的摩擦力，因此彈倉在回收管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方程為：

(8)

式(8)中：pb為彈倉尾部氣體壓力；pf為彈倉頭部氣體壓力；A為彈倉截面積；f為彈倉在運(yùn)動(dòng)過程中所受的摩擦力；m為活塞質(zhì)量；v為活塞速度；v0為進(jìn)入回收管的初速。本次流場的數(shù)值模擬僅計(jì)算彈倉進(jìn)入回收管段后的氣體流場，彈倉尾部所受火藥燃?xì)獾膲毫b和進(jìn)入回收管的初速v0由內(nèi)彈道計(jì)算結(jié)果得出[10-11]。

3.3 動(dòng)網(wǎng)格子程序?qū)崿F(xiàn)物理場變化過程

圖2為仿真計(jì)算流體域。對回收過程流場仿真中，對網(wǎng)格質(zhì)量要求較高，選用層鋪法進(jìn)行網(wǎng)格計(jì)算，使用編譯型UDF，來獲取運(yùn)動(dòng)邊界的動(dòng)力學(xué)參數(shù)更新網(wǎng)格，通過DEFINE_CG_MOTION宏來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)[12-13]。

圖2 仿真計(jì)算流體域

程序基本思路為：

1) 在運(yùn)動(dòng)初始時(shí)刻給彈倉賦予初速。

2) 開啟并行計(jì)算，遍歷彈倉前端面上每一個(gè)單元壓力，計(jì)算前端面受力。

3) 遍歷彈倉后端面上每一個(gè)單元壓力，計(jì)算后端面受力。

4) 求得彈倉前后端面合力，將并行計(jì)算中每個(gè)處理器單獨(dú)計(jì)算的部分匯總。

5) 判斷彈倉速度方向，求彈倉加速度。

6) 更新速度、位移、時(shí)間。

所有參數(shù)設(shè)置完成之后，便可通過提前導(dǎo)入的UDF初始化宏DEFINE_INIT進(jìn)行流場初始化，根據(jù)膛內(nèi)氣體速度及壓力分布規(guī)律，結(jié)合內(nèi)彈道參數(shù)，可計(jì)算出初始狀態(tài)膛內(nèi)的平均壓力大小為10 MPa，膛內(nèi)氣體速度呈線性分布，彈倉底部的氣體速度大小為450 m/s。設(shè)置迭代計(jì)算的時(shí)間步長與迭代步數(shù)，即可開始計(jì)算。

4 算例及主要影響參數(shù)分析

根據(jù)理論計(jì)算建立的回收過程數(shù)學(xué)模型，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析回收管內(nèi)流場變化規(guī)律與彈倉過載規(guī)律，判斷回收結(jié)果是否滿足預(yù)期要求。選取回收參數(shù)作為算例進(jìn)行分析，算例回收參數(shù)如表1所示。

表1 回收參數(shù)Table 1 Recovery parameters

4.1 算例分析

以表1參數(shù)為例建立流場模型，彈倉在進(jìn)入回收管后，快速壓縮預(yù)充的壓縮氣體，產(chǎn)生了復(fù)雜的壓縮波與反射波，彈倉前后壓力差使其減速，彈前的壓縮波在回收管內(nèi)來回反射，同時(shí)部分壓縮波通過回流管流動(dòng)，回流至彈倉后部的管體內(nèi)，此過程中消耗了彈倉的動(dòng)能，其速度逐漸降低停止，壓縮波狀態(tài)如圖3所示。彈倉運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示，彈倉運(yùn)動(dòng)速度如圖5所示，回收流場壓力分布云圖動(dòng)態(tài)變化過程如圖6所示。

圖3 壓縮波氣體到達(dá)回收管底部狀態(tài)

圖4 彈倉運(yùn)動(dòng)軌跡

圖5 彈倉運(yùn)動(dòng)速度

由圖3和圖5可知，彈倉進(jìn)入回收管段86 ms后，速度第1次為零，此時(shí)彈倉位于回收管中距管口25 m處，然后彈倉開始反向運(yùn)動(dòng)，反向運(yùn)動(dòng)速度不大于155 m/s。213 ms時(shí)，在距回收管口13.7 m處再次反向運(yùn)動(dòng)，彈倉往復(fù)運(yùn)動(dòng)3～4次，最終停留在回收管14 m處。整個(gè)回收時(shí)間約0.65 s，彈倉停止后回收系統(tǒng)氣體壓力約為3.5 MPa。

圖6 回收流場壓力分布云圖動(dòng)態(tài)變化過程

彈倉前后端面受力如圖7所示。由圖7可知，初始時(shí)，彈倉后端面壓力來自火藥氣體壓力，彈倉前端面的壓力來自預(yù)充氣體壓力，彈倉開始進(jìn)入回收管段，彈前壓縮氣體通過回流管流至回收管后端，此時(shí)彈前壓力是下降趨勢，在彈倉完全進(jìn)入回收管后，前后端面受復(fù)雜流場影響，在彈倉第1次反向時(shí)，彈前壓力達(dá)到最大值1 250 000 N。

圖7 彈倉前后端面受力

回收過程過載如圖8所示。由圖8可知，彈倉在整個(gè)回收管內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程中，正向過載和反向過載交替變化，最大反向過載約為1 300g，滿足回收技術(shù)要求指標(biāo)。

圖8 回收過程過載

通過算例分析，彈倉將在整個(gè)回收管內(nèi)前后往復(fù)運(yùn)動(dòng),直至停止，過程中反向過載始終不超過最大過載的10%，整個(gè)回收過程時(shí)間在0.6～0.7 s，最終彈倉的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能和管壁熱能耗散。證明了通過封閉式空氣阻尼在有限距離無損回收被試品是可行的，合理控制彈倉初速度、質(zhì)量以及回收管預(yù)充壓力、長度之間的匹配關(guān)系，是可以實(shí)現(xiàn)不同質(zhì)量被試品的高過載無損回收的目的。

4.2 主要影響參數(shù)分析

4.2.1回收管段預(yù)充壓力的影響

初速為450 m/s、回流管直徑大小120 mm時(shí)，在不同預(yù)充氣體壓力下，計(jì)算得到的彈倉運(yùn)動(dòng)位移變化如圖9所示。

圖9 不同預(yù)充壓力運(yùn)動(dòng)軌跡

彈倉在回收管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)阻力主要來源于彈前壓力，并形成的壓縮波逐漸向后方傳遞，直至管道分岔處，壓縮波一部分仍在回收管內(nèi)傳遞，到達(dá)底部，另一部分通過回流管進(jìn)行傳遞。壓縮波壓力與彈倉運(yùn)動(dòng)初速、氣體參數(shù)直接相關(guān)，在不同預(yù)充氣體壓力下，彈倉運(yùn)動(dòng)初次反向距離越遠(yuǎn)，1.6 MPa預(yù)充壓力下彈倉在距回收管口27.6 m處第1次反向運(yùn)動(dòng)，而預(yù)充壓力2.0 MPa時(shí)，彈倉在距回收管口25 m處，開始反向運(yùn)動(dòng)。為保護(hù)回收裝置的安全性，選擇預(yù)充氣體壓力在1.5～2.6 MPa，可滿足彈倉回收標(biāo)準(zhǔn)。

4.2.2彈倉質(zhì)量的影響

彈載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與被試品設(shè)定質(zhì)量約為30 kg，為保證彈倉外殼滿足材料強(qiáng)度要求，這里選取3組不同材料鋁、鈦和合金材料作為彈倉外殼，為方便試驗(yàn)比較，設(shè)定其質(zhì)量為66、81和96 kg，其反向過載如圖10所示。

圖10中，質(zhì)量66 kg的彈倉最大反向過載為1 867g，而96 kg的彈倉最大反向過載為1 282g。由此可知，彈倉的初速和質(zhì)量均與彈倉動(dòng)能有關(guān)，初速越高、質(zhì)量越大，彈倉的動(dòng)能越高，所需緩沖能量就越多，在限定距離內(nèi)截停就需要較高的預(yù)充壓力。彈倉質(zhì)量對回收結(jié)果影響體現(xiàn)在承受相同的反向阻力時(shí)，彈倉質(zhì)量越大，反向過載越小，減速效果越不明顯，彈倉剩余速度變高，回收效果變差。所以在滿足反向過載、彈倉外殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及經(jīng)濟(jì)的條件下，選用盡可能小的彈倉質(zhì)量。

圖10 彈倉質(zhì)量與過載關(guān)系

4.2.3回流管直徑的影響

彈前壓縮波通過回流管反射到達(dá)彈后管道內(nèi)，回流管的直徑直接影響彈前反射的壓縮波強(qiáng)度，從而影響反向過載。彈倉在第1次經(jīng)過回流管時(shí)，回流管直徑與彈后壓力關(guān)系如圖11所示。

圖11 回流管直徑與彈后壓力關(guān)系

彈倉在初次經(jīng)過回流管時(shí)，其彈后壓力主要來自加載管內(nèi)的高壓火藥燃?xì)?，直徑更大回流管在彈倉經(jīng)過時(shí)，降低彈后壓力效果更顯著。

圖12 回流管直徑與反向過載關(guān)系

回流管直徑與反向過載關(guān)系如圖12所示，初速450 m/s、彈倉質(zhì)量96 kg和預(yù)充壓力2 MPa下，100 mm直徑回流管回收過程最大反向過載約為1 600g，而直徑為120 mm的回流管最大反向過載約為1 300g。彈倉在回收管內(nèi)運(yùn)動(dòng)形成的壓縮波從前往后傳遞，在壓縮波達(dá)到回收管底端三分岔管道前，彈體運(yùn)動(dòng)不受回收管直徑大小的影響，只是壓縮波到達(dá)分岔管到后，而回流管直徑直接影響回收管內(nèi)反射壓縮波的強(qiáng)度，影響回收時(shí)彈倉反向過載大小。對比直徑60～160 mm的回流管對反向過載的影響，選取回流管直徑在100～120 mm時(shí)，回收結(jié)果更符合預(yù)期。

5 結(jié)論

1) 在最大有效過載條件和規(guī)定截停距離的限制下，通過高速彈倉在回收管壓縮空氣產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)阻尼減速實(shí)現(xiàn)回收是可行的，通過合理匹配彈重、初速、回收管長度、回流管長度、回流管直徑和預(yù)充壓力，能夠?qū)梻}截停在預(yù)定位置,實(shí)現(xiàn)高速彈體無損回收。

2) 結(jié)合回收管內(nèi)預(yù)充壓力、回流管直徑和彈倉質(zhì)量等不同算例對彈倉運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響分析，在發(fā)射條件相同的情況下，彈倉質(zhì)量對其減速過程起主導(dǎo)作用，減少彈倉質(zhì)量，過載隨即增大，同時(shí)相同口徑彈體質(zhì)量越大，需要的膛壓越高。為保證安全，要盡可能減少彈倉質(zhì)量，提高過載。對應(yīng)不同質(zhì)量的彈倉，預(yù)充氣體壓力范圍在2 MPa左右，不僅能夠較為理想地實(shí)現(xiàn)無損軟回收過程，同時(shí)也滿足實(shí)際工程氣源壓力和充氣時(shí)間要求。選取回收管直徑1/3～1/2作為回流管直徑，能夠有效載荷在技術(shù)要求內(nèi)，為試驗(yàn)平臺的工程化提供了理論參數(shù)支持。

3) 彈倉進(jìn)入回收管段的同時(shí),火藥燃?xì)庖矔?huì)隨之影響回收段內(nèi)壓縮氣體，高溫、高壓和高氣流速度的特點(diǎn)使得燃?xì)饷芏?、壓力、溫度、流速及回收管段溫度等參?shù)呈動(dòng)態(tài)及非線性，其會(huì)成為影響回收段內(nèi)部流場的重要因素。為進(jìn)一步完善數(shù)學(xué)模型,還需考慮火藥氣體的影響對回收段壓縮氣體常數(shù)的影響。