再生式液體發(fā)射自動(dòng)武器理論模型及參數(shù)影響規(guī)律研究

冉景祿,徐 誠(chéng),汪 冰

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

再生式液體發(fā)射自動(dòng)武器理論模型及參數(shù)影響規(guī)律研究

冉景祿,徐 誠(chéng),汪 冰

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

針對(duì)液體發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于自動(dòng)武器日益成為可能,提出了基于再生式液體發(fā)射的導(dǎo)氣式自動(dòng)武器概念模型,建立了能夠全面真實(shí)反映其內(nèi)彈道過(guò)程的零維數(shù)學(xué)模型,該模型包括儲(chǔ)液室控制方程和內(nèi)彈道方程和導(dǎo)氣裝置與自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方程、耦合方程。利用參考文獻(xiàn)研究成果驗(yàn)證了該模型的正確性。利用該模型探討了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其內(nèi)彈道特性的影響,得出了其影響的基本規(guī)律。該模型對(duì)研發(fā)基于再生式液體發(fā)射技術(shù)的導(dǎo)氣式自動(dòng)武器具有理論和實(shí)用價(jià)值。

機(jī)械學(xué);液體發(fā)射;再生式液體發(fā)射藥;自動(dòng)武器;內(nèi)彈道

由于具有燒蝕小、溫度低和裝填密度高等優(yōu)點(diǎn),使得國(guó)內(nèi)外對(duì)液體發(fā)射技術(shù)的研究和探索已經(jīng)持續(xù)了60多年[1]。目前,以文獻(xiàn)[2-8]為代表的資料表明:盡管遇到各種困難,總體來(lái)講,液體發(fā)射的相關(guān)研究正在逐步深入,相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)不斷取得突破。未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)和非戰(zhàn)爭(zhēng)行動(dòng)對(duì)自動(dòng)武器提出了許多新的需求,如變初速發(fā)射、變(等)效能殺傷等,傳統(tǒng)自動(dòng)武器設(shè)計(jì)遇到挑戰(zhàn),而液體發(fā)射技術(shù)具有適應(yīng)這些需求的特性。所以,據(jù)此可以預(yù)料,液體發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于自動(dòng)武器只是時(shí)間問(wèn)題。因此,十分有必要對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行預(yù)先研究。為此,本文提出了一種基于再生式液體發(fā)射技術(shù)的導(dǎo)氣式自動(dòng)武器的概念模型,建立了能夠全面真實(shí)反映其內(nèi)彈道過(guò)程的零維數(shù)學(xué)模型。較之文獻(xiàn)[9-10]所建立的內(nèi)彈道模型,本文的理論計(jì)算模型更為簡(jiǎn)單,更能夠描述導(dǎo)氣式武器內(nèi)彈道中的變質(zhì)量熱力學(xué)過(guò)程。文末利用該模型,探討了部分結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)內(nèi)彈道特性的影響規(guī)律。

1 概念模型及基本假設(shè)

1.1 概念模型

基于再生式液體發(fā)射的導(dǎo)氣式自動(dòng)武器的概念模型如圖1所示。在點(diǎn)火具的作用下,燃燒室會(huì)產(chǎn)生一個(gè)初始?jí)毫?當(dāng)初始?jí)毫_(dá)到活塞啟動(dòng)壓力后,再生噴射活塞在火藥燃?xì)獾耐苿?dòng)下向右運(yùn)動(dòng),壓縮貯液室內(nèi)的液體,同時(shí)壓縮噴射活塞復(fù)進(jìn)簧,閥門(mén)關(guān)閉。當(dāng)儲(chǔ)液室壓力上升至一定閾值后,液體火藥開(kāi)始由活塞噴孔高速?lài)娙肴紵胰紵?產(chǎn)生高溫高壓的火藥燃?xì)?當(dāng)壓力大于彈丸啟動(dòng)壓力時(shí),彈丸開(kāi)始擠進(jìn)膛線(xiàn)加速運(yùn)動(dòng)。彈丸運(yùn)動(dòng)到開(kāi)孔位置時(shí),火藥燃?xì)鈴膶?dǎo)氣孔流入導(dǎo)氣室,進(jìn)而推動(dòng)導(dǎo)氣活塞向后運(yùn)動(dòng),此時(shí),導(dǎo)氣活塞上的凸臺(tái)沿供彈具內(nèi)圓的導(dǎo)槽運(yùn)動(dòng),使得旋轉(zhuǎn)供彈具發(fā)生旋轉(zhuǎn),隨著導(dǎo)氣活塞推自動(dòng)機(jī)向后運(yùn)動(dòng),在彈匣簧力的作用下,彈匣內(nèi)的彈頭向上運(yùn)動(dòng)到達(dá)待進(jìn)位置,后坐終了后,自動(dòng)機(jī)在導(dǎo)氣復(fù)進(jìn)簧的作用下向前運(yùn)動(dòng),推到達(dá)待進(jìn)位置的彈頭上膛,與此同時(shí),噴射活塞在噴射活塞復(fù)進(jìn)簧的作用下向前運(yùn)動(dòng),同時(shí)閥門(mén)打開(kāi),將液體發(fā)射藥吸入儲(chǔ)液室。

1.2 基本假設(shè)

1)結(jié)構(gòu)是剛性的。

2)認(rèn)為液體具有壓縮性,忽略貯液室截面變化,認(rèn)為貯液室流體為等熵流體。

3)忽略點(diǎn)火過(guò)程,假設(shè)從儲(chǔ)液室噴入燃燒室的火藥液滴瞬間完全燃燒。

4)導(dǎo)氣裝置內(nèi)流場(chǎng)是一個(gè)有流入與流出的變質(zhì)量熱力學(xué)過(guò)程。

5)由于是瞬態(tài)計(jì)算,忽略火藥燃?xì)馀c槍管和導(dǎo)氣室之間的熱量交換。

6)內(nèi)彈道與導(dǎo)氣裝置通過(guò)火藥燃?xì)饬髁肯嗷ヱ詈稀?/p>

2 內(nèi)彈道過(guò)程數(shù)學(xué)模型

內(nèi)彈道過(guò)程數(shù)學(xué)模型包括:儲(chǔ)液室控制方程、經(jīng)典內(nèi)彈道方程、導(dǎo)氣裝置與自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方程、內(nèi)彈道與導(dǎo)氣裝置耦合方程。

2.1 儲(chǔ)液室控制方程

1)儲(chǔ)液室液體密度方程

式中:ρL為儲(chǔ)液室液體發(fā)射藥密度;SR為貯液室斷面積;lp為活塞運(yùn)動(dòng)位移;vp為活塞運(yùn)動(dòng)速度;CD為流量系數(shù);SD為噴孔面積;VL0為貯液室初始容積;uL為液體藥噴射速度。

2)儲(chǔ)液室壓力方程

式中:B為液體藥體積模量;C為液體藥體積模量系數(shù)。

3)活塞速度方程

式中:Kl為藥室復(fù)進(jìn)簧剛度;φp為活塞運(yùn)動(dòng)次要功系數(shù);SC為燃燒室斷面積;mp為活塞質(zhì)量。

4)液體藥噴注控制方程采用非穩(wěn)態(tài)的Bernoulli方程,同文獻(xiàn)[1]中方程(8-96)。

5)液體藥噴射相對(duì)質(zhì)量流率同文獻(xiàn)[1]中方程(8-96)。

6)活塞位移方程同文獻(xiàn)[1]中方程(8-96)。

2.2 經(jīng)典內(nèi)彈道方程

1)內(nèi)彈道基本方程

式中:f為火藥力;l0為燃燒室初始長(zhǎng)度;r為比熱比;K1為藥室復(fù)進(jìn)簧剛度;Gb為導(dǎo)氣孔處氣體流量。

2)槍管內(nèi)火藥燃?xì)饷芏确匠?/p>

式中:ρ為膛內(nèi)火藥燃?xì)饷芏?η為噴入燃燒室內(nèi)火藥的質(zhì)量;η1為從槍管流入導(dǎo)氣室的火藥氣體質(zhì)量;V0為燃燒室初始容積。

3)彈丸速度方程同文獻(xiàn)[1]中方程(8-96)。

4)彈丸位移方程同文獻(xiàn)[1]中方程(8-96)。

5)燃燒室液體燃燒方程同上述的液體藥噴射相對(duì)質(zhì)量流率方程。

2.3 導(dǎo)氣裝置與自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方程

1)氣室內(nèi)氣體壓力變化方程

式中:pq為導(dǎo)氣室壓力;Vq0為導(dǎo)氣室初始容積;Sh為導(dǎo)氣室活塞橫斷面面積;vh為導(dǎo)氣室活塞運(yùn)動(dòng)速度;lk為開(kāi)孔距離。

2)活塞與自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方程

式中:mh為活塞質(zhì)量;xh為活塞位移;lh為自動(dòng)機(jī)最大運(yùn)動(dòng)位移;K2為活塞復(fù)進(jìn)簧剛度;F為隨動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦力和傳動(dòng)阻力;F1=mg(R21-R22)ω2為供彈具轉(zhuǎn)動(dòng)所需的力;mg為供彈具轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)應(yīng)的質(zhì)量;R1為供彈具外徑;R2為供彈具內(nèi)徑;ω為平均角速度;B=(pq-pa)Sh-K2×xh-F為活塞所受到的合力。

3)從槍管流入導(dǎo)氣室的火藥氣體流量

4)活塞間隙的流量方程同文獻(xiàn)[11]中方程(17-18)。

5)氣室內(nèi)氣體質(zhì)量變化速度方程同文獻(xiàn)[12]中方程(17-17)。

6)活塞運(yùn)動(dòng)位移方程同文獻(xiàn)[11]中方程(17-22)。

7)氣室內(nèi)氣流質(zhì)量守恒方程同文獻(xiàn)[12]中方程(8.3.4)。

8)氣室內(nèi)單位質(zhì)量氣體的比內(nèi)能方程同文獻(xiàn)[11]中方程(17-16)。

2.4 耦合方程

內(nèi)彈道過(guò)程與自動(dòng)機(jī)的耦合方程同文獻(xiàn)[11]中方程(8.3.12)。

3 實(shí)例

3.1 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所建模型的正確性。將文獻(xiàn)[9]中的計(jì)算原始數(shù)據(jù)代入本文所建立的模型,得出如圖2所示的計(jì)算壓力曲線(xiàn)對(duì)比圖。

從圖2中可以看出,在起始階段本文的計(jì)算壓力都偏小,中后期壓力一致性相對(duì)較好,而且關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)值差別不大,考慮到本文建立模型時(shí)未考慮液體火藥?kù)F化燃燒等微觀過(guò)程,計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[9]的計(jì)算結(jié)果一致性較好。文獻(xiàn)[9]指出:雖然其計(jì)算的壓力曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)壓力曲線(xiàn)存在差異,考慮到所建模型作了部分簡(jiǎn)化,其計(jì)算模型還是基本上可以描述內(nèi)彈道過(guò)程的宏觀過(guò)程。從而表明本文建立的再生式液體發(fā)射藥自動(dòng)武器理論計(jì)算模型是正確可靠的。

3.2 某型液體發(fā)射自動(dòng)武器性能計(jì)算

本文概念設(shè)計(jì)了某液體發(fā)射的導(dǎo)氣式自動(dòng)武器,根據(jù)其結(jié)構(gòu)諸元和裝填條件,利用所建的理論模型對(duì)其相關(guān)內(nèi)彈道參數(shù)進(jìn)行數(shù)值求解,采用四階龍格庫(kù)塔法,通過(guò)MAT LAB編程實(shí)現(xiàn)。通過(guò)理論計(jì)算,得到該型自動(dòng)武器的膛內(nèi)壓力和儲(chǔ)液室壓力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)和液體火藥噴射速度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖3、圖4所示。

在起始階段,燃燒室和儲(chǔ)液室處于壓力靜平衡狀態(tài),隨著燃燒室壓力增大,儲(chǔ)液室壓力也隨之上升,由于截面積的差異,儲(chǔ)液室壓力上升的加速度要快于燃燒室,從而在儲(chǔ)液室和燃燒室之間形成一個(gè)壓力差,當(dāng)壓力差達(dá)到一定的閥值,液體火藥開(kāi)始從儲(chǔ)液室噴入燃燒室開(kāi)始燃燒,此時(shí)噴入的流速相對(duì)較低,隨著噴入的液體火藥在燃燒室內(nèi)燃燒,壓力迅速增大,儲(chǔ)液室和燃燒室之間的壓力差會(huì)瞬間增大,從而導(dǎo)致噴入燃燒室火藥的速度急劇增加,從圖3中可以看出,當(dāng)液體火藥噴射完畢時(shí),壓力之差最大達(dá)到90 MPa,此時(shí),流速已達(dá)到346 m·s-1最大速度,圖4中前期,流速出現(xiàn)震蕩,這主要是在起始階段參數(shù)匹配原因引起的[7]。

由于點(diǎn)火藥的燃燒,燃燒室和儲(chǔ)液室的壓力平衡被打破,活塞的速度逐漸增大(如圖5所示),液體火藥受到壓縮,密度隨之增大(如圖6所示),但是由于儲(chǔ)液室和燃燒室的壓力之差尚未達(dá)到噴射的啟動(dòng)壓力,儲(chǔ)液室的液體火藥沒(méi)有噴射到燃燒室,直到0.23 ms,達(dá)到噴射的啟動(dòng)壓力,火藥噴射的百分比才逐步升高,在0.75 ms左右噴射完畢(如圖7所示)。由于彈丸向前運(yùn)動(dòng),燃燒室壓力迅速減小,儲(chǔ)液室的壓力隨之迅速上升,當(dāng)儲(chǔ)液室壓力與燃燒室的壓力在0.42 ms重新使活塞達(dá)到平衡狀態(tài),隨后,彈后空間進(jìn)一步最大,燃燒室與儲(chǔ)液室出現(xiàn)壓力之差減小,活塞作減速運(yùn)動(dòng),直到液體火藥武器噴射完畢。如圖8所示,當(dāng)彈丸位移小于開(kāi)孔距離時(shí),導(dǎo)氣孔處的氣體流量為零,導(dǎo)氣室的壓力為一個(gè)大氣壓(如圖9所示),當(dāng)彈丸到達(dá)導(dǎo)氣孔時(shí),膛內(nèi)壓力很大,而導(dǎo)氣室內(nèi)壓力僅為一個(gè)大氣壓,從而在導(dǎo)氣孔處出現(xiàn)正向臨界流,流量在瞬間達(dá)到1.48 kg·s-1,導(dǎo)氣室的壓力在 0.03 ms達(dá)到最高的26.8 MPa,在導(dǎo)氣室高溫高壓火藥的作用下,導(dǎo)氣活塞加速后坐,使得導(dǎo)氣室空間進(jìn)一步增大,導(dǎo)氣室壓力逐漸減小,造成導(dǎo)氣室壓力與膛內(nèi)壓力之差也迅速減小,進(jìn)而使得流量也隨之下降,直到彈丸飛出槍口。

3.3 參數(shù)對(duì)液體發(fā)射自動(dòng)武器內(nèi)彈道性能的影響

3.3.1 噴孔面積對(duì)膛內(nèi)壓力和儲(chǔ)液室壓力的影響

從圖10、圖11可以看出,當(dāng)噴孔面積增加,膛內(nèi)壓力和儲(chǔ)液室壓力隨之增大,且噴孔面積在越小的數(shù)值范圍變化時(shí),膛內(nèi)壓力和儲(chǔ)液室壓力的變化越敏感,隨著面積增大,敏感度隨之降低,但總體來(lái)講,膛內(nèi)壓力和儲(chǔ)液室壓力受開(kāi)孔面積影響較大。從圖11看出,隨著噴孔面積的增加,液體火藥噴射完畢的時(shí)間越短,儲(chǔ)液室最大壓力達(dá)到的時(shí)間越短。

3.3.2 儲(chǔ)液室面積對(duì)膛內(nèi)壓力和儲(chǔ)液室壓力的影響

從圖12、圖13可以看出,隨著儲(chǔ)液室面積的增大,膛內(nèi)壓力和儲(chǔ)液室壓力都隨之增加。儲(chǔ)液室面積在越小的數(shù)值范圍變化時(shí),膛內(nèi)壓力和儲(chǔ)液室壓力的變化越敏感,儲(chǔ)液室面積在較大范圍變化時(shí),這種敏感度會(huì)隨之降低。相對(duì)而言,膛內(nèi)壓力對(duì)儲(chǔ)液室截面積更為敏感。從圖13看出,隨著儲(chǔ)液室面積的減少,儲(chǔ)液室最大壓力達(dá)到的時(shí)間越短。

3.3.3 導(dǎo)氣孔直徑對(duì)自動(dòng)機(jī)的影響

從圖14、圖15可以看出,隨著開(kāi)孔面積的增加,導(dǎo)氣室壓力和自動(dòng)機(jī)后坐速度都隨之增大。導(dǎo)氣孔面積增大,導(dǎo)氣室壓力和自動(dòng)機(jī)后坐速度隨之增大,當(dāng)導(dǎo)氣孔面積在較大值范圍變化時(shí),導(dǎo)氣室壓力和自動(dòng)機(jī)后坐速度變化較為敏感,隨著開(kāi)孔面積的減小,這種敏感度隨之降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種基于再生式液體發(fā)射技術(shù)的導(dǎo)氣式自動(dòng)武器的概念模型,闡述了其發(fā)射過(guò)程,并建立了能夠全面真實(shí)反映其內(nèi)彈道的變質(zhì)量熱力學(xué)發(fā)射過(guò)程的零維數(shù)學(xué)模型,采用對(duì)比的方法,利用文獻(xiàn)[9]的研究成果驗(yàn)證了該計(jì)算模型的正確性。該模型能全面真實(shí)地反映基于再生式液體發(fā)射技術(shù)的導(dǎo)氣式自動(dòng)武器的發(fā)射過(guò)程,比較適合工程應(yīng)用。特別是它在自動(dòng)武器性能的精細(xì)化預(yù)測(cè)方面具有優(yōu)勢(shì),除此之外,該模型為基于再生式液體發(fā)射藥的導(dǎo)氣式自動(dòng)武器虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真提供了一種載荷添加方法,所以,該模型具有理論和實(shí)用價(jià)值。利用該模型,探討了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其內(nèi)彈道特性的影響,得出了其影響的基本規(guī)律。

References)

[1]金志明,翁春生.高等內(nèi)彈道學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2003:312-386.

JIN Zhi-ming,WENG Chun-sheng.Advanced interior ballistics[M].Beijing:The High Education Press,2003:312-386.(in Chinese)

[2]栗保明,金志明.再生式液體發(fā)射藥火炮中霧化燃燒過(guò)程的模擬[J].彈道學(xué)報(bào),1994,12(4):12-17.

LI Bao-ming,Jin Zhi-ming.Simulation of jet atomization and combustion in regenerative liquid propellant guns[J].Journal of Ballistics,1994,12(4):12-17(in Chinese)

[3]劉俊,余永剛,周彥煌.再生式液體發(fā)射藥火炮的霧化問(wèn)題研究[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2002(3):56-60.

LIU Jun,YU Yong-gang ZHOU Yan-huang.Study of atomization in regenerative liquid propellant gun[J].Journal of Gun Launch&Control,2002(3):56-60.(in Chinese)

[4] JOHN MANDZY.Weapon system implications of RLPG technology[R].ARL-CR-446,2000:1-93.

[5]王亮寬,張相炎,劉寧.再生式液體發(fā)射藥火炮貯液室激波模型[J].兵工學(xué)報(bào),2007,28(8):915-918.

WANG Liang-kuan,ZHANG Xiang-yan,LIU Ning.Shock wave model in reservoir of regenerative liquid propellant gun[J].ACTA Armamentarii,2007,28(8):915-918.(in Chinese)

[6]王亮寬.再生式液體發(fā)射藥火炮壓力振蕩機(jī)理及抑制措施研究[D].南京:南京理工大學(xué),2007:1-11.

WANG Liang-kuan,Study on pressureoscillation mechanism and suppression measure of regenerative liquid propellant gun[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2007:1-11.(in Chinese)

[7]劉寧.再生式液體發(fā)射藥火炮噴霧燃燒理論及數(shù)值模擬研究[D].南京:南京理工大學(xué),2008:1-56.

LIU Ning.Theory and numerical simulation of spray combustion process in regenerative liquid propellant gun[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2008:1-56.(in Chinese)

[8]COFFEE T P.Process in modeling pressure oscillations in regenerative liquid propellant guns[J].Journal of Propulsion and Power,2000,16(2):302-308.

[9]張旭翔,樊文欣,王明丁.再生式液體發(fā)射藥槍設(shè)計(jì)與彈道計(jì)算[J].彈道學(xué)報(bào),1995,7(2):15-20.

ZHANG Xu-xiang,FAN Wen-xin,WANG Ming-ding.The design and interior ballistic calculation of the regenerative liquid propellant gun[J]Journal of Ballistics,1995,7(2):15-20(in Chinese)

[10]張旭翔,王明丁,樊文欣,等.再生式液體發(fā)射藥槍彈道結(jié)果分析[J].彈道學(xué)報(bào),1995,7(3):19-23.

ZHANG Xu-xiang,WANG Ming-ding,FAN Wenxin,et al.The interior ballistic result analyses of the regenerative liquid propellant gun[J].Journalof Ballistics,1995,7(3):19-23.(in Chinese)

[11]陸家鵬.自動(dòng)武器學(xué)氣體動(dòng)力學(xué)分冊(cè)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1988:456-464.

LU Jia-peng.Gas dynamics ofautomatic weapon[M].Beijing:NationalDefense Inclustry Press,1988:456-464.(in Chinese)

[12]廖振強(qiáng),王濤,余世海.武器氣體動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算方法[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1988:221-228.

LIAO Zhen-qiang,WANG Tao,YUE Shi-hai.The calculation method of gas dynamics of weapon[M].Beijing:National Defense Inclustry Press,1988:221-228.(in Chinese)

Research on Theoretic Model and Parameter Influence Law of Regenerative Liquid Propellant Automatic Weapon

RAN Jing-lu,XU Cheng,WANG Bing

(Mechanical Engineering College,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China)

Along with the application possibility of liquid propellant technology in automatic weapon becomes more and more increasing,a kind of concept model of gas-operated automatic weapon based on regenerative liquid propellant technology was put forward,and the zero dimension mathematical model that can totally and really reflect interior ballistic procedure was established.This model includes fluid reservoir control equation,interior ballistic equation,gas-operated device and automatic mechanism motion equation andcoupling equation.Research results acquired from the references was used to verify the correctness of this model.The influence of structure parameter on the interior ballistic features was discussed with the aid of the model,and the basic influence law was obtained.The model has theory and utility value for developing gas-operated automatic weapon based on regenerative liquid propellant technology.

mechanics;liquid propellant;regenerative liquid propellant;automatic weapon;interior ballistics

TJ3

A

1673-6524(2010)04-0001-06

2010-06-09;

2010-07-22

冉景祿(1981-),男,博士研究生,主要從事特種機(jī)械設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究。E-mail:my qunguliang@163.com