小口徑武器膛口流場可視化實(shí)驗(yàn)

郭則慶，王 楊，姜孝海，劉殿金

（南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210094）

0 引 言

膛口流場具有高溫、高壓、高瞬態(tài)等特征，火藥氣體流空過程是彈丸、多道激波、湍流等相互作用并不斷變化的過程，由于其復(fù)雜性、多學(xué)科交叉以及對武器改進(jìn)等具有重要意義，國內(nèi)外開展了大量研究［1］。

以往有關(guān)膛口流場的研究主要側(cè)重于實(shí)驗(yàn)［1－5］。如Glass［2］利用陰影法，獲得了彈丸初速為2馬赫的槍口時(shí)序陰影照片。Schmitt［3］使用時(shí)間累積的電火花陰影照相技術(shù)獲得了更為清晰的膛口流場照片，并觀察到了兩個(gè)沖擊波的耦合過程。Merlen等［5］還根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果進(jìn)行理論分析，嘗試給出膛口沖擊波場的相似規(guī)律。這些實(shí)驗(yàn)和理論研究為認(rèn)識(shí)膛口流場的結(jié)構(gòu)和發(fā)展機(jī)理提供了重要依據(jù)。

近年，隨計(jì)算機(jī)、CFD技術(shù)的發(fā)展和成熟，膛口流場的數(shù)值模擬受到人們的重視［6－12］。Wang［6］對膛口射流沖擊波進(jìn)行了模擬，并與實(shí)驗(yàn)陰影照片進(jìn)行了對照；Jiang Z［7］使用運(yùn)動(dòng)邊界處理方法模擬了圓柱形彈丸從膛口射出的動(dòng)力學(xué)過程，并對該過程中沖擊波的形成和相互作用過程進(jìn)行了詳細(xì)分析；Jiang X.H.等利用嵌套動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對高壓膛口流場的動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬［9－10］；Cler等［11］對未包含運(yùn)動(dòng)彈丸的膛口流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與實(shí)驗(yàn)陰影進(jìn)行了對照。從近幾年有關(guān)膛口流場的文獻(xiàn)來看，主要偏重于數(shù)值方法、數(shù)值結(jié)果的討論，對于有關(guān)清晰的、實(shí)驗(yàn)條件明確的可用于驗(yàn)證或?qū)φ盏膶?shí)驗(yàn)結(jié)果（如光學(xué)陰影照片）仍比較少，為此，對典型膛口流場進(jìn)行可視化實(shí)驗(yàn)，以獲得給定明確條件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為數(shù)值結(jié)果的驗(yàn)證提供參考。

膛口流場的光學(xué)可視化方法，主要有陰影、紋影、干涉等。陰影照相是利用流場中氣體折射率（或密度）的差異所引起的光線偏轉(zhuǎn)而在成像平面上形成照度差異圖像的一種光學(xué)顯示方法，對于流場中存在大的密度梯度時(shí)，如激波、火焰等，可以有效地顯示其陣面形狀［14］；紋影法是利用紋影刀口擋掉部分偏折光，以改變視屏上的照度，使擾動(dòng)區(qū)折射率的變化呈現(xiàn)為成像平面上明暗變化的紋影圖像；干涉法是利用光的波動(dòng)性，根據(jù)光線穿越流場后相位的變化獲得干涉圖，該方法可以定量獲得二維流場空間折射利率的變化，但其實(shí)驗(yàn)裝置較為復(fù)雜［15－16］。陰影法作為一種最為直觀、簡單的定性顯示方法在膛口流場的研究中得到了廣泛的應(yīng)用［1－5］。

陰影照相又可分為直接陰影和間接陰影。光線從光源發(fā)出后經(jīng)過被拍攝流場發(fā)生偏折后直接投射在照相底板上成像，即直接陰影法；當(dāng)拍攝較大流場區(qū)域時(shí)，為了避免照相底板過大，用光學(xué)元件（如透鏡）將記錄平面聚焦在膠片或小尺寸底板上，這種方法稱為間接陰影法。直接陰影相對間接陰影實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)更簡單、成像更清晰、分辨率更高。另外，大口徑身管武器膛口流場雖然沖擊波強(qiáng)度和流場尺寸較大，但是其流場結(jié)構(gòu)和發(fā)展特征與小口徑槍具有相似性。因此，考慮到該特征及實(shí)驗(yàn)成本，采用直接陰影法開展小口徑膛口流場的可視化實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)方法及裝置

圖1為所采用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要由發(fā)射系統(tǒng)、信號(hào)觸發(fā)系統(tǒng)、時(shí)間控制器和拍照系統(tǒng)等組成。發(fā)射系統(tǒng)由武器、受彈器等組成；拍照系統(tǒng)由火花光源發(fā)射器、高感光高分辨率底片和洗相系統(tǒng)等組成。為拍攝彈丸出膛口過程以及彈丸穿越初始流場過程中的典型流場特征，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的信號(hào)觸發(fā)采用壓力和光靶觸發(fā)兩種方式。對于壓力觸發(fā)式，壓力傳感器置于槍支身管上測壓孔內(nèi)，當(dāng)彈丸運(yùn)動(dòng)超過傳感器位置時(shí)，傳感器探測到膛內(nèi)氣體的壓力突躍作為時(shí)間控制器的時(shí)間零點(diǎn)信號(hào)，在時(shí)間控制器中可以預(yù)設(shè)任意時(shí)間間隔的觸發(fā)信號(hào)，使火花光源閃光；而光靶觸發(fā)式中，在槍口外設(shè)置一對紅外發(fā)射器與光電轉(zhuǎn)換接收器，當(dāng)彈丸飛越時(shí)遮擋光線，從而觸發(fā)信號(hào)（光信號(hào)斷開時(shí)刻作為時(shí)間零點(diǎn)）按時(shí)間控制器設(shè)定的時(shí)間使火花光源閃光。前一種主要用于彈丸出膛口過程的拍照實(shí)驗(yàn)，后一種用于彈丸出膛口后的流場可視化。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of experiment system

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)室基于以上實(shí)驗(yàn)設(shè)備對一系列小口徑武器的膛口流場進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)。僅對7.62mm口徑彈道槍和制式步槍在有無膛口裝置條件下的膛口流場的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論。其中彈道槍身管長l1＝733mm，膛口壓力pg＝29.5MPa，彈丸初速為v1＝800m／s。制式步槍身管長l2＝493mm，彈丸初速v2＝738m／s，膛口壓力pg＝23.1MPa。兩種槍采用相同的彈藥，裝藥量ω＝1.6g，彈丸質(zhì)量m＝7.9g。實(shí)驗(yàn)均在暗室內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境溫度約25℃，相對濕度約50%～70%。

圖2為7.62mm口徑槍使用56式普通彈發(fā)射時(shí)的陰影照片（圖中零點(diǎn)時(shí)刻為彈丸出膛口瞬間）。這6幅照片清晰展示了氣流變化過程及其復(fù)雜結(jié)構(gòu)，包括初始激波、火藥燃?xì)鉀_擊波、馬赫盤、湍流渦環(huán)和一系列向四周傳播的壓縮波。圖2（a）～（c）為彈丸出膛口前的初始流場。初始?xì)饬魇怯蓮椙翱諝庵鶋嚎s而成，該部分氣體無色透明，因此拍攝的氣流結(jié)構(gòu)較為清晰，包括接觸面在內(nèi)的一系列氣流特征都被細(xì)致的記錄下來。圖2（d）～（e）記錄了彈丸出口后的火藥燃?xì)饬鲌龊统跏剂鲌鱿嗷プ饔玫倪^程。一方面火藥燃?xì)庵泻胁糠治慈急M的固體顆粒，另一方面火藥燃?xì)庠谂蛎涍^程中會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶反應(yīng)，因此其對光線的吸收率較高，照片中火藥燃?xì)獠糠诸伾^深［1］。

初始流場結(jié)構(gòu)較為簡單，與典型的開口激波管射流結(jié)構(gòu)相似［1］。初始激波所受身管的約束在其出膛口后得到解除，向四周發(fā)生繞射，如圖2（a）。之后形成了典型的欠膨脹射流結(jié)構(gòu)，即由初始沖擊波包圍的激波瓶結(jié)構(gòu)，包含入射激波、反射激波、馬赫盤、射流邊界湍流氣團(tuán)等如圖2（b）、（c）。到圖2（d）時(shí)，彈丸剛好到達(dá)膛口，初始激波波后區(qū)域可見大量的壓縮波。彈丸出膛口后，膛內(nèi)高壓氣體迅速從膛口泄出，形成火藥燃?xì)鉀_擊波?；鹚幦?xì)鉀_擊波出膛口后進(jìn)入的不是靜止的空氣，而是具有極強(qiáng)方向性的初始流場。因此火藥燃?xì)饬鲌鼋Y(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，最顯著的特點(diǎn)是其外輪廓不是簡單球形，而是有一個(gè)向下游突出的冠狀沖擊波，如圖2（e）、（f）。另外，由于火藥燃?xì)鈮毫h(yuǎn)比初始?xì)饬鲏毫Υ?，前者激波?qiáng)度與傳播速度也遠(yuǎn)大于后者，初始沖擊波迅速被火藥燃?xì)鉀_擊波追趕并吞沒。因火藥燃?xì)庵袩焿m或顆粒的遮擋，圖2（e）、（f）中的火藥燃?xì)饬鲌鼋Y(jié)構(gòu)并沒有初始流場的清晰。

圖3是為7.62mm口徑彈道槍加裝膛口裝置后，發(fā)射56式普通彈所形成的膛口流場照片。圖3（a）所示的膛口裝置為對稱式3孔制退器，彈孔與側(cè)孔直徑分別為8.6和11.3mm。除了有與圖2（f）類似的膛口沖擊波和冠狀沖擊波外，在側(cè)孔方向上亦形成了兩道強(qiáng)烈的側(cè)孔沖擊波。且膛口沖擊波和側(cè)孔沖擊波相互碰撞疊加，形成典型的三波點(diǎn)結(jié)構(gòu)，這些特點(diǎn)可從圖中清晰的觀察到。圖3（b）所示為進(jìn)一步在兩側(cè)孔上加裝擴(kuò)張噴管所產(chǎn)生的陰影照片，噴管長20.6mm，出口內(nèi)徑12.0mm。圖3（c）為對稱式多孔制退器，其氣流結(jié)構(gòu)與圖3（b）相似，但其側(cè)孔氣流量相對較大，各側(cè)孔噴出的火藥氣體相互作用下，湍流強(qiáng)度更大。圖3（d）為錐筒形消焰器產(chǎn)生的膛口流場，消焰器長62.7mm，入口和出口內(nèi)徑分別為8.0和23.0mm，彈丸進(jìn)入筒形消焰器后，火藥燃?xì)饧磸膫?cè)方空隙超越彈丸并在筒內(nèi)向前傳播，因此火藥燃?xì)庠趶椡柚斑M(jìn)入外界膛口流場。由氣體動(dòng)力學(xué)可知，超聲速氣流在擴(kuò)張噴管中傳播會(huì)被進(jìn)一步加速，因此氣流速度相對無膛口裝置更大，如圖所示的膛口流場中產(chǎn)生了極強(qiáng)的方向性。

槍膛由于使用過程中的磨損，槍膛與彈丸之間出現(xiàn)間隙，并且間隙隨著使用次數(shù)的增多逐漸增大。在發(fā)射過程中，膛內(nèi)的火藥粒子隨同高壓火藥燃?xì)鈴拈g隙中泄露，并先于彈丸射出。圖4為7.62mm 56式普通彈從7.62mm口徑制式步槍中發(fā)射并運(yùn)動(dòng)至膛口瞬間的膛口流場照片。圖4中在槍膛軸線方向上分布了大量的微小粒子，并且有部分已經(jīng)超越了初始沖擊波?；鹚幜Ｗ拥某曀龠\(yùn)動(dòng)在其四周引起了錐形激波并破壞了初始激波的完整性。另外，同圖2（d）相比，圖4中初始流場區(qū)域的湍流區(qū)域的透明度較低，這也同樣也是由泄露火藥燃?xì)獾恼诒嗡鸬摹?/p>

所獲得的實(shí)驗(yàn)照片不但可以為深入研究膛口流場發(fā)展機(jī)理提供可視化參考，也可以驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法有效性。圖5為作者根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果繪制的計(jì)算陰影圖和圖2（b）的對比，其中上半部分是計(jì)算陰影圖，下半部分是實(shí)驗(yàn)陰影照片。從圖中可以看出，通過和實(shí)驗(yàn)照片的對照可以直觀的檢驗(yàn)數(shù)值方法的準(zhǔn)確性。

圖4 高速未燃火藥粒子引起的激波Fig.4 Shock induced by high－speed propellant particle

圖5 實(shí)驗(yàn)陰影照片和計(jì)算陰影圖的對比Fig.5 Comparison of experimental and computational shadowgraphs

3 結(jié) 論

針對小口徑武器膛口流場的特點(diǎn)，采用直接陰影法對膛口流場進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)，獲得了高分辨率實(shí)驗(yàn)照片。這些照片對膛口流場機(jī)理研究具有重要的價(jià)值，同時(shí)可為膛口流場的數(shù)值研究提供可參照的實(shí)驗(yàn)對比，具有重要的參考意義。

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