某彈丸無損回收裝置長度設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

樊雅靜，范錦彪，王 燕

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

彈丸回收裝置是氣體炮的一個(gè)重要組成部分，通過該裝置可以完好無損地回收試驗(yàn)產(chǎn)品，從而研究引信在動(dòng)態(tài)條件下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和作用情況[1]。現(xiàn)代軍事需求對炮彈回收提出了更高要求，包括低過載以及實(shí)現(xiàn)無損回收。這里的無損回收是指彈丸形體完好及內(nèi)裝的精密器部件形體完好，并具有同發(fā)射試驗(yàn)前一樣的工作性能。彈丸內(nèi)裝的精密器部件要確保在最大回收減加速度和規(guī)定截停距離的限制條件下不發(fā)生再次損壞[2]。

傳統(tǒng)的高過載試驗(yàn)的彈丸回收通常采用以下幾種方式:降落傘回收、沙箱回收、水阻尼回收、泡沫鋁材料回收和氣體阻尼回收等[3]。其中降落傘回收是利用彈丸尾部的降落傘，在空氣阻力的作用下，使彈丸緩緩落下。這種回收是比較理想的無損回收方式，但是試驗(yàn)場地大，回收過程較為繁瑣。沙箱回收按其工作原理可分為薄沙箱和厚沙箱，對于薄沙箱，阻尼作用發(fā)生在彈體穿過沙箱的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程；對于厚沙箱，彈體的運(yùn)動(dòng)阻力隨著彈體在沙箱中運(yùn)動(dòng)距離的加大而加大，沙箱的阻尼系數(shù)僅滿足低彈速回收條件。水阻尼回收是利用水管阻尼彈丸運(yùn)動(dòng)，但在高速彈丸的作用下水是不可壓縮的，為剛性體，對彈丸的損傷比較明顯，容易使試驗(yàn)彈產(chǎn)生破碎。泡沫鋁回收中利用泡沫鋁材料作為緩沖材料，但其最大反向過載小于30 009g，最大回收距離小于28 m.氣體阻尼回收利用彈體壓縮空氣產(chǎn)生阻尼，而壓縮空氣會產(chǎn)生大量的熱量，由于彈丸速度為0時(shí)壓縮空氣的壓力達(dá)到最大值，彈丸便會出現(xiàn)反向運(yùn)動(dòng)，給測試數(shù)據(jù)分析帶來很多問題。

針對上述回收裝置出現(xiàn)的不足，筆者根據(jù)彈丸軟回收的需求，采用水與空氣結(jié)合的方式對彈丸回收技術(shù)進(jìn)行研究。當(dāng)測試彈丸高速沖入帶有大量氣泡的液體中時(shí)，彈丸的速度最終減為0[4].該設(shè)計(jì)克服了上述傳統(tǒng)回收方式的缺點(diǎn)，為彈丸實(shí)驗(yàn)過程的回收問題提供一種新方法。通過數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)高速彈丸在短距離內(nèi)的無損回收。

1 彈丸無損回收原理及實(shí)現(xiàn)

1.1 回收原理分析

彈丸回收的本質(zhì)就是彈丸在安全過載情況下，使其通過緩沖材料進(jìn)行減速，最終速度減為0.經(jīng)過前人大量試驗(yàn)可知回收裝置中采用低密度介質(zhì)能夠有效地減小彈丸速度，高密度介質(zhì)能夠保證彈丸飛行軌跡穩(wěn)定[5]。筆者通過將不同密度緩沖材料結(jié)合起來，可以實(shí)現(xiàn)高速彈丸無損回收需求。

針對在有限距離(10 m內(nèi))實(shí)現(xiàn)彈丸的無損回收，并要求最大過載不超過20 000g的目標(biāo)，傳統(tǒng)的回收方法很難滿足設(shè)計(jì)要求，一是超過最大過載，彈丸易破損；二是傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)的回收距離太長，需要20 m左右，大大增加了工程難度。為此根據(jù)水下彈丸設(shè)計(jì)理論，擬采用低密度流體作為主要回收介質(zhì)，其工作原理如圖1所示。

由于彈丸在回收介質(zhì)中是高速、高過載的狀態(tài)，假設(shè)其彈道為單方向直線，忽略浮力、重力等因素的影響。此過程為涉及氣、液、固相互耦合作用的一種復(fù)雜物理過程，根據(jù)流體中高速彈丸阻力理論[6]，且符合氣液混合物流體，可得彈丸所受阻力與彈丸速度平方成正比，即：

(1)

式中：v為彈丸速度；t為彈丸運(yùn)動(dòng)時(shí)間；b為在流體中衰減系數(shù)，并不一定為恒定數(shù)值，會根據(jù)混合流體屬性的變化而變化，表示為

(2)

式中：ρf為流體的密度；A為彈丸的有效截面積；C為流體中阻力系數(shù)；m為彈丸質(zhì)量。

彈丸經(jīng)過某一段回收介質(zhì)后的速度為

v=v0e-bx,

(3)

式中：x為彈丸在介質(zhì)中的位移;v0為彈丸初速。

1.2 回收裝置實(shí)現(xiàn)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)上述設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)回收裝置如圖2所示。

該裝置利用氣罐中高壓氣體通過氣管、單向閥、進(jìn)氣孔泡沫內(nèi)筒等環(huán)節(jié)后形成大量液泡，這些液泡進(jìn)入到炮彈回收室內(nèi)，由于大量氣泡的存在，不可壓縮液體變成了可壓縮液體。高速彈丸進(jìn)入回收室后，由于氣泡的可壓縮性以及液體的阻尼特性，既可以實(shí)現(xiàn)降低高速彈丸的速度，又可以保證不對彈丸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷，從而實(shí)現(xiàn)軟回收的目的[7]。

根據(jù)目前成本以及空間需求，預(yù)想在10 m內(nèi)回收彈丸，由式(1)可知，若彈頭過載要求20 000g，則最小衰減系數(shù)為0.196.由工程估算公式(3)可知，彈丸速度由1 000 m/s降至0 m/s附近，最大衰減系數(shù)為1.6.根據(jù)以上分析可知，需要一種特殊混合液，在彈頭進(jìn)入時(shí)有較小的衰減系數(shù)，而隨著彈頭的不斷深入，衰減系數(shù)也越來越大，從而盡快降低彈丸速度，這種混合液體的特性就是上述泡沫混合液所具有的。

需要回收的彈丸具體參數(shù)為：彈頭直徑100 mm，質(zhì)量為320 g，阻力系數(shù)為0.086，根據(jù)式(2)可計(jì)算得到流體等效密度為750 kg/m3.根據(jù)此等效密度可以得到兩相混合流體里面各個(gè)組分的體積分?jǐn)?shù)。

2 仿真建模

2.1 模型設(shè)置

利用FLUENT兩相流對彈頭沖擊進(jìn)行仿真模擬，建立流域如圖3所示。流域長度設(shè)置為10 m，彈體與流域等直徑，為Φ100 mm. 建立流域三維網(wǎng)格，針對流域的對稱性以及減小計(jì)算量考慮，設(shè)計(jì)流域網(wǎng)格示意如圖4所示。

本文為水與空氣結(jié)合的兩相流形式，所以在FLUENT中計(jì)算使用了歐拉模型。由于彈體速度過大，為避免動(dòng)網(wǎng)格出現(xiàn)負(fù)網(wǎng)格，采用間隔1 μs計(jì)算，使動(dòng)網(wǎng)格以1 mm/s的速度運(yùn)行，用于高速沖擊此種泡沫與水的低密度流體。動(dòng)網(wǎng)格用來模擬流場形狀用于邊界運(yùn)動(dòng)而隨時(shí)間改變的問題，邊界的運(yùn)動(dòng)形式可以是勻速的，也可以是變速的。網(wǎng)格的更新過程由FLUENT根據(jù)每步迭代步中邊界的變化情況自動(dòng)完成，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，使用網(wǎng)格鋪層的方式更新網(wǎng)格，同時(shí)對邊界層網(wǎng)格細(xì)化，可以更好地反映紊流對邊界的受力。

借助以上動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)使彈體以v0=1 000 m/s運(yùn)行，采用FLUENT自帶Schnerr and Sauer模型模擬高速運(yùn)動(dòng)中空化現(xiàn)象，彈體超高速運(yùn)動(dòng)帶來的沖擊摩擦?xí)斐苫旌狭黧w中不斷出現(xiàn)新的氣泡，同時(shí)又有氣泡消亡，氣泡生成與消亡帶來的都是彈體能量的損耗，可以說空化越嚴(yán)重，彈體減速越快，因此需要加入空化模型。用UDF文件輸出彈體的受力、過載以及速度。湍流模型采用k-ε模型，SIMPLEC算法，壁面采用無滑移壁面。

1 MPa、20 ℃下空氣密度為12 kg/m3，水的密度為1 000 kg/m3，根據(jù)前面所述等效密度要求，可以計(jì)算出兩相流中空氣占比0.25，水占比0.75.

彈體初步運(yùn)動(dòng)176 mm時(shí)壓力云圖如圖5所示。

彈體運(yùn)動(dòng)8 625 mm時(shí)壓力云圖如圖6所示,此時(shí)彈體速度為0 m/s，由UDF程序控制彈體保持零速。

2.2 計(jì)算結(jié)果

通過上述設(shè)置后在FLUENT中對模型進(jìn)行計(jì)算，輸出彈丸運(yùn)行過程中的受力曲線如圖7所示。由圖7可知，彈丸以1 000 m/s的速度剛進(jìn)入液泡流域中時(shí)，受力最大，為58 kN，在1～2 ms之間，受力減小的速度最慢，這是由于彈丸受到的阻力最大。隨后，彈丸受力逐漸減小，7 ms時(shí)速度減為0 m/s.

彈丸運(yùn)行過程中的速度、加速度曲線如圖8所示。由圖8可知，彈丸經(jīng)過7 ms將1 000 m/s的速度減為0 m/s；彈丸在減速過程中滿足在最大過載不超過20 000g的條件下，將速度逐漸減為0 m/s，實(shí)現(xiàn)了對彈丸的無損回收。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對于彈丸參數(shù)的測試通常采用加速度存儲測試儀進(jìn)行測試。設(shè)計(jì)裝置自帶彈體加速度傳感器，記錄彈丸運(yùn)動(dòng)過程的加速度信號變化過程，利用該傳感器可以實(shí)時(shí)輸出彈體所承受的加速度，得到過載曲線對比,如圖9所示。

圖9中虛線為CFD軟件計(jì)算過載，實(shí)線為試驗(yàn)過載。通過對彈丸的速度、加速度、壓力進(jìn)行理論計(jì)算與實(shí)際試驗(yàn)對比，可以發(fā)現(xiàn)兩者趨勢以及量級都比較吻合。但由于理論計(jì)算時(shí)存在一定假設(shè)，所以彈體的最終位移會有偏差，這直接影響裝置的尺寸，因此為了更加準(zhǔn)確反映這個(gè)差別，對于理論計(jì)算結(jié)果應(yīng)給予修正。根據(jù)此計(jì)算過程，后續(xù)設(shè)計(jì)中能夠較為精確地確定裝置尺寸，以適應(yīng)成本以及占地面積需求[8]。

3 結(jié)束語

筆者運(yùn)用FLUENT軟件對高速彈丸入泡沫水的回收過程進(jìn)行仿真模擬，解決了傳統(tǒng)軟回收方式中彈丸易破損及回收距離長的問題。仿真結(jié)果表明彈丸在此回收裝置中最大過載不超過20 000g，最終速度減為0 m/s.經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的趨勢及量級基本一致，證明該回收裝置具有可行性，從而為設(shè)計(jì)超高速彈丸無損回收裝置提供了一種新方法。