燃气泄漏对火药燃气多活塞抛撒的影响研究*

孙传杰,冯高鹏,朱永清,魏雪婷,胡艳辉

(中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳 621900)

燃气泄漏对火药燃气多活塞抛撒的影响研究*

孙传杰,冯高鹏,朱永清,魏雪婷,胡艳辉

(中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳 621900)

针对子母弹火药燃气多活塞抛撒的设计问题,文中以经典内弹道模型为基础,结合流量模型,将子母弹火药燃气多活塞抛撒过程划分为3个阶段,建立了考虑燃气泄漏的火药燃气多活塞抛撒内弹道数学模型。以某子母弹抛撒结构为例,分析了燃气泄漏参数对子母弹火药燃气多活塞抛撒过程的影响规律,并对火药燃气多活塞抛撒结构工程设计中的泄漏面积提出了控制建议,为火药燃气多活塞抛撒结构工程设计提供参考。

子弹抛撒;内弹道;燃气泄漏

0 引言

子母弹具有搭载能力强、投放灵活的特点,一直是常规武器研究重点。近年来随着运载器向高速化和制导化发展,子母弹采用防区外抛撒大质量有控子弹自主攻击目标的作战方式实现远程突防和精确打击。有控子弹一般要求低过载抛撒环境,并且要求抛撒分离过程精确控制初始分离参数,因此其抛撒结构设计较传统子母弹的难度更大。

目前常用的大质量有控子弹抛撒方式主要为火药燃气囊抛撒和火药燃气多活塞抛撒。火药燃气多活塞抛撒主要依靠火药燃烧释放的高温、高压气体推动子弹抛离母弹,可使子弹获得较高的抛撒速度和可控的抛撒散布,且具有火药燃烧规律可控和抛撒过载低的优点,因此是目前子母弹较广泛采用的一种抛撒方式。

目前火药燃气多活塞抛撒研究偏重于燃烧室构型设计[1-2],且内弹道模型多未考虑燃气泄漏因素。文中在经典内弹道模型的基础上加入燃气泄漏流量模型,研究燃气泄漏对子弹抛撒的影响,为火药燃气多活塞抛撒结构工程设计提供参考。

1 系统工作原理

火药燃气多活塞抛撒结构如图1所示,主要由火药、燃烧室、子弹、活塞和包带等组成。其工作过程为:子母弹到达预定位置,程控系统点燃燃烧室的火药,火药迅速燃烧,生产高温高压气体。当燃烧室内的火药燃气达到一定压强时解除包带对子弹的约束,活塞助推子弹加速向外运动,实现子弹抛撒。

图1 火药燃气多活塞抛撒结构简图

2 内弹道模型

在经典内弹道模型的基础上[3-4],结合流量模型,建立含燃气泄露的内弹道模型。基本假设如下:

a)火药同时点燃且服从几何燃烧定律;

b)火药燃气服从诺贝尔-阿贝尔状态方程;

c)采用次要功系数对热散失、摩擦等各种形式的次要功进行修正;

d)子弹启动前火药燃气无泄露;

e)燃气压强达到启动压强,子弹瞬间开始运动;

f)燃气泄漏流动服从气体伯努利方程的流动规律。

在以上假设基础上根据燃烧室状态变化过程,内弹道计算分为3个时期。

2.1 第一时期

从点燃火药到子弹启动为第一时期。该时期火药为定容燃烧阶段。

在第一时期结束时,可根据启动压强为P0计算得到对应时刻的火药相对已燃体积ψ0,再由ψ0反算得到火药相对已燃厚度Z0。

(1)

式中:ψ0为第一时期结束时火药相对已燃体积;Z0为第一时期结束时火药相对已燃厚度;χ、λ、μ为火药形状特征参量;P0为启动压强;w为火药质量;ρ为火药固体密度;f为火药力;,α为火药余容;V0为燃烧室容积。

2.2 第二时期

从子弹启动到火药燃烧结束为第二时期。该时期火药为变容燃烧阶段,并且伴随着火药燃气的泄露。

第二时期的内弹道模型为:

(2)

式中:ψ为火药相对已燃体积;Z为火药相对已燃厚度;S为多个活塞横截面总面积;n为燃速指数;Ib为压力全冲量;φ为次要功系数;m为抛撒子弹总质量;v为子弹速度;l为活塞行程;V为子弹运动增加的燃烧室空间;θ为火药燃气比热比减一,即：θ=k-1。

假设燃气在燃烧室内的流速为零,根据伯努利方程得到燃气泄漏流动为亚音速流动和临界流动的流速方程为[5]:

(3)

式中:φ2为流动损耗系数;P2为外界压强,假设其等于大气压;P为燃气压强;k为燃气比热比;S1为泄露面积。2.3 第三时期

从火药燃烧结束到子弹运动结束为第三时期。该时期燃气为变容膨胀过程,并且伴随着火药燃气的泄露。

该时期的内弹道模型为:

(4)

该时期的燃气相对质量流出量η随时间的变化规律如下式:

3 不同泄漏条件对火药燃气多活塞抛撒的影响

根据上述建立的内弹道模型,计算了不同燃气泄漏参数对子弹抛撒过程的影响。火药燃气多活塞抛撒结构参数为:燃烧室内径Φ28 mm、长度868 mm,3枚子弹对称布置,每枚子弹质量60 kg,活塞助推行程24 mm,活塞3排7组共21个。

根据式(3)可知,由于外界压强已知,在装药量和装药类型确定条件下,燃气的泄漏流动即仅与泄漏面积与燃气压强相关。而根据式(1)和式(2)可知,燃气压强又受启动压强影响,即启动压强决定内弹道第二时期的燃气量和初始燃气压强。

因此下面主要分析泄漏面积和启动压强的变化对火药燃气多活塞抛撒的影响。

3.1 泄漏面积对火药燃气多活塞抛撒的影响

泄漏面积/活塞面积为3%、9%和18%时燃气压强随泄漏面积的变化如图2所示。由图可见,在活塞相同行程位置处,随着泄露面积增大,燃气压强迅速减小,且减小幅度十分显著。另外,当泄漏面积较大时,燃气压强降低到一定程度后则降幅显著减缓。根据式(3)可知,此现象原因为,当燃气压强降低到一定程度后,燃气泄漏流动从临界流动进入亚音速流动,泄漏流速减小,因而燃气压强降幅变缓。

图2 不同泄露面积对燃气压强的影响

燃气相对泄漏量随泄漏面积的变化如图3所示。由图可见,随着泄露面积增大,燃气相对泄漏量先快速增大而后到某个值之后又呈现逐渐缓慢减小趋势。结合图2可知,当泄漏面积较小时,燃气泄漏流动为临界流动,泄漏流速最大,因此燃气相对泄漏量仅随泄漏面积单调增大而增大;当泄漏面积增大到一定幅值,而燃气压强相应低于约2倍外界压强时,燃气泄漏进入亚音速流动,流速变缓,相应的燃气泄漏量反而减小。

子弹抛撒速度随泄漏面积的变化如图4所示。由图可见,随着泄露面积增大,子弹抛撒速度急剧下降;当泄露面积增大到一定程度时,子弹抛撒速度下降幅度则明显变缓。根据图2和图3的分析结果可知,燃气压强随着泄漏面积的增大而降低,活塞助推力减小,相应的子弹抛撒速度也随之减小。另外,由图2可见,在泄漏面积增大到一定程度后燃气压强的减缓幅度非常平缓,因此在此范围内的泄漏面积对子弹抛撒速度的影响程度也显著弱化。

图3 泄露面积对燃气泄漏量的影响

图4 泄露面积对子弹抛撒速度的影响

3.2 启动压强对火药燃气多活塞抛撒的影响

当泄漏面积/活塞面积为3%时,启动压强分别为3 MPa、9 MPa和18 MPa时的燃气压强变化如图5所示。由图可见,启动压强较高时,燃气压强随活塞助推过程的降幅较大。根据式(2)～式(4)可知,启动压强较高时,泄漏流动为临界流动,燃气泄漏量较大,因而燃气压强降幅很大。

图5 启动压强对燃气压强的影响

不同启动压强条件下燃气相对泄漏量的变化如图6所示,由图可见,在泄漏面积一定条件下,燃气相对泄露量随启动压强增大而增加。不同启动压强条件下子弹抛撒速度的变化如图7所示。

图6 启动压强对燃气泄漏相对量的影响

图7 启动压强对子弹抛撒速度的影响

由图可见,在泄漏面积一定条件下,子弹抛撒速度随启动压强增大而增大。

3.3 讨论

根据上述计算结果可知,在无燃气泄漏条件下,子弹抛撒速度最大;启动压强较高条件下,子弹抛撒速度也较大。

下面以无燃气泄漏时的子弹抛撒速度为基准,进一步分析有泄漏时的子弹抛撒速度与无泄漏的子弹抛撒速度的百分比随泄漏面积和启动压强的变化关系,如图8所示。在图8的基础上进一步处理得到不同启动压强时的子弹抛撒速度与启动压强为18 MPa时的子弹抛撒速度的百分比随泄漏面积的变化,如图9所示。

图8 有泄漏子弹抛撒速度与无泄漏子弹抛撒速度 的百分比随泄漏面积和启动压强的变化

图9 不同启动压强子弹抛撒速度百分比随泄漏面积的变化

由图8和图9可知,在泄漏面积较小时,即泄漏面积/活塞面积约在1%范围以内时,不同启动压强的子弹抛撒速度百分比随着泄漏面积增大呈缓慢减小趋势,并且此区域内不同启动压强条件下的子弹抛撒速度百分比均超过80%,即在该范围内启动压强对子弹抛撒速度影响较小;随着泄漏面积增大,当泄漏面积/活塞面积处于6%范围内时,不同启动压强的子弹抛撒速度百分比随着泄漏面积增大呈迅速减小趋势,并且达到最小值。在6%范围内启动压强对子弹抛撒速度的影响十分显著;随着泄漏面积继续增大,即泄漏面积/活塞面积的比值在大于6%范围时,不同启动压强的子弹抛撒速度百分比随着泄漏面积增大呈缓慢增加趋势,即不同启动压强条件下子弹抛撒速度的差异逐渐减小,但其绝对值却处在较小范围。

因此根据该分析结果可知,在进行工程设计时应严格将泄漏面积/活塞面积的比值控制在1%范围内以减小燃气泄漏量,提高子弹的抛撒速度。另外在满足结构设计可行性要求基础上,可适当提高启动压强,增大燃气压强,以提高子弹的抛撒速度。

4 结论

文中在经典内弹道模型的基础上加入燃气泄漏流量模型,对燃气泄漏对子弹抛撒的影响开展了研究。分析表明,燃气泄漏对子弹抛撒速度的影响显著,因此在火药燃气多活塞抛撒结构工程设计中应严格将泄漏面积控制在较小范围。另外可适当提高启动压强以提高子弹的抛撒速度。

[1] 江坤, 王浩, 郭锦炎, 等. 拉杆活塞式发射装置内弹道建模与仿真 [J]. 弹道学报, 2011, 23(1): 13-17.

[2] 陶如意, 孙继兵, 黄明, 等. 高低压室平衡炮内弹道数值模拟及试验研究 [J]. 南京理工大学学报, 2006, 30(4): 478-485.

[3] 杨理明. 高低压内弹道优化设计 [J]. 弹道学报, 1992(2): 92-96.

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[5] 陆家鹏. 自动武器学: 气体动力学分册 [M]. 北京: 国防工业出版社, 1988: 36-38.

Study on the Influence of Gas Leakage on the Multi Piston Projection of Powder Gas

SUN Chuanjie,FENG Gaopeng,ZHU Yongqing,WEI Xueting,HU Yanhui

(Institute of Systems Engineering, CAEP, Sichuan Mianyang 621900, China)

Based on classical interior ballistic theory and flow model, the design of the mutiple pistons pulled by powder gas for submunition dispersion was investigated. The projection process of shrapnel gas multi piston was divided into three stages, and the interior trajectory mathematical model of gas multi piston projection considering gas leakage was established. Take a shrapnel projection structure as an example, the influence of gas leakage parameter on the projection process of shrapnel gas multi piston, and suggestion was put forward that area of gas leak of pistons should be strictly limited, to provide the reference for the propellant gas multi piston throwing structure engineering design.

submunition dispension; interior trajectory; gas leak

2015-11-24

孙传杰(1976-),男,四川新都人,高级工程师,硕士,研究方向:战斗部终点效应研究。

O315

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