小口徑武器膛口流場可視化實驗

郭則慶，王 楊，姜孝海，劉殿金

（南京理工大學 瞬態物理重點實驗室，南京 210094）

0 引 言

膛口流場具有高溫、高壓、高瞬態等特征，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，由于其復雜性、多學科交叉以及對武器改進等具有重要意義，國內外開展了大量研究［1］。

以往有關膛口流場的研究主要側重于實驗［1－5］。如Glass［2］利用陰影法，獲得了彈丸初速為2馬赫的槍口時序陰影照片。Schmitt［3］使用時間累積的電火花陰影照相技術獲得了更為清晰的膛口流場照片，并觀察到了兩個沖擊波的耦合過程。Merlen等［5］還根據實驗觀察結果進行理論分析，嘗試給出膛口沖擊波場的相似規律。這些實驗和理論研究為認識膛口流場的結構和發展機理提供了重要依據。

近年，隨計算機、CFD技術的發展和成熟，膛口流場的數值模擬受到人們的重視［6－12］。Wang［6］對膛口射流沖擊波進行了模擬，并與實驗陰影照片進行了對照；Jiang Z［7］使用運動邊界處理方法模擬了圓柱形彈丸從膛口射出的動力學過程，并對該過程中沖擊波的形成和相互作用過程進行了詳細分析；Jiang X.H.等利用嵌套動網格技術，對高壓膛口流場的動力學過程進行了數值模擬［9－10］；Cler等［11］對未包含運動彈丸的膛口流場進行了數值模擬，并與實驗陰影進行了對照。從近幾年有關膛口流場的文獻來看，主要偏重于數值方法、數值結果的討論，對于有關清晰的、實驗條件明確的可用于驗證或對照的實驗結果（如光學陰影照片）仍比較少，為此，對典型膛口流場進行可視化實驗，以獲得給定明確條件的實驗結果，為數值結果的驗證提供參考。

膛口流場的光學可視化方法，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而在成像平面上形成照度差異圖像的一種光學顯示方法，對于流場中存在大的密度梯度時，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，使擾動區折射率的變化呈現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性，根據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，但其實驗裝置較為復雜［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。光線從光源發出后經過被拍攝流場發生偏折后直接投射在照相底板上成像，即直接陰影法；當拍攝較大流場區域時，為了避免照相底板過大，用光學元件（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驗設備結構更簡單、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度和流場尺寸較大，但是其流場結構和發展特征與小口徑槍具有相似性。因此，考慮到該特征及實驗成本，采用直接陰影法開展小口徑膛口流場的可視化實驗。

1 實驗方法及裝置

圖1為所采用的實驗系統，主要由發射系統、信號觸發系統、時間控制器和拍照系統等組成。發射系統由武器、受彈器等組成；拍照系統由火花光源發射器、高感光高分辨率底片和洗相系統等組成。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，實驗系統的信號觸發采用壓力和光靶觸發兩種方式。對于壓力觸發式，壓力傳感器置于槍支身管上測壓孔內，當彈丸運動超過傳感器位置時，傳感器探測到膛內氣體的壓力突躍作為時間控制器的時間零點信號，在時間控制器中可以預設任意時間間隔的觸發信號，使火花光源閃光；而光靶觸發式中，在槍口外設置一對紅外發射器與光電轉換接收器，當彈丸飛越時遮擋光線，從而觸發信號（光信號斷開時刻作為時間零點）按時間控制器設定的時間使火花光源閃光。前一種主要用于彈丸出膛口過程的拍照實驗，后一種用于彈丸出膛口后的流場可視化。

圖1 實驗系統示意圖Fig.1 Sketch of experiment system

2 實驗結果與討論

實驗室基于以上實驗設備對一系列小口徑武器的膛口流場進行了大量的實驗。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驗結果進行討論。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，彈丸質量m＝7.9g。實驗均在暗室內進行，環境溫度約25℃，相對濕度約50%～70%。

圖2為7.62mm口徑槍使用56式普通彈發射時的陰影照片（圖中零點時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雜結構，包括初始激波、火藥燃氣沖擊波、馬赫盤、湍流渦環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。初始氣流是由彈前空氣柱壓縮而成，該部分氣體無色透明，因此拍攝的氣流結構較為清晰，包括接觸面在內的一系列氣流特征都被細致的記錄下來。圖2（d）～（e）記錄了彈丸出口后的火藥燃氣流場和初始流場相互作用的過程。一方面火藥燃氣中含有部分未燃盡的固體顆粒，另一方面火藥燃氣在膨脹過程中會產生結晶反應，因此其對光線的吸收率較高，照片中火藥燃氣部分顏色較深［1］。

初始流場結構較為簡單，與典型的開口激波管射流結構相似［1］。初始激波所受身管的約束在其出膛口后得到解除，向四周發生繞射，如圖2（a）。之后形成了典型的欠膨脹射流結構，即由初始沖擊波包圍的激波瓶結構，包含入射激波、反射激波、馬赫盤、射流邊界湍流氣團等如圖2（b）、（c）。到圖2（d）時，彈丸剛好到達膛口，初始激波波后區域可見大量的壓縮波。彈丸出膛口后，膛內高壓氣體迅速從膛口泄出，形成火藥燃氣沖擊波。火藥燃氣沖擊波出膛口后進入的不是靜止的空氣，而是具有極強方向性的初始流場。因此火藥燃氣流場結構相對復雜，最顯著的特點是其外輪廓不是簡單球形，而是有一個向下游突出的冠狀沖擊波，如圖2（e）、（f）。另外，由于火藥燃氣壓力遠比初始氣流壓力大，前者激波強度與傳播速度也遠大于后者，初始沖擊波迅速被火藥燃氣沖擊波追趕并吞沒。因火藥燃氣中煙塵或顆粒的遮擋，圖2（e）、（f）中的火藥燃氣流場結構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，在側孔方向上亦形成了兩道強烈的側孔沖擊波。且膛口沖擊波和側孔沖擊波相互碰撞疊加，形成典型的三波點結構，這些特點可從圖中清晰的觀察到。圖3（b）所示為進一步在兩側孔上加裝擴張噴管所產生的陰影照片，噴管長20.6mm，出口內徑12.0mm。圖3（c）為對稱式多孔制退器，其氣流結構與圖3（b）相似，但其側孔氣流量相對較大，各側孔噴出的火藥氣體相互作用下，湍流強度更大。圖3（d）為錐筒形消焰器產生的膛口流場，消焰器長62.7mm，入口和出口內徑分別為8.0和23.0mm，彈丸進入筒形消焰器后，火藥燃氣即從側方空隙超越彈丸并在筒內向前傳播，因此火藥燃氣在彈丸之前進入外界膛口流場。由氣體動力學可知，超聲速氣流在擴張噴管中傳播會被進一步加速，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生了極強的方向性。

槍膛由于使用過程中的磨損，槍膛與彈丸之間出現間隙，并且間隙隨著使用次數的增多逐漸增大。在發射過程中，膛內的火藥粒子隨同高壓火藥燃氣從間隙中泄露，并先于彈丸射出。圖4為7.62mm 56式普通彈從7.62mm口徑制式步槍中發射并運動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，并且有部分已經超越了初始沖擊波。火藥粒子的超聲速運動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中初始流場區域的湍流區域的透明度較低，這也同樣也是由泄露火藥燃氣的遮蔽所引起的。

所獲得的實驗照片不但可以為深入研究膛口流場發展機理提供可視化參考，也可以驗證數值計算方法有效性。圖5為作者根據數值計算結果繪制的計算陰影圖和圖2（b）的對比，其中上半部分是計算陰影圖，下半部分是實驗陰影照片。從圖中可以看出，通過和實驗照片的對照可以直觀的檢驗數值方法的準確性。

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 實驗陰影照片和計算陰影圖的對比Fig.5 Comparison of experimental and computational shadowgraphs

3 結 論

針對小口徑武器膛口流場的特點，采用直接陰影法對膛口流場進行了可視化實驗，獲得了高分辨率實驗照片。這些照片對膛口流場機理研究具有重要的價值，同時可為膛口流場的數值研究提供可參照的實驗對比，具有重要的參考意義。

［1］ KLINGENBERG G，HERMERL J M.Gun muzzle blast and flash［M］.New York：Progress in Astronautics and Aeronautics，1992：139.

［2］ GLASS I I.Shock waves and man［M］.Toronto：University of Toronto Institute for Aerospace Studies，1974：35－42.

［3］ SCHMIDT E M，SHEAR D D.Optical measurements of muzzle blast［J］.AIAA Journal，1975，13（8）：1086－1091.

［4］ 李鴻志，尤國釗.帶膛口裝置的膛口流場與沖擊波形成機理［J］.華東工程學院學報，1979，1：1226.

［5］ MERLEN A，DYMENT A.Similarity and asymptotic analysis for gun－fring aerodynamics［J］.Journal of Fluid Mechanics，1991，225：497－528.

［6］ WANG J C T，WIDHOPF G F.Numerical simulation of blast fow fields using a high resolution TVD finite volume scheme［J］.Computers ＆ Fluids，1990，18（1）：103－137

［7］ JIANG Z，HUANG Y，TAKAYAMA K，et al.Shocked flow induced by supersonic projectiles moving in tubes［J］.Computers ＆Fluids，2004，33（7）：953－966

［8］ JIANG X H，FAN B C，LI H Z.Numerical investigations on dynamic process of muzzle flow［J］.Applied Mathematics and Mechanics，2008，29（3）：351－360

［9］ JIANG X H，CHEN Z H，FAN B C，et al.Numerical simulation of blast flow fields induced by high speed projectile［J］.Shock Waves，2008，18（3）：205－212.

［10］ 王楊，姜孝海，郭則慶.膛口沖擊波物理模型數值分析［J］.彈道學報，2010，22（1）：57－60.

［11］ CLER D L，CHEVAUGEON N，SHEPHARD M S，et al.CFD application to gun muzzle blast——a validation case study［R］.AIAA paper 2003－1142.

［12］姜孝海，范寶春，葉經方.泄爆外流場的可視化［J］.爆炸與沖擊，2005，25（1）：5－10.

［13］ 梅爾茲科奇 W.流動顯示［M］.黃素逸，等譯.北京：科學出版社，1991：94－112.

［14］ SETTLES G S.Schlieren and shadowgraph techniques：visualizing phenomena in transparent media［M］.Springer，2001.