一種非火藥驅動氣體炮實用內彈道方程及應用

山西中北大學機電工程學院 王立君 趙俊利

引言

熱能轉化為機械能必須借助傳遞能量的載能物質。利用高壓氣體推動運動件運動使熱能轉換為機械能的過程往往是高壓氣體的靜力、動力及熱力的復雜的綜合過程。在實際分析時通常利用計算機變成利用數值求解方式進行求解，但這種求解方式要求設計人員具備一定的編寫計算機語言的能力。因而工程設計中往往需要尋找一種有較高計算精度且簡便快捷的求解方式，以滿足方案設計階段的理論計算。本文通過系統熱機能量傳遞原理對非火藥燃氣內彈道方程進行公式推導，得出一種熱能轉換模式下的具有較高精度的簡易內彈道模型。

1 非火藥驅動氣炮原理

在一些需要非火藥驅動的高速試驗過程如降落傘的性能試驗、滅火彈的拋射等民用裝備中需要一種不會產生較高溫度，且能傳遞較大速度的結構中，通常采用空氣炮原理，釋放高壓氣體推動彈丸運動，提供較大的發射速度，其發射原理如圖1所示。

圖1 典型氣體炮發射原理圖

現將彈丸裝在身管起始部，關閉控制閥；向氣室充氣至所需求得初始壓力；發射時，啟動控制閥，氣室內壓縮氣體推動彈丸向前運動，在身管內不斷膨脹加速彈丸至炮口，彈丸獲得炮口速度,完成內彈道發射過程。

1.1 基本假設

借鑒氣體內能公式，研究氣體炮內彈道做出如下假設：

（1）彈丸在氣體作用下向前運動時，任意時刻彈后容積的氣體壓力均勻分布；

（2）由于發射過程時間很短，氣體膨脹過程認為是等熵絕熱過程；

（3）引入次要功計算系數φ來考慮摩擦功及其他能量的損失。

1.2 內彈道基本方程

熱力學定律：

能量方程：

絕熱方程：

（1）社會團體財產權。社會團體法人財產觀認為行業協會商會、工會、宗教組織等社會團體應對合法所得享有財產權，政府或個人等投入社會團體的資源不應視為投資行為而享有任何財產權利。如賈西津（2016）認為“將行政支持誤當成行政投資……易形成國有資產的不當擴大化”，建議采用“行業協會資產”這一政策性概念。沈永東、宋曉清（2016）提出，行業協會商會脫鉤改革要確保行業協會商會真正擁有獨立自主權，擁有獨立的社團法人地位，政府不應干涉行業協會商會獨立自主開展活動。

理想氣體方程：

運動過程能量守恒：

式中，δQ為熱產，Σδmiπi為輸入能量，Σδmeπe為輸出能量，dU內能，δL做功，m為彈丸質量，mq為氣體質量，T1、T2分別為初始與炮口位置溫度，U1、U2為初始與炮口氣體內能。W1、W2為初始與炮口時期氣體容積。γ為氣體絕熱系數，v為彈丸炮口速度。

速度與時刻容積關系式：

由火炮內彈道學可知：

φ為次要功計算系數值，K為取決于氣體做功效率的實驗因數，根據經驗，氣體炮內彈道計算時，可取K=1.1。

壓力與時刻容積的關系式：

2 試驗論證

在保持彈丸的質量5kg不變的情況下，依次改變初始壓力，從1.00Mpa開始以0.1Mpa為增量增加到1.60Mpa，一共7組數據。

射擊狀態：0°射角；

測試條件：采用接觸式網靶，使用DCS-453測時儀，同時一靶距和兩靶距炮口均為1m。

測試結果見表1。

對于非火藥燃氣的高壓氣體做功問題，采用以上所建立的計算模型和假設適用于空氣炮設計計算，計算誤差在3%以下。

表1 測試結果數據對比

3 結論

通過上述數據擬合曲線，更形象地表達計算值和實測值的誤差，如圖2初速計算值與實瀏值比較。

圖2 初速計算值與實瀏值比較

本文研究的氣體炮內彈道理論和技術，應用了內彈道和氣體動力學理論，所給出的計算公式和參數具有實用價值，已經在某重點實驗室得到應用。實踐證明，該理論可方便、準確、快捷地用于各種氣體炮技術的開發和研制。

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