能量因素對壓縮空氣彈射內彈道性能影響研究

李　軍, 胡　亞, 叢龍騰, 周為浩, 于思淼

(南京理工大學 機械工程學院， 南京　210094)

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能量因素對壓縮空氣彈射內彈道性能影響研究

李軍, 胡亞, 叢龍騰, 周為浩, 于思淼

(南京理工大學 機械工程學院， 南京210094)

以大口徑火箭彈壓縮空氣發射裝置為研究對象,利用理論分析,確定影響內彈道性能的能量因素,并建立了不同空氣壓力、不同體積以及有、無泄漏的壓縮空氣彈射內彈道模型。通過對流固耦合數值仿真結果的分析,得到了彈藥速度與時間、彈藥速度與位移、彈藥加速度與時間等關系,從而分析出能量因素對壓縮空氣彈射內彈道性能的影響。

壓縮空氣彈射;內彈道性能;能量因素;有限元仿真

0　引　　言

火箭武器的發射方式按照發射動力可以分為冷發射和熱發射。冷發射是依靠外部動力使火箭武器彈出發射裝置， 在主發動機點火前獲得一定初速度的發射[1]。壓縮空氣彈射是冷發射的代表方式之一， 利用高壓空氣作用在火箭武器下部提供彈射外力， 從而將火箭武器推出發射裝置[2-3]，具有爆發力強及溫度適應性廣等優勢[4]。針對壓縮空氣彈射內彈道問題， 美蘇兩國利用各種試驗充分研究了壓縮空氣系統的性能以對其利用[5]。隨著壓縮空氣彈射系統種類逐漸復雜多樣， 試驗成本增加， 利用試驗來研究不同壓縮空氣彈射系統內彈道性能越來越困難。 近年來， 計算機性能的增加和有限元技術的發展， 使利用虛擬樣機技術研究壓縮空氣彈射成為可能[6]。 本文采用有限元仿真分析方法， 利用雙向流固耦合[7]技術研究能量因素對大口徑火箭彈壓縮空氣彈射內彈道性能的影響。

1　大口徑火箭彈仿真模型

壓縮空氣彈射簡化模型如圖1所示。 整體戰術技術要求火箭彈在發射管管口的速度v0達到200 m/s， 發射裝置高壓室壓縮空氣壓強為25～35 MPa， 取中間值30 MPa為初始壓強P0， 初始容積V0為0.2 m3， 整體發射裝置長度L不得超過12 m。 由于在模型仿真中無法準確判斷發射裝置的總長， 以火箭彈達到v0時的位移l與高壓室段長度之和替代L， 以火箭彈彈底位于高壓室出口時刻為初始時刻t0。發射管管壁壁厚為30 mm， 火箭彈直徑為275 mm。

圖1壓縮空氣彈射示意圖

為了更好地達到戰術技術要求， 實現最佳的內彈道性能， 需要分析影響內彈道的因素， 并且將壓縮空氣能量最大利用， 如何確定壓縮空氣能量的影響因素是本文的重點。

2　壓縮彈射有效能

按照熱力學定律描述， 流動空氣的絕對能量由焓、 運動能和勢能組成， 起決定作用的是流動空氣的焓， 其運動能和勢能基本可以忽略不計[8]。 焓又由流動空氣的內能和傳遞能組成。流動空氣的能量組成可表示為

H=U+pV=mCpθ

(1)

式中：H為系統能量;U為內能;p為目標空氣壓強;V為目標空氣體積;m為空氣質量；Cp為等壓比熱；θ為空氣絕對溫度。

參照式(1)， 空氣的絕對能量取決于空氣的質量和溫度， 與空氣壓力無關。 空氣質量越大、 溫度越高， 能量越大。 因此， 即使是周圍的大氣也具有很大的能量。

但這與越壓縮空氣壓強越大， 能量就越大的觀點存在悖論， 究其原因， 是因為壓縮空氣能量體現形式是伴隨空氣體積的壓縮或者膨脹而增減， 是與絕對能量不同的性質概念， 所以焓不能用來表示儲存于壓縮空氣中用于動力傳動的能量。

因此需要定義壓縮空氣對外的做功能力， 即壓縮空氣的有效能。 在該定義的基礎上， 有效能是一個相對于大氣狀態基準量的相對量(亦可以相當于其他壓強狀態)， 是建立在壓縮空氣彈射系統工況相較于標準大氣系統基礎之上的。 壓縮空氣的有效能E可以表示為

(2)

式中：pa外界環境壓力。

可以看出影響內彈道性能的能量因素主要包含高壓室壓縮空氣壓強和體積， 除此之外在實際發射裝置中， 火箭彈和發射管之間存在間隙， 所以在壓縮空氣彈射時作用在火箭彈彈底的高壓氣體必然存在由于泄漏造成的能量損失, 從而影響內彈道性能[9]。下面逐一探討三個主要因素對內彈道的影響。

3　能量因素對內彈道性能的影響

3.1壓強對冷發射裝置內彈道性能的影響

在有限元軟件中建立雙向流固耦合仿真模型， 在合理的壓強范圍內， 取P0(30 MPa)附近的四組壓強25 MPa， 28 MPa， 32 MPa， 35 MPa的壓縮空氣模型進行比較， 彈底位移l和速度v對應結果如圖2所示。

圖2不同壓強下模型彈底速度-位移曲線

由圖2可以看出， 隨著壓強的增加， 速度和位移都明顯增加， 并且在足夠長的距離和相應的時間都可以達到v0的戰術技術要求。此外， 隨著位移的增加， 不同壓強之間的速度差距逐漸增大。在相同的壓強下， 同一曲線的斜率逐漸減小， 即速度隨位移的增加量逐漸減小。不同壓強模型的發射裝置總長L如表1所示。

表1　不同壓強模型發射裝置總長

表1中， 最大的L數值對應的是25 MPa模型， 發射裝置總長約為11 m， 處于發射裝置總長度的臨界點， 符合戰術要求， 因此在總長度上所有壓強模型均符合戰術技術要求。在合理的壓強范圍內比較， 隨著壓強的增大， 壓強增加量分別為3 MPa， 2 MPa， 2 MPa， 3 MPa， 而位移減少量則為2 m， 0.86 m， 0.67 m， 0.75 m， 說明壓強對位移減少量的貢獻也逐漸減少, 進而說明隨著壓強的逐漸增加， 壓縮空氣能量的損失也越大， 因此理論上壓強越小越好。綜合考慮發射裝置總長度及能量損失， 確定最佳模型壓強為28 MPa。

3.2高壓室容積對冷發射裝置內彈道性能的影響

高壓室容積同壓強一樣是決定壓縮空氣有效能的主要因素， 本文采用等差擴大發射裝置體積的方法考慮容積因素對發射裝置內彈道的影響， 擴大體積采用保證高壓室長度不變， 擴大內徑的方法， 在初始內徑D0的基礎上逐漸增加， 分別達到1.1， 1.2， 1.3， 1.4， 1.5， 1.6倍的V0， 在對比模型中壓縮空氣壓強均為P0， 仿真后得到彈底的速度-時間曲線和位移-時間曲線如圖3(a)～(b)所示。

圖3不同容積模型下彈底速度-時間及位移-時間曲線

由圖3可以看出， 速度和位移隨著體積的增大而相應增加， 但曲線間差異較小， 說明10%的體積增加量對動力學結果并沒有產生很大影響。由于最小體積V0已達到戰術技術要求， 那么其他不同體積對比模型能在更短距離達到200 m/s， 相應發射裝置總長度更短。不同容積模型的發射裝置總長如表2所示。

由表2可以看出， 體積以0.02 m3的等差增大。 隨著高壓室容積的增大， 位移的減少量依次為0.49 m， 0.33 m， 0.32 m， 0.24 m， 0.17 m， 0.15 m， 說明隨著容積的增大， 其對發射裝置總長度的影響逐漸減小。

表2　不同高壓室容積模型發射裝置總長

3.3泄漏面積對冷發射裝置內彈道性能的影響

火箭彈的尾部橫截面積與發射管通氣面積之差稱為泄漏面積， 也就是環形的間隙面積， 取決于彈管間間隙。 根據文獻[10]， 采用0.005 m2作為本次模型的泄漏面積。

在確定泄漏模型彈管間隙的條件下， 對無泄漏模型和泄漏模型進行有限元仿真分析， 得出的對比結果如圖4(a)～(b)所示。

圖4有、 無泄漏模型彈底位移-時間及速度-時間曲線

由圖4可以看出， 在無泄漏模型速度達到v0時刻， 無泄漏模型的速度是泄漏模型的1.11倍， 位移為1.14倍， 泄漏使能量大量消耗。與其他能量因素相比， 泄漏對內彈道性能影響較大。

為具體分析加速度情況， 得出的加速度-位移曲線如圖5所示。

由圖5可以看出， 隨著火箭彈前進， 其加速度

圖5有、 無泄漏模型彈底加速度-位移曲線

在不斷減小。 從曲線上下間隔的趨勢可以得出， 隨著位移的增加，兩模型的火箭彈加速度差異在減小。 這說明隨著壓縮空氣壓強的降低， 泄漏面積對內彈道性能的影響也在減弱， 其造成的能量損失也相應降低。

無泄漏模型與泄漏模型對比結果如表3所示。

表3　無泄漏模型與泄漏模型結果對比

為定量確定能量的損失情況， 從無泄漏模型達到v0時刻的兩者動力學數值對比得出：從能量上來看， 無泄漏模型達到v0的火箭彈具有的動能為4×106J， 而泄漏模型的火箭彈具有的動能為3.17×106J， 能量損耗大約為1/4。

所以若按照泄漏面積0.005 m2來看， 壓縮空氣的能量會很大損耗， 由于發射裝置和火箭彈相對固定， 因此不能要求改變發射管結構或者火箭彈尺寸來減小彈管間隙。為減小泄漏面積， 除了增加火箭彈彈體的加工精度外， 還可采用增加密封裝置來減小泄漏面積， 如在火箭彈彈體上增加密封圈， 或者在火箭彈彈底增加類似活塞的火箭彈托體， 以減少能量損耗。

4　結　　論

本文通過有限元仿真得出壓縮空氣壓強、 高壓室容積及泄漏面積等能量因素對內彈道性能的影響， 總結如下：

(1) 隨著壓縮空氣壓強增加， 壓強對內彈道性能的影響減小。高壓室壓強在合理范圍內， 壓強越大， 能量利用率越低；

(2) 隨著高壓室容積的增加， 容積對內彈道性能的影響減小。在滿足戰術要求條件下， 高壓室容積越小， 能量利用率越高；

(3) 泄漏會導致壓縮空氣能量大量損耗， 0.005 m2的泄漏面積會導致近1/4的能量損耗， 對內彈道性能的影響較大， 可通過增加密封裝置減少因泄漏導致的能量損耗。

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Study on the Influence of Energy Factors on the Interior Ballistic Performance of Compressed Air Ejection

Li Jun, Hu Ya, Cong Longteng, Zhou Weihao, Yu Simiao

(School of Mechanical Engineering， Nanjing University of Science & Technology， Nanjing 210094， China)

For studying the compressed air ejection device of large-caliber rocket projectiles, the theoretical analysis is used to identify energy factors that influence the interior ballistic performance, and interior ballistic models of compressed air ejection are set up based on different air pressure, different volume, leakage and no leakage. Through analyzing the numerical simulation results of fluid-solid coupling, the relationships among ammunition velocity and time, ammunition velocity and displacement, ammunition acceleration and time are got, and the influences of energy factors on the interior ballistic performance of compressed air ejection are acquired.

compressed air ejection； interior ballistic performance； energy factors； finite element simulation

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.03.016

2015-09-30

李軍(1965-)， 男， 河南平頂山人， 教授， 研究方向為火箭導彈發射技術。

TJ768

A

1673-5048(2016)03-0071-04