王珊珊，王 浩，張博孜，陶如意

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064; 2.南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

目前，金屬點(diǎn)火管能夠比較準(zhǔn)確地控制管壓和破孔規(guī)律、點(diǎn)火一致性好、能夠較好地抑制壓力波等被廣泛應(yīng)用在各類武器系統(tǒng)中[1]。但隨著現(xiàn)代武器的發(fā)展，射擊威力增大，射擊精度提高，武器的裝藥結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，這給點(diǎn)火管的設(shè)計(jì)帶來更高的要求。點(diǎn)火管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞對(duì)武器彈道性能影響非常大[2-4]，所以對(duì)影響點(diǎn)火管點(diǎn)火性能的因素進(jìn)行分析具有非常重要的意義。

對(duì)于長(zhǎng)徑比大、裝填密度高的金屬點(diǎn)火管，點(diǎn)火具在一端作用后，氣流推動(dòng)火藥向另一端運(yùn)動(dòng)，由于藥床的透氣性差，容易產(chǎn)生藥粒的擠壓和堆積現(xiàn)象，極易產(chǎn)生不均勻的壓力波動(dòng)，造成點(diǎn)火不均勻、一致性差，甚至帶來安全問題[5-7]。本文中通過數(shù)值模擬程序?qū)τ绊扅c(diǎn)火管點(diǎn)火性能的關(guān)鍵因素進(jìn)行對(duì)比模擬，深入展開分析大長(zhǎng)徑比、高密實(shí)火藥床點(diǎn)火管點(diǎn)傳火性能的主要影響因素，為這類點(diǎn)火管的工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)物理模型

金屬點(diǎn)火管點(diǎn)火系統(tǒng)由點(diǎn)火具、金屬管、襯紙和端蓋等組成，如圖1所示。

根據(jù)點(diǎn)火管工作過程的物理化學(xué)現(xiàn)象，并結(jié)合大長(zhǎng)徑比、高裝填密度的特點(diǎn)，建立了點(diǎn)火管內(nèi)氣固兩相流動(dòng)的一維兩相流數(shù)學(xué)模型，根據(jù)所建模型，采用Mac Cormack預(yù)估校正二步顯格式編制了計(jì)算仿真程序，并對(duì)長(zhǎng)徑比為38，裝填密度為1 027 kg/m3的點(diǎn)火管進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好，最大誤差不超過9%，說明計(jì)算模型能準(zhǔn)確描述點(diǎn)火管內(nèi)的實(shí)際物理化學(xué)過程，計(jì)算程序參數(shù)取值合理，通過該計(jì)算程序來分析結(jié)構(gòu)尺寸及裝填條件對(duì)點(diǎn)傳火過程的影響所得的結(jié)論是可信的。

圖1 點(diǎn)火管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Constructional schematic diagram of igniter tube

2 點(diǎn)火管結(jié)構(gòu)的影響

2.1 傳火孔徑的影響

總的傳火面積、首孔高度及孔間距均保持不變，其余裝填參量也保持不變，僅改變傳火孔的直徑(d)，分析孔徑對(duì)點(diǎn)傳火過程的影響。

圖2～4為不同傳火孔直徑下燃?xì)鈮毫υ诓煌瑫r(shí)刻沿點(diǎn)火管軸向的分布圖。在保持總的傳火面積、首孔高度及孔間距不變的情況下，小孔直徑越大，孔的排數(shù)越少。圖3～4中的管中后部無小孔，壓力突升明顯，管內(nèi)壓力明顯分布不均勻。圖5為距離點(diǎn)火端16.7D處不同傳火孔徑下的壓力時(shí)程曲線(D為點(diǎn)火管直徑)?？梢钥闯?，改變小孔直徑，破膜前壓力上升趨勢(shì)幾乎相同，破膜后小孔直徑越大，單位長(zhǎng)度內(nèi)從傳火孔流走的氣固兩相越多，管內(nèi)最大壓力越小。因此若傳火孔徑設(shè)計(jì)過大，破膜后流走的能量更快更多，對(duì)于長(zhǎng)徑比較大、裝填密度較高的點(diǎn)火管而言，易造成由于流走的能量太多而使能量無法向前繼續(xù)傳遞的現(xiàn)象；設(shè)計(jì)過小的傳火孔不僅容易造成黑火藥顆粒堵塞小孔，使能量流出通道不順暢而引發(fā)安全事故，更可能由于能量流出過小過慢而使管內(nèi)造成局部高壓引發(fā)安全問題。

圖2 小孔直徑為1.5 mm時(shí)不同時(shí)刻 燃?xì)鈮毫c(diǎn)火管的軸向分布Fig.2 Pressure distribution in axial of the igniter tube with the hole diameter of 1.5 mm at different times

圖3 小孔直徑為1.8 mm時(shí)不同時(shí)刻 燃?xì)鈮毫c(diǎn)火管的軸向分布Fig.3 Pressure distribution in axial of the igniter tube with the hole diameter of 1.8 mm at different times

圖4 小孔直徑為2.0 mm時(shí)不同時(shí)刻 燃?xì)鈮毫c(diǎn)火管的軸向分布Fig.4 Pressure distribution in axial of the igniter tube with the hole diameter of 2.0 mm at different times

圖5 距點(diǎn)火端16.7D處不同 小孔直徑下的壓力時(shí)程曲線Fig.5 p-t contrast curves of different hole size at the position of 16.7D

2.2 首孔高度的影響

僅改變首孔高度，其余結(jié)構(gòu)尺寸及裝填參量保持不變，分析首孔高度(h)對(duì)點(diǎn)火過程的影響。

圖6～8為不同首孔高度下燃?xì)鈮毫υ诓煌瑫r(shí)刻沿點(diǎn)火管的軸向分布圖，圖9給出了距離點(diǎn)火端16.7D處不同首孔高度下壓力對(duì)比曲線。由圖6～9可以看出，僅改變首孔高度將影響管內(nèi)最大壓力，這是由于首孔高度的增加使得破膜前火藥氣體能量在管內(nèi)傳遞的時(shí)間加長(zhǎng)，造成管內(nèi)壓力增大。由此可知，過大的首孔高度容易造成泄壓滯后，近點(diǎn)火端產(chǎn)生高壓的情況，不利于安全點(diǎn)火；對(duì)于長(zhǎng)徑比大的點(diǎn)火管而言選用過小的首孔高度，又會(huì)提早泄壓而造成起始?jí)毫Σ蛔?，產(chǎn)生點(diǎn)火能量傳遞不迅速甚至間斷的情況，嚴(yán)重影響點(diǎn)火的瞬時(shí)性及一致性。

圖6 首孔高度為15 mm時(shí)不同時(shí)刻 燃?xì)鈮毫ρ攸c(diǎn)火管的軸向分布Fig.6 Pressure distribution in axial of the igniter tube with first hole height of 15 mm at different times

圖7 首孔高度為22 mm時(shí)不同時(shí)刻 燃?xì)鈮毫ρ攸c(diǎn)火管的軸向分布Fig.7 Pressure distribution in axial of the igniter tube with first hole height of 22 mm at different times

圖8 首孔高度為32 mm時(shí)不同時(shí)刻 燃?xì)鈮毫ρ攸c(diǎn)火管的軸向分布Fig.8 Pressure distribution in axial of the igniter tube with first hole height of 32 mm at different times

圖9 距點(diǎn)火端16.7D處不同 首孔高度下的壓力時(shí)程曲線Fig.9 p-t contrast curves of different first hole size at the position of 16.7D

2.3 小孔分布的影響

保證總的傳火面積、首孔高度均不變，僅改變小孔分布，分析小孔分布對(duì)點(diǎn)傳火性能的影響。

圖10～12為不同小孔分布下沿點(diǎn)火管軸向的燃?xì)鈮毫Ψ植紙D，圖13給出了距離點(diǎn)火端16.7D處每排孔不同個(gè)數(shù)(n)下壓力對(duì)比曲線。由圖10～13可以看出，小孔分布不僅明顯影響管內(nèi)最大壓力及分布，同時(shí)影響壓力做功時(shí)間。點(diǎn)火管內(nèi)壓力分布與單位長(zhǎng)度小孔總面積有關(guān)，單位長(zhǎng)度小孔總面積越大，破膜后泄壓越快，使得管內(nèi)最大壓力降低，做功時(shí)間減少。對(duì)于長(zhǎng)徑比大的點(diǎn)火管，若泄壓過快則易導(dǎo)致遠(yuǎn)點(diǎn)火端傳火能力減弱，不利于均勻點(diǎn)火；相反，若單位長(zhǎng)度小孔面積太小，泄壓不夠迅速則易導(dǎo)致在無小孔流出的地方有能量累積，形成局部高壓，不利于安全點(diǎn)火。

圖10 每排10個(gè)小孔時(shí)不同時(shí)刻 燃?xì)鈮毫ρ攸c(diǎn)火管的軸向分布Fig.10 Pressure distribution in axial of the igniter tube of 10 holes in a row at different times

圖11 每排8個(gè)小孔時(shí)不同時(shí)刻 燃?xì)鈮毫ρ攸c(diǎn)火管的軸向分布Fig.11 Pressure distribution in axial of the igniter tube of 8 holes in a row at different times

圖12 每排6個(gè)小孔時(shí)不同時(shí)刻 燃?xì)鈮毫ρ攸c(diǎn)火管的軸向分布Fig.12 Pressure distribution in axial of the igniter tube of 6 holes in a row at different times

圖13 距點(diǎn)火端16.7D處每排 孔個(gè)數(shù)不同時(shí)的壓力時(shí)程曲線Fig.13 p-t contrast curves of different hole count at the position of 16.7D

3 裝填密度的影響

僅改變裝藥量或者僅改變點(diǎn)火管內(nèi)徑等結(jié)構(gòu)尺寸實(shí)際表現(xiàn)為裝填密度的改變[8]，在此分析裝填密度(ρ)對(duì)點(diǎn)傳火性能的影響。

圖14～16為不同裝填密度下沿點(diǎn)火管軸向的燃?xì)鈮毫Ψ植紙D，圖17給出了距離點(diǎn)火端16.7D處不同裝填密度下壓力對(duì)比曲線。點(diǎn)火管內(nèi)的裝填密度會(huì)影響藥床的透氣性及火焰?zhèn)鞑サ耐〞承?，最終影響點(diǎn)火管內(nèi)的兩相流動(dòng)環(huán)境和傳火能量在軸向上分布的均勻性。由圖14～16可知，點(diǎn)火管內(nèi)裝填密度越低，管內(nèi)壓力上升越慢，管內(nèi)最大壓力也最低。在點(diǎn)火管的裝藥設(shè)計(jì)中，若裝填密度過低，則能量傳播較慢，點(diǎn)火時(shí)間長(zhǎng)，均勻點(diǎn)火的效果較差；但是裝填密度過高，則傳火通道不通暢，容易形成局部點(diǎn)火的條件，增大壓力波的強(qiáng)度，對(duì)安全性構(gòu)成威脅。

圖14 裝填密度為1 036 kg/m3時(shí) 不同時(shí)刻燃?xì)鈮毫ρ攸c(diǎn)火管的軸向分布Fig.14 Pressure distribution in axial of the igniter tube with charge density of 1 036 kg/m3 at different times

圖15 裝填密度為924 kg/m3時(shí) 不同時(shí)刻燃?xì)鈮毫ρ攸c(diǎn)火管的軸向分布Fig.15 Pressure distribution in axial of the igniter tube with charge density of 924 kg/m3 at different times

圖16 裝填密度為840 kg/m3時(shí) 不同時(shí)刻燃?xì)鈮毫ρ攸c(diǎn)火管的軸向分布Fig.16 Pressure distribution in axial of the igniter tube with charge density of 840 kg/m3 at different times

圖17 距點(diǎn)火端16.7D處每排 孔個(gè)數(shù)不同時(shí)的壓力時(shí)程曲線Fig.17 p-t contrast curves of different hole count at the position of 16.7D

4 結(jié) 語(yǔ)

利用大長(zhǎng)徑比、高密實(shí)火藥床點(diǎn)火管的一維兩相流程序?qū)τ绊扅c(diǎn)火管點(diǎn)傳火性能的主要因素進(jìn)行了計(jì)算分析。分析表明，對(duì)于大長(zhǎng)徑比、高裝填密度的點(diǎn)火管而言，小孔直徑、首孔高度、小孔分布及裝填密度顯著影響點(diǎn)火壓力及點(diǎn)傳火性能：小孔直徑、首孔高度及單位長(zhǎng)度小孔面積是影響破膜后泄壓速度的主要因素，而泄壓速度是影響點(diǎn)火性能的重要因素之一，泄壓過快不利于能量在大長(zhǎng)徑比點(diǎn)火管內(nèi)的傳播，影響點(diǎn)火的瞬時(shí)性和一致性，泄壓過慢則易造成局部高壓，不利于點(diǎn)火安全，同時(shí)也明顯影響管內(nèi)的點(diǎn)火壓力；而裝填密度對(duì)藥床的透氣性及火焰?zhèn)鞑サ耐〞承杂绊懨黠@，裝填密度過高會(huì)導(dǎo)致傳火通道不通暢，容易形成局部點(diǎn)火的條件，增大壓力波的強(qiáng)度，對(duì)安全性構(gòu)成威脅，而裝填密度太低又會(huì)使管內(nèi)壓力上升速度偏慢，延長(zhǎng)點(diǎn)火時(shí)間。在對(duì)點(diǎn)火管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮所有的點(diǎn)火要求，合理設(shè)計(jì)孔徑、首孔高度、小孔分布等條件。

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