叢龍騰+姜超+魯霄光+劉晴+趙鑫

摘 要：以超近程防御武器系統(tǒng)壓縮空氣發(fā)射裝置為背景，利用流固耦合軟件AUYTODYN建立了不同空氣壓力、不同泄流面積、不同內(nèi)彈道長度下的壓縮空氣彈射內(nèi)彈道模型，通過對模型流固耦合數(shù)值仿真結(jié)果的分析，得到了彈藥速度與時間、彈藥速度與位移、彈藥速度與空氣壓力、彈藥加速度與時間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上確定了發(fā)射裝置所用的壓縮氣體的體積與壓力以及發(fā)射管的內(nèi)彈道長度。

關(guān)鍵詞：內(nèi)彈道；壓縮空氣；彈射；流固耦合；AUTODY軟件

中圖分類號：TJ768 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）05-0046-04

0 引 言

超近程防御武器系統(tǒng)是一種用于打擊距離被保護目標20～200m范圍內(nèi)的末敏彈、子母彈等來襲彈藥武器系統(tǒng)。其采用的壓縮空氣彈射方式，避免了采用自力發(fā)射方式時彈藥推進劑燃燒引起燃氣射流沖擊問題，既不會產(chǎn)生較大的紅外特征，又提高了彈藥的初速與有效載荷，同時還滿足超近程防御作戰(zhàn)紅外特征小、反應(yīng)速度快的要求[1]。

壓縮空氣彈射系統(tǒng)最早應(yīng)用于魚雷的發(fā)射，二戰(zhàn)后隨著彈道導(dǎo)彈和超視距空空導(dǎo)彈的發(fā)展，逐漸應(yīng)用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈和中距空空導(dǎo)彈的發(fā)射[2]。目前，人們對壓縮空氣彈射系統(tǒng)的內(nèi)彈道研究已經(jīng)取得了大量的研究成果，喬汝椿提出了采用壓縮空氣發(fā)射方式的魚雷發(fā)射裝置管內(nèi)魚雷運動參數(shù)的估算方法[3]，許斌采用SIMULINK和ADAMS的聯(lián)合仿真，研究了機載導(dǎo)彈彈射式發(fā)射動力學行為[4]，廖振強建立了高壓氮氣驅(qū)動下彈射裝置的數(shù)學仿真模型，分析了導(dǎo)彈的分離參數(shù)和分離姿態(tài)[5]。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以用于超近程防御系統(tǒng)的壓縮空氣發(fā)射裝置為應(yīng)用背景，在炮口初速要求120m/s的條件下，利用AUTODYN軟件，建立壓縮空氣發(fā)射裝置內(nèi)彈道模型，根據(jù)模型的數(shù)值仿真研究壓縮空氣壓力、發(fā)射裝置部分結(jié)構(gòu)參數(shù)與彈丸彈射后初速的關(guān)系，為發(fā)射裝置進行結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

1 發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)與內(nèi)彈道模型

參考其他裝置，壓縮空氣發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，該裝置采用電磁鐵閉鎖機構(gòu)控制發(fā)射，其原理是：彈藥在閉鎖體的作用下緊貼壓縮氣瓶泄流口處的薄膜膜片，以此控制高壓氣體。在發(fā)射時，電磁鐵通電，銜鐵向左移動，手柄和閉鎖體失去銜鐵約束，向上運動，此時閉鎖體無法繼續(xù)約束彈藥，壓縮空氣沖破膜片，進入發(fā)射管的內(nèi)彈道部分，推動彈藥運動。

考慮到平時維護以及重復(fù)使用的需要，將方案的使用過程設(shè)計為：發(fā)射管后部即為存儲壓縮空氣的空間，在平時不儲存壓縮空氣，進入戰(zhàn)備狀態(tài)時，先在泄流口處貼上薄膜膜片，然后裝填彈藥，使彈藥緊貼薄膜膜片，壓下手柄使閉鎖體緊貼彈藥，電磁鐵銜鐵壓住手柄，閉鎖力開始作用，彈藥受到約束。此時，開始對發(fā)射管后部壓縮空氣存儲區(qū)域充氣，充氣完畢后，系統(tǒng)進入待機狀態(tài)。

1.1 發(fā)射裝置內(nèi)彈道模型相關(guān)參數(shù)的確定

在上述裝置基礎(chǔ)上，已知彈藥質(zhì)量：4kg；炮口初速：120m/s；能量利用系數(shù)η：0.15；定容比熱容：717J/（kg·K）；發(fā)射閥節(jié)流后的空氣溫度：266K。則發(fā)射該彈藥所需的壓縮空氣質(zhì)量按下式計算：

mB0=mTυ2Tc 100.1mm，則罐體長度L=78mm。

壓縮氣瓶尺寸數(shù)量級和大概尺寸范圍由此確定，該數(shù)據(jù)可作為AUTODYN中進行彈道估算的初始數(shù)據(jù)[6]。

1.2 分析內(nèi)彈道性能影響的模型

為了驗證高壓空氣壓力對內(nèi)彈道性能的影響，在AUTODYN軟件中建立模型1以驗證不同壓力的高壓空氣對炮口初速等內(nèi)彈道性能的影響[7]。為了驗證高壓氣瓶泄流面積對內(nèi)彈道性能影響，在AUTODYN軟件中建立模型2以驗證不同泄流面積下的高壓空氣對炮口初速等內(nèi)彈道性能的影響。

模型1的特點是考慮因素較多，除了要考慮在模型中填充空氣的壓縮，實際情況下高壓空氣由發(fā)射氣瓶通過口徑較小的通道流入發(fā)射管內(nèi)彈道部分時的壓縮，還要考慮發(fā)射管與彈藥之間的摩擦。而模型2則主要考慮泄漏，相較簡單。

在模型簡化中，為了便于計算，將彈藥模型簡化為圓柱形，彈藥簡化后的狀況如圖2所示。=100.1mm。

不同的是在模型1的高壓空氣區(qū)域中在泄流直徑為20mm基礎(chǔ)上，分別填充進34MPa，35MPa，36 MPa的高壓空氣。而模型2在高壓空氣為35MPa基礎(chǔ)上，泄流直徑分別為20mm，24mm和28mm。

在彈管間隙問題上，由于壓縮空氣發(fā)射裝置和火炮、火箭炮等發(fā)射系統(tǒng)不同，在野戰(zhàn)條件下不存在由火箭發(fā)動機燃燒室高溫引起的彈體徑向彈性變形、炮管與彈藥之間存在溫度差、連續(xù)射擊過程中產(chǎn)生積碳等問題，因此能明顯影響壓縮空氣發(fā)射裝置彈管間隙的因素是彈藥幾何形狀誤差。彈藥幾何形狀誤差，主要受制于構(gòu)成彈藥的各個部件的連接螺紋同心度以及彈藥各個構(gòu)件的軸線彎曲[8]。并且在彈藥的各個構(gòu)件中，戰(zhàn)斗部往往壁厚較大，剛度較大，不易產(chǎn)生幾何彎曲，而超近程防御武器系統(tǒng)采用壓縮空氣發(fā)射方式，彈藥上沒有火箭發(fā)動機或者其他薄壁結(jié)構(gòu)，所以用于超近程防御武器系統(tǒng)的彈藥往往剛度較大，其彈管間隙的設(shè)定可明顯小于火箭炮等類武器的彈管間隙。通過比較相關(guān)武器的彈管間隙，將模型彈管間隙設(shè)定為0.1mm。

1.3 流固耦合模型的建立

由于涉及到流體與固體的相互作用，因此涉及到流固耦合，可以在AUTODYN軟件中實現(xiàn)這一過程。模型的建立過程：建立六個部件模型，分別是發(fā)射管模型、彈藥模型、發(fā)射管上邊界模型、發(fā)射管下邊界模型、泄流通道上邊界模型、泄流通道下邊界模型。建立的模型如圖3所示。

發(fā)射管模型由Euler單元建立，填充進空氣，在高壓空氣氣瓶區(qū)域填充進高壓空氣，在炮口設(shè)置出流邊界。彈藥模型由Lagrange單元建立，填充進與彈藥密度相同的材料。發(fā)射管上、下邊界模型由Lagrange單元建立，放置在發(fā)射管上邊界，在仿真過程中用于約束彈藥由于彈管間隙在+Y方向的運動。

泄流通道上邊界模型和泄流通道下邊界模型均由Lagrange單元建立，放置在模擬的泄流通道的兩邊，在仿真過程中用于約束空氣流動，模擬出泄流通道的效果。

在AUTODYN軟件分析中的可用耦合分為Lagrange-Lagrange耦合和Euler-Lagrange耦合兩種。在仿真模型中，Lagrange-Lagrange耦合主要用于彈藥和發(fā)射管邊界的接觸和摩擦分析，Euler-Lagrange耦合主要用于高壓空氣推動彈藥運動的流固耦合分析[9]。

在Lagrange-Lagrange耦合的設(shè)定中，設(shè)置彈藥模型與上下發(fā)射管模型的摩擦系數(shù)為f=0.15，以模擬彈藥在發(fā)射管中所受的來自發(fā)射管壁面的摩擦力。

Lagrange-Lagrange耦合要求兩個零件間的最小距離不得小于最小網(wǎng)格尺寸的1/10，在本模型中，彈管間隙為0.1mm，單邊距離為0.05mm，所以剖分網(wǎng)格時須將最小網(wǎng)格尺寸設(shè)定為小于0.5mm。

在Euler-Lagrange耦合類型的設(shè)定中，Euler-Lagrange耦合設(shè)定為全自動耦合[10]。

2 數(shù)值仿真結(jié)果及分析

2.1 模型1的仿真結(jié)果

針對不同壓力的高壓空氣對炮口初速等內(nèi)彈道性能的影響，得到模型1的速度—時間以及速度-位移曲線如圖4所示。

在泄流直徑20mm的條件下，34MPa，35MPa壓力的壓縮空氣加速過程不平穩(wěn)，炮口初速無法滿足120m/s炮口初速的要求，36MPa壓力的壓縮空氣加速過程平穩(wěn)，可使彈藥炮口初速達到116m/s。

2.2 模型2的仿真結(jié)果

針對不同高壓氣瓶泄流面積對內(nèi)彈道性能影響，得到模型2的速度—時間以及速度—位移曲線如圖5所示。

在35MPa下，泄流直徑為20mm時，加速過程不穩(wěn)定，炮口初速無法滿足120m/s的要求，當泄流直徑由20mm增加到24mm時，加速過程變得明顯平穩(wěn)，炮口初速由不足100m/s增加到119 m/s，當泄流直徑由24mm增加到28mm時，炮口初速由119m/s增加到121m/s。

2.3 仿真結(jié)果中提取的速度—位移關(guān)系

在分析上述結(jié)果基礎(chǔ)上為了得到合適的炮管長度，選取合適模型的位移—速度曲線如圖6所示。

在泄流直徑28mm、壓縮空氣壓力35MPa的情況下，彈藥在800mm位移處即能達到120m/s的速度。

3 試驗對比

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，建立試驗?zāi)Ｐ?，由?5MPa氣體較難獲得，本次試驗采取20MPa試驗氣體作為對比，僅作軟件仿真與試驗對比。

通過試驗測試，得到時間—加速度數(shù)據(jù)圖，然后在軟件內(nèi)做出相同模型仿真，圖7為試驗數(shù)據(jù)與軟件模擬在相同尺寸數(shù)據(jù)上的結(jié)果對比。

通過對比發(fā)現(xiàn)軟件仿真數(shù)據(jù)偏大，與試驗有一定誤差，但在整體趨勢上保持一致，并且誤差在可接受范圍之內(nèi)，因此軟件有一定可信度，并且在初步設(shè)計階段可以接受。

4 結(jié) 論

本文通過在AUTODYN軟件中建立壓縮空氣發(fā)射裝置的內(nèi)彈道模型，獲得了壓縮空氣壓力、發(fā)射管泄流直徑、彈藥位移、炮口初速之間的關(guān)系，得到了如下結(jié)論：

（1）在泄流直徑20mm的條件下，34MPa，35 MPa壓力的壓縮空氣加速過程不平穩(wěn)，增加壓縮空氣的泄流直徑可以解決彈藥加速過程不平穩(wěn)的問題；

（2）壓縮空氣壓力35MPa，當泄流直徑由20 mm增加到24mm時，加速過程變得明顯平穩(wěn)，炮口初速由不足100m/s增加到119m/s，在泄流直徑20mm變化到24mm時，炮口初速急劇提高。當泄流直徑由24mm增加到28mm時，炮口初速由119m/s增加到121m/s，提升并不高；

（3）在泄流直徑28mm、壓縮空氣壓力35MPa的情況下，彈藥在400mm位移處即能達到100m/s的速度，發(fā)射裝置的壓縮空氣泄流直徑可設(shè)定為28mm，壓縮空氣壓力可選取為35MPa，發(fā)射管長度可設(shè)定為800mm。

參考文獻：

[1]李廣裕.戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈射技術(shù)的發(fā)展[J].國外導(dǎo)彈與航天運載器，1990（7）：38-49.

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[4]許斌，楊積東，劉廣，等.機載導(dǎo)彈彈射式發(fā)射建模與仿真[J].系統(tǒng)仿真學報，2001，23（7）：51-54.

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[9]劉玉磊.燃氣舵流固耦合傳熱數(shù)值分析[J].航空兵器，2013（3）：41-43.

[10]ChoiM，LeeJungRyul，KongCheolWon.Development ofaNumericalModelforanExpandingTubewithLinear ExplosiveUsingAUTODYN[J/OL].ShockandVibration，vol.2014，ArticleID436156，10pages，2014. doi：10.1155/2014/436156.http：∥dx.doi.org/10. 1155/2014/436156.

泄流通道上邊界模型和泄流通道下邊界模型均由Lagrange單元建立，放置在模擬的泄流通道的兩邊，在仿真過程中用于約束空氣流動，模擬出泄流通道的效果。

在AUTODYN軟件分析中的可用耦合分為Lagrange-Lagrange耦合和Euler-Lagrange耦合兩種。在仿真模型中，Lagrange-Lagrange耦合主要用于彈藥和發(fā)射管邊界的接觸和摩擦分析，Euler-Lagrange耦合主要用于高壓空氣推動彈藥運動的流固耦合分析[9]。

在Lagrange-Lagrange耦合的設(shè)定中，設(shè)置彈藥模型與上下發(fā)射管模型的摩擦系數(shù)為f=0.15，以模擬彈藥在發(fā)射管中所受的來自發(fā)射管壁面的摩擦力。

Lagrange-Lagrange耦合要求兩個零件間的最小距離不得小于最小網(wǎng)格尺寸的1/10，在本模型中，彈管間隙為0.1mm，單邊距離為0.05mm，所以剖分網(wǎng)格時須將最小網(wǎng)格尺寸設(shè)定為小于0.5mm。

在Euler-Lagrange耦合類型的設(shè)定中，Euler-Lagrange耦合設(shè)定為全自動耦合[10]。

2 數(shù)值仿真結(jié)果及分析

2.1 模型1的仿真結(jié)果

針對不同壓力的高壓空氣對炮口初速等內(nèi)彈道性能的影響，得到模型1的速度—時間以及速度-位移曲線如圖4所示。

在泄流直徑20mm的條件下，34MPa，35MPa壓力的壓縮空氣加速過程不平穩(wěn)，炮口初速無法滿足120m/s炮口初速的要求，36MPa壓力的壓縮空氣加速過程平穩(wěn)，可使彈藥炮口初速達到116m/s。

2.2 模型2的仿真結(jié)果

針對不同高壓氣瓶泄流面積對內(nèi)彈道性能影響，得到模型2的速度—時間以及速度—位移曲線如圖5所示。

在35MPa下，泄流直徑為20mm時，加速過程不穩(wěn)定，炮口初速無法滿足120m/s的要求，當泄流直徑由20mm增加到24mm時，加速過程變得明顯平穩(wěn)，炮口初速由不足100m/s增加到119 m/s，當泄流直徑由24mm增加到28mm時，炮口初速由119m/s增加到121m/s。

2.3 仿真結(jié)果中提取的速度—位移關(guān)系

在分析上述結(jié)果基礎(chǔ)上為了得到合適的炮管長度，選取合適模型的位移—速度曲線如圖6所示。

在泄流直徑28mm、壓縮空氣壓力35MPa的情況下，彈藥在800mm位移處即能達到120m/s的速度。

3 試驗對比

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，建立試驗?zāi)Ｐ停捎?5MPa氣體較難獲得，本次試驗采取20MPa試驗氣體作為對比，僅作軟件仿真與試驗對比。

通過試驗測試，得到時間—加速度數(shù)據(jù)圖，然后在軟件內(nèi)做出相同模型仿真，圖7為試驗數(shù)據(jù)與軟件模擬在相同尺寸數(shù)據(jù)上的結(jié)果對比。

通過對比發(fā)現(xiàn)軟件仿真數(shù)據(jù)偏大，與試驗有一定誤差，但在整體趨勢上保持一致，并且誤差在可接受范圍之內(nèi)，因此軟件有一定可信度，并且在初步設(shè)計階段可以接受。

4 結(jié) 論

本文通過在AUTODYN軟件中建立壓縮空氣發(fā)射裝置的內(nèi)彈道模型，獲得了壓縮空氣壓力、發(fā)射管泄流直徑、彈藥位移、炮口初速之間的關(guān)系，得到了如下結(jié)論：

（1）在泄流直徑20mm的條件下，34MPa，35 MPa壓力的壓縮空氣加速過程不平穩(wěn)，增加壓縮空氣的泄流直徑可以解決彈藥加速過程不平穩(wěn)的問題；

（2）壓縮空氣壓力35MPa，當泄流直徑由20 mm增加到24mm時，加速過程變得明顯平穩(wěn)，炮口初速由不足100m/s增加到119m/s，在泄流直徑20mm變化到24mm時，炮口初速急劇提高。當泄流直徑由24mm增加到28mm時，炮口初速由119m/s增加到121m/s，提升并不高；

（3）在泄流直徑28mm、壓縮空氣壓力35MPa的情況下，彈藥在400mm位移處即能達到100m/s的速度，發(fā)射裝置的壓縮空氣泄流直徑可設(shè)定為28mm，壓縮空氣壓力可選取為35MPa，發(fā)射管長度可設(shè)定為800mm。

參考文獻：

[1]李廣裕.戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈射技術(shù)的發(fā)展[J].國外導(dǎo)彈與航天運載器，1990（7）：38-49.

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[4]許斌，楊積東，劉廣，等.機載導(dǎo)彈彈射式發(fā)射建模與仿真[J].系統(tǒng)仿真學報，2001，23（7）：51-54.

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[9]劉玉磊.燃氣舵流固耦合傳熱數(shù)值分析[J].航空兵器，2013（3）：41-43.

[10]ChoiM，LeeJungRyul，KongCheolWon.Development ofaNumericalModelforanExpandingTubewithLinear ExplosiveUsingAUTODYN[J/OL].ShockandVibration，vol.2014，ArticleID436156，10pages，2014. doi：10.1155/2014/436156.http：∥dx.doi.org/10. 1155/2014/436156.

泄流通道上邊界模型和泄流通道下邊界模型均由Lagrange單元建立，放置在模擬的泄流通道的兩邊，在仿真過程中用于約束空氣流動，模擬出泄流通道的效果。

在AUTODYN軟件分析中的可用耦合分為Lagrange-Lagrange耦合和Euler-Lagrange耦合兩種。在仿真模型中，Lagrange-Lagrange耦合主要用于彈藥和發(fā)射管邊界的接觸和摩擦分析，Euler-Lagrange耦合主要用于高壓空氣推動彈藥運動的流固耦合分析[9]。

在Lagrange-Lagrange耦合的設(shè)定中，設(shè)置彈藥模型與上下發(fā)射管模型的摩擦系數(shù)為f=0.15，以模擬彈藥在發(fā)射管中所受的來自發(fā)射管壁面的摩擦力。

Lagrange-Lagrange耦合要求兩個零件間的最小距離不得小于最小網(wǎng)格尺寸的1/10，在本模型中，彈管間隙為0.1mm，單邊距離為0.05mm，所以剖分網(wǎng)格時須將最小網(wǎng)格尺寸設(shè)定為小于0.5mm。

在Euler-Lagrange耦合類型的設(shè)定中，Euler-Lagrange耦合設(shè)定為全自動耦合[10]。

2 數(shù)值仿真結(jié)果及分析

2.1 模型1的仿真結(jié)果

針對不同壓力的高壓空氣對炮口初速等內(nèi)彈道性能的影響，得到模型1的速度—時間以及速度-位移曲線如圖4所示。

在泄流直徑20mm的條件下，34MPa，35MPa壓力的壓縮空氣加速過程不平穩(wěn)，炮口初速無法滿足120m/s炮口初速的要求，36MPa壓力的壓縮空氣加速過程平穩(wěn)，可使彈藥炮口初速達到116m/s。

2.2 模型2的仿真結(jié)果

針對不同高壓氣瓶泄流面積對內(nèi)彈道性能影響，得到模型2的速度—時間以及速度—位移曲線如圖5所示。

在35MPa下，泄流直徑為20mm時，加速過程不穩(wěn)定，炮口初速無法滿足120m/s的要求，當泄流直徑由20mm增加到24mm時，加速過程變得明顯平穩(wěn)，炮口初速由不足100m/s增加到119 m/s，當泄流直徑由24mm增加到28mm時，炮口初速由119m/s增加到121m/s。

2.3 仿真結(jié)果中提取的速度—位移關(guān)系

在分析上述結(jié)果基礎(chǔ)上為了得到合適的炮管長度，選取合適模型的位移—速度曲線如圖6所示。

在泄流直徑28mm、壓縮空氣壓力35MPa的情況下，彈藥在800mm位移處即能達到120m/s的速度。

3 試驗對比

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，建立試驗?zāi)Ｐ?，由?5MPa氣體較難獲得，本次試驗采取20MPa試驗氣體作為對比，僅作軟件仿真與試驗對比。

通過試驗測試，得到時間—加速度數(shù)據(jù)圖，然后在軟件內(nèi)做出相同模型仿真，圖7為試驗數(shù)據(jù)與軟件模擬在相同尺寸數(shù)據(jù)上的結(jié)果對比。

通過對比發(fā)現(xiàn)軟件仿真數(shù)據(jù)偏大，與試驗有一定誤差，但在整體趨勢上保持一致，并且誤差在可接受范圍之內(nèi)，因此軟件有一定可信度，并且在初步設(shè)計階段可以接受。

4 結(jié) 論

本文通過在AUTODYN軟件中建立壓縮空氣發(fā)射裝置的內(nèi)彈道模型，獲得了壓縮空氣壓力、發(fā)射管泄流直徑、彈藥位移、炮口初速之間的關(guān)系，得到了如下結(jié)論：

（1）在泄流直徑20mm的條件下，34MPa，35 MPa壓力的壓縮空氣加速過程不平穩(wěn)，增加壓縮空氣的泄流直徑可以解決彈藥加速過程不平穩(wěn)的問題；

（2）壓縮空氣壓力35MPa，當泄流直徑由20 mm增加到24mm時，加速過程變得明顯平穩(wěn)，炮口初速由不足100m/s增加到119m/s，在泄流直徑20mm變化到24mm時，炮口初速急劇提高。當泄流直徑由24mm增加到28mm時，炮口初速由119m/s增加到121m/s，提升并不高；

（3）在泄流直徑28mm、壓縮空氣壓力35MPa的情況下，彈藥在400mm位移處即能達到100m/s的速度，發(fā)射裝置的壓縮空氣泄流直徑可設(shè)定為28mm，壓縮空氣壓力可選取為35MPa，發(fā)射管長度可設(shè)定為800mm。

參考文獻：

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