王育維，郭映華，董彥誠(chéng)，張洪漢

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng)　712099)

?

可燃容器對(duì)小號(hào)模塊裝藥壓力波影響的研究

王育維，郭映華，董彥誠(chéng)，張洪漢

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng)712099)

分析了雙元模塊裝藥小號(hào)裝藥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對(duì)小號(hào)裝藥的2號(hào)裝藥壓力波現(xiàn)象較為突出的問(wèn)題，建立了雙一維多相流內(nèi)彈道模型，給出了可燃容器燃燒規(guī)律，分析了可燃容器能量參數(shù)對(duì)壓力波的影響。通過(guò)對(duì)可燃容器不同能量參數(shù)的對(duì)比試驗(yàn)研究及利用多相流內(nèi)彈道理論仿真分析，得到了可燃容器能量特性對(duì)2號(hào)裝藥壓力波的影響規(guī)律，理論仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，為分析小號(hào)裝藥壓力波現(xiàn)象及可燃容器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定參考。

可燃容器；模塊裝藥； 壓力波；小號(hào)裝藥

大口徑壓制火炮采用模塊化組合發(fā)射裝藥(簡(jiǎn)稱模塊裝藥)技術(shù)可較好地適應(yīng)火炮自動(dòng)或半自動(dòng)裝填，以滿足高射速發(fā)射要求。同時(shí)，模塊裝藥實(shí)現(xiàn)了發(fā)射裝藥的剛性化，簡(jiǎn)化了裝藥種類，對(duì)簡(jiǎn)化勤務(wù)性、提高裝藥低易損性帶來(lái)明顯優(yōu)勢(shì)。目前，世界上許多國(guó)家相應(yīng)地開(kāi)發(fā)研制大口徑壓制火炮的模塊裝藥技術(shù)。特別是美國(guó)、德國(guó)、南非等國(guó)家在模塊裝藥的研制和應(yīng)用方面已經(jīng)走向成熟，部分國(guó)家的模塊裝藥系統(tǒng)已經(jīng)裝備部隊(duì)。國(guó)外比較成熟的模塊裝藥系統(tǒng)大都采用雙元模塊裝藥[1-3]。

一般1塊或2塊小號(hào)裝藥模塊分別構(gòu)成1號(hào)或2號(hào)裝藥。1號(hào)、2號(hào)裝藥的內(nèi)彈道性能不要求很高的初速，但要求膛內(nèi)具有良好的燃燼性；同時(shí)，1號(hào)裝藥膛壓不能太小，需滿足一定要求。因此，在這種需求下，小號(hào)裝藥模塊一般采用能量較高的可燃容器與弧厚較小的發(fā)射藥相匹配，來(lái)實(shí)現(xiàn)在一定膛壓、初速下膛內(nèi)發(fā)射裝藥燃燒完全、無(wú)殘留物或污染物。由于小號(hào)裝藥采用的可燃容器能量較高、發(fā)射藥的弧厚較小，內(nèi)彈道過(guò)程中反映出起始階段氣體生成率較大、膛壓上升較快。該特點(diǎn)給2號(hào)裝藥膛內(nèi)壓力波動(dòng)帶來(lái)不利影響,特別是模塊裝藥采用非插接方式條件下，2號(hào)裝藥的2個(gè)裝藥模塊相互獨(dú)立，內(nèi)彈道過(guò)程會(huì)發(fā)生分離現(xiàn)象，更易產(chǎn)生膛內(nèi)壓力波動(dòng)現(xiàn)象。一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)外都把解決雙元模塊裝藥小號(hào)裝藥壓力波作為一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。

1　雙元模塊裝藥小號(hào)裝藥的內(nèi)彈道特點(diǎn)

雙元模塊裝藥系統(tǒng)的小號(hào)裝藥一般針對(duì)近射程的發(fā)射需求，膛壓與初速都較低，在使用過(guò)程中重點(diǎn)解決發(fā)射過(guò)程中的燃燼性問(wèn)題。該裝藥結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)可燃容器、發(fā)射藥及點(diǎn)傳火系統(tǒng)等關(guān)鍵部件參數(shù)的設(shè)計(jì)都需重點(diǎn)圍繞燃燼性問(wèn)題。因此，小號(hào)裝藥的內(nèi)彈道特點(diǎn)是：可燃容器選擇相對(duì)較高能量參數(shù)，發(fā)射藥選擇較小的弧厚，內(nèi)彈道前期膛壓上升速率大等。同時(shí)，小號(hào)裝藥裝填發(fā)射過(guò)程中，由于裝藥量少，彈后空間較大，裝藥在內(nèi)彈道前期過(guò)程中膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)較明顯，不利于內(nèi)彈道性能的穩(wěn)定性。

1.1物理模型及基本假設(shè)

針對(duì)小號(hào)裝藥使用中存在2號(hào)裝藥膛內(nèi)壓力波較明顯的問(wèn)題，對(duì)非插接式2號(hào)裝藥的內(nèi)彈道過(guò)程中建立了多相流內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型。該模型認(rèn)為2號(hào)裝藥內(nèi)彈道過(guò)程主要包含2個(gè)過(guò)程:模塊破裂前階段和破裂后階段。在破裂前階段2號(hào)裝藥的2個(gè)裝藥模塊可獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，當(dāng)模塊內(nèi)部壓力達(dá)到一定值后模塊破裂，發(fā)射藥散開(kāi)并按一定指數(shù)規(guī)律分布，進(jìn)入破裂后階段。該階段發(fā)射藥與可燃容器視為連續(xù)固體相介質(zhì)，用多相流方程描述其變化過(guò)程。圖1為2號(hào)裝藥裝填示意圖[4-6〗。

為了便于多相流內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型描述2號(hào)裝藥的內(nèi)彈道過(guò)程，認(rèn)為整個(gè)流場(chǎng)分2個(gè)求解區(qū)域：主裝藥區(qū)和傳火管區(qū)。主裝藥區(qū)采用一維變截面兩相流方程組描述；傳火管區(qū)采用一維等截面兩相流方程組描述。針對(duì)2號(hào)裝藥的特點(diǎn)做以下假定：每個(gè)模塊破裂前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由端部壓力差決定；考慮模塊破裂后固體藥粒與氣體相互作用(相間阻力)；不考慮徑向空隙；可燃容器燃燒的氣體得到當(dāng)?shù)貧怏w速度；內(nèi)彈道計(jì)算區(qū)域滿足連續(xù)介質(zhì)理論；假定彈丸為平底彈，即不考慮彈丸尾部形狀的影響；氣體狀態(tài)符合阿貝爾狀態(tài)方程；火藥按幾何燃燒規(guī)律燃燒。

1.2主要方程

為描述2號(hào)裝藥的內(nèi)彈道過(guò)程，建立了雙一維多相流內(nèi)彈道模型。針對(duì)該模型建立了相應(yīng)的氣體與固體(含發(fā)射藥與可燃容器)質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程以及能量方程。具體方程為

(1)

為研究小號(hào)裝藥可燃容器的能量特性與燃燒特性對(duì)內(nèi)彈道性能的影響，給出了可燃容器燃燒規(guī)律方程如下：

(2)

式中:ψ為可燃容器相對(duì)燃燒量;M1、M2為可燃容器燃速計(jì)算系數(shù)，分別為

M1=3.33×10-6， M2=-2.36×10-9

彈底網(wǎng)格作專用網(wǎng)格處理，其速度方程即為彈丸運(yùn)動(dòng)方程：

(3)

式中：mq為彈丸質(zhì)量；φ為次要功系數(shù)；f為發(fā)射藥火藥力，v為彈丸運(yùn)動(dòng)速度。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1膛壓對(duì)比試驗(yàn)

為了掌握可燃容器能量對(duì)小號(hào)裝藥的2號(hào)裝藥膛內(nèi)壓力波的影響，開(kāi)展了試驗(yàn)對(duì)比研究。試驗(yàn)采用52倍口徑身管長(zhǎng)155 mm火炮，在使用相同的發(fā)射藥、點(diǎn)傳火系統(tǒng)及裝藥結(jié)構(gòu)條件下，只變化可燃容器能量，考查了不同能量的可燃容器及不同溫度條件下(常溫21℃、高溫55℃)，2號(hào)裝藥的內(nèi)彈道性能。具體試驗(yàn)對(duì)比方案如表1所示，其中高能量可燃容器火藥力比低能量可燃容器高41%。

表1　試驗(yàn)對(duì)比方案

圖2～5給出了不同方案下射擊試驗(yàn)過(guò)程的膛底壓力與時(shí)間關(guān)系曲線對(duì)比圖。從圖2～5可以看出，在其他條件相同情況下，變化可燃容器能量參數(shù)對(duì)2號(hào)裝藥內(nèi)彈道膛壓曲線影響較明顯，在高溫條件下更明顯。

圖2給出了在常溫條件下，高、低能量可燃容器膛壓曲線對(duì)比。

從圖2可以看出，使用高能量可燃容器時(shí)，最大膛壓較高，膛壓曲線在最大值附近存在平臺(tái)，說(shuō)明在常溫條件下高能量可燃容器已經(jīng)使膛壓曲線向不光滑的方向發(fā)展。

在高溫條件下，高、低能量可燃容器膛壓曲線對(duì)比如圖3所示。

從圖3可以看出，由于高溫條件下可燃容器燃速增加，在使用高能量可燃容器時(shí)，最大膛壓明顯增加，膛壓曲線出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，在彈道前期(約60 MPa之前)膛壓上升速率明顯較快，這與可燃容器在高溫條件下燃速增加相關(guān)；在使用低能量可燃容器時(shí)，最大膛壓與膛壓曲線波動(dòng)情況都比高能量可燃容器時(shí)減小。說(shuō)明采用低能量可燃容器對(duì)膛內(nèi)壓力波具有抑制作用。

低能量可燃容器在常溫、高溫條件下膛壓曲線對(duì)比如圖4所示。

從圖4中可以看出，低能量可燃容器在高溫條件下燃速增加，提高了彈道前期氣體生成速率，膛壓上升速率加快，在最大膛壓值附近膛壓曲線出現(xiàn)一定波動(dòng)，但波動(dòng)不明顯。

高能量可燃容器在常溫、高溫條件下膛壓曲線對(duì)比如圖5所示。

從圖5中可以看出，高能量可燃容器在常溫條件下，膛壓曲線在最大膛壓值附近出現(xiàn)平臺(tái)，已經(jīng)向不光滑的方向發(fā)展。在高溫條件下由于可燃容器燃速進(jìn)一步加快，導(dǎo)致彈道前期膛壓上升速率進(jìn)一步加快，最終在最大膛壓值附近出現(xiàn)明顯的雙峰波動(dòng)現(xiàn)象。

從火炮射擊試驗(yàn)可以看出，選擇能量相對(duì)較低的可燃容器，相應(yīng)地具有較慢的燃速，能夠降低內(nèi)彈道前期膛壓上升速率，對(duì)膛壓曲線在最大膛壓附近的波動(dòng)具有較明顯的抑制作用。

2.2爆發(fā)器試驗(yàn)

為了分析不同能量可燃容器的燃速及燃燒規(guī)律，對(duì)不同能量的可燃容器進(jìn)行了爆發(fā)器試驗(yàn)研究。獲得了可燃容器定容燃燒條件下的壓力時(shí)間曲線p-t曲線，如圖6所示。利用p-t曲線計(jì)算出表達(dá)燃速快慢的活性度L與壓力比B之間的關(guān)系曲線，如圖7所示。

從圖6可以看出，高能量可燃容器壓力上升速率明顯大于低能量可燃容器，說(shuō)明燃速也快很多。從圖7可以看出，高能量與低能量可燃容器活性度最大值分別為0.018、0.006(MPa·s)-1，由此可見(jiàn)，高能量可燃容器的燃速幾乎是低能量可燃容器的3倍。

通過(guò)密閉爆發(fā)器試驗(yàn)可以看出，不同能量的可燃容器其燃速相差較大。本文中的高能量可燃容器火藥力比低能量可燃容器高41%，但燃速是低能量可燃容器的3倍。燃速的增大會(huì)對(duì)內(nèi)彈道膛壓曲線造成不利影響，使膛壓曲線出現(xiàn)波動(dòng)。在高溫條件下，可燃容器燃速將進(jìn)一步增大，必然會(huì)促使膛壓曲線波動(dòng)進(jìn)一步加大，造成內(nèi)彈道性能出現(xiàn)惡劣現(xiàn)象。因此，合理選擇可燃容器能量是抑制2號(hào)裝藥膛內(nèi)壓力波的重要手段。

3　數(shù)值模擬結(jié)果與分析

在可燃容器能量參數(shù)對(duì)2號(hào)裝藥壓力波影響的試驗(yàn)研究、理論分析與建?；A(chǔ)上，進(jìn)行2號(hào)裝藥不同可燃容器與不同溫度條件下的多相流內(nèi)彈道過(guò)程數(shù)值模擬?？扇既萜髂芰繀?shù)主要考慮火藥力與燃速，其中高能量可燃容器火藥力比低能量可燃容器高41%；燃速變化參數(shù)是式(2)中的系數(shù)M1，該系數(shù)在燃速公式中發(fā)揮主要作用。M1系數(shù)的大小是通過(guò)可燃容器爆發(fā)器試驗(yàn)得到，并利用火炮射擊試驗(yàn)得到的p-t曲線進(jìn)行修正。通過(guò)多相流內(nèi)彈道數(shù)值模擬，對(duì)發(fā)射藥、可燃容器的火藥力與燃速進(jìn)行修正，數(shù)值模擬p-t曲線結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。圖8～10分別給出了高能量可燃容器常溫、高溫及低能量可燃容器高溫條件下的數(shù)值模擬p-t曲線結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

從圖8～10可以看出，通過(guò)修正內(nèi)彈道參數(shù)，數(shù)值計(jì)算膛壓時(shí)間曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，曲線上主要特征點(diǎn)如：膛壓曲線前期50～60 MPa之間存在明顯拐點(diǎn)、膛壓曲線最大值附近出現(xiàn)雙峰點(diǎn)以及膛壓曲線下降段約90 MPa處存在拐點(diǎn)等計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果都能保持一致。計(jì)算結(jié)果表明：數(shù)值模擬的膛壓曲線能夠反映火炮實(shí)際內(nèi)彈道膛壓的變化過(guò)程，也說(shuō)明本文建立的多相流內(nèi)彈道模型合理，形成的模擬參數(shù)變化規(guī)律可以作為定量反映不同可燃容器、不同溫度條件對(duì)壓力波的影響規(guī)律。表2給出了不同條件下可燃容器燃速系數(shù)擬合值。從表中可以看出，高能量可燃容器燃速系數(shù)M1是低能量可燃容器的3倍，這與爆發(fā)器試驗(yàn)獲得的燃速關(guān)系相同。說(shuō)明該燃速關(guān)系可作為定量分析可燃容器能量與燃速之間的變化規(guī)律。同時(shí)可以看出，在不同溫度條件下，相同能量可燃容器燃速也發(fā)生變化，高溫燃速比常溫高約20%。

表2　不同條件下M1系數(shù)

通過(guò)仿真計(jì)算可以看出，2號(hào)裝藥內(nèi)彈道性能受可燃容器參數(shù)影響較敏感，當(dāng)可燃容器能量提高時(shí)，燃速將快速上升，引起膛內(nèi)壓力波動(dòng)加劇，影響內(nèi)彈道性能，特別是在高溫條件下，情況更為嚴(yán)重。因此，在雙元模塊裝藥的小號(hào)裝藥設(shè)計(jì)中可燃容器能量參數(shù)的選擇首先考慮可燃容器的燃燼性，在此基礎(chǔ)上需合理選擇可燃容器能量并控制其燃速，避免在彈道前期因可燃容器燃速較快，造成膛內(nèi)壓力波動(dòng)，形成明顯膛壓曲線雙峰現(xiàn)象。

4　結(jié)論

筆者分析了雙元模塊裝藥小號(hào)裝藥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對(duì)小號(hào)裝藥的2號(hào)裝藥壓力波現(xiàn)象較為突出的問(wèn)題，建立了雙一維多相流內(nèi)彈道模型，通過(guò)對(duì)可燃容器不同能量參數(shù)的對(duì)比試驗(yàn)研究及利用多相流內(nèi)彈道理論仿真分析，得到以下結(jié)論：

1)高能量可燃容器由于燃速較快會(huì)引起2號(hào)裝藥內(nèi)彈道過(guò)程出現(xiàn)明顯壓力波，膛壓曲線存在明顯雙峰現(xiàn)象，高溫條件下情況更惡劣。

2)可燃容器能量增加40%左右時(shí)，燃速將增加3倍，可見(jiàn)可燃容器能量對(duì)燃速影響較明顯。

3)高溫條件下可燃容器燃速比常溫增加約20%。

4)建立的雙一維多相流內(nèi)彈道模型合理，數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合一致，可用于定量分析可燃容器能量參數(shù)對(duì)小號(hào)裝藥壓力波影響的分析及小號(hào)裝藥可燃容器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

References)

[1]陸中兵，周彥煌，王育維. 短管炮模塊裝藥兩相流內(nèi)彈道模擬[J]. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，23(2):105- 108.

LU Zhongbing, ZHOU Yanhuang, WANG Yuwei. Two phase flow interior ballistic simulation of the short-barrel gun with modular charges[J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology, 1999, 23(2):105-108.(in Chinese)

[2]王育維，魏建國(guó)，郭映華，等. 模塊裝藥壓力波數(shù)值模擬[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)， 2000(4):1-5.

WANG Yuwei,WEI Jianguo,GUO Yinghua,et al. Simulation of pressure wave in modular charge system[J].Journal of Gun Launch & Control, 2000(4):1-5.(in Chinese)

[3]陳建中，王浩. 可燃藥筒對(duì)膛內(nèi)壓力波的影響[J]. 彈道學(xué)報(bào),1990(4):84-88.

CHEN Jianzhong, WANG Hao. Influence of combustible case for pressure wave in guns[J]. Journal of Ballistics, 1990(4):84-88. (in Chinese)

[4]周彥煌，王升晨. 實(shí)用兩相流內(nèi)彈道學(xué)[M]. 北京：兵器工業(yè)出版社，1990.

ZHOU Yanhuang,WANG Shengchen.Practical two-phase flow in ballistics[M]. Beijing:The publishing House of Ordance Industry, 1990. (in Chinese)

[5]王升晨，周彥煌，劉千里，等. 膛內(nèi)多相燃燒理論及應(yīng)用[M]. 北京：兵器工業(yè)出版社， 1994.

WANG Shengchen, ZHOU Yanhuang, LIU Qianli, et al. Theory and application of multi-phase combustion in chamber[M]. Beijing:The publishing House of Ordance Industry, 1994. (in Chinese)

[6]車得福，李會(huì)雄. 多相流及其應(yīng)用[M]. 西安:西安交通大學(xué)出版社， 2007.

CHE Defu, LI Huixiong. Multiphase fluid and its application [M]. Xi’an： Xi’an Jiaotong University Press, 2007. (in Chinese)

Study of Combustible Case Effects on Pressure Waves for Low-zone of Bi-modular Charge

WANG Yuwei，GUO Yinghua，DONG Yancheng，ZHANG Honghan

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang712099, Shaanxi, China)

An analysis is made of the interior ballistics structural characteristics of low-zone in Bi-modular charge. In response to the problem of much more prominent pressure wave of zone 2, a two-phase and one-dimensional model of interior ballistics was built with combustible case combustion law provided. An analysis is made of the effects of combustible case energy parameter on pressure waves. Through the comparative experimental study of different energy combustible cases and theoretical simulation analysis of interior ballistics multiphase flow, the effect laws of combustible case energy parameter on zone 2 pressure waves was obtained. Great agreement is shown between model and experimental measurements. The study results can serve as a guideline for pressure wave and optimizing combustible case energy parameter of zone 2 in Bi-modular charge.

combustible case; modular charge; pressure wave; low-zone of Bi-modular charge

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.02.007

2015-07-18

王育維(1973—)，男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事火炮內(nèi)彈道與發(fā)射裝藥技術(shù)研究。E-mail：wywwyd@163.com

TJ012

A

1673-6524(2016)02-0031-05