李　鋒,拜云山,馮曉偉

(中國工程物理研究院 總體工程研究所,四川 綿陽 621999)

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一級氣體炮內彈道方程修正及驗證

李鋒,拜云山,馮曉偉

(中國工程物理研究院 總體工程研究所,四川 綿陽 621999)

為了使理論計算結果更為準確可靠,對一級氣體炮內彈道經典方程進行修正。分析了一級氣體炮內彈道經典方程存在的問題及原因,指出氣室容積不能忽略。提出了氣體密度新的表達方式,并根據質量守恒方程、氣流動量方程、彈丸運動方程、氣體絕熱膨脹方程和理想氣體狀態(tài)方程等,聯立推導出一級氣體炮內彈道修正方程。將修正方程、經典方程計算結果與內彈道流體數值仿真結果進行對比，結果表明:在容積比較小的情況下三者的偏差很小;但隨著容積比的增大,經典方程計算結果偏離修正方程和數值仿真計算結果;經典方程僅適用于容積比較小的情況;而修正方程的適用范圍不受容積比大小限制,驗證了修正方程的正確性和適用性。

氣體炮;內彈道;炮口速度;容積比

氣體炮作為一種加載試驗裝置,采用壓縮氣體作為動力源驅動彈丸運動以獲得期望的速度。1946年,美國研制成功第一門利用輕質氣體作為工作介質的一級氣體炮[1],此后,美國、加拿大、英國和法國以及我國一些單位陸續(xù)建立了氣體炮裝置,使這種類型的彈丸發(fā)射裝置成為一種使用極其廣泛的試驗設備。

Pidduck和Kent最早進行了氣體炮內彈道方程的研究,提出采用振蕩函數近似描述波在彈后的傳播規(guī)律[2],給出了解析模型。Seigel A E采用數值仿真方法對一級氣體炮的氣體動力學問題進行了研究,并與Pidduck和Kent的解析模型計算結果進行對比,指出當壓縮氣體與彈丸質量之比小于1/4時,數值計算結果與Pidduck的解析解非常接近[3]。王金貴借用火炮內彈道理論中虛擬質量系數表達形式,結合氣體動力學方程推導了氣體炮內彈道方程[4],獲得了炮口初速的解析表達式,并在氣體炮設計上得到了應用,實際上已成為國內氣體炮設計的理論依據,本文稱之為經典方程。趙俊利等[5]建立了氣體炮內彈道數學模型,給出了與文獻[4]相同的內彈道理論公式,在具體參數計算方法上進行了簡化。Mark Denny[6]將彈丸附加質量作為常量處理,建立了考慮彈前氣壓和破膜能量損失影響的內彈道解析模型,該模型在去掉彈前氣壓和破膜能量損失項后在形式上與經典方程相同。

目前,研究人員在氣體炮內彈道方面多針對具體結構型式進行數值仿真。楊均勻等[7]采用Von Neumann Richtmyer差分格式對帶有坡膛、有限藥室長的一級輕氣炮進行了內彈道一維數值模擬。仲偉君等[8]針對四腔結構的氣體炮,運用氣體動力學的相似理論建立了氣體炮的內彈道模型,并在計算機上進行了數值模擬。趙希欣等[9]應用氣體動力學理論及配合間隙的影響建立了考慮氣體泄露的內彈道模型,并進行了數值仿真分析。胡靜等[10]建立了三維非定常條件下35 mm等截面輕氣炮數學模型,采用ANSYS-CFX軟件對不同氣體工質所獲彈丸初速進行模擬計算。夏正友[11]采用一種基于推理的神經網絡模型,對氣體炮內彈道最大膛壓進行了仿真和預測。

一級氣體炮經典方程針對較為理想的結構型式,借鑒火炮內彈道[12]的相關理論,通過理論分析和推導,獲得了炮口初速與內彈道參數的解析表達式,與數值模擬相比在工程應用上更為方便。但由于簡化較多,實際應用中發(fā)現經典方程在大氣室容積的情況下存在一定的局限性。本文分析了經典內彈道方程存在的問題及原因,對炮管內氣體密度表達式進行了修正,并推導了新的氣體炮內彈道方程,稱之為修正方程,進一步將修正方程和經典方程與數值仿真結果進行對比,給出了各自的適用范圍,完成了對修正方程的驗證。

1　氣體炮內彈道經典方程分析

根據一般的一級氣體炮結構形式,建立氣體炮內彈道物理模型,如圖1所示,圖中,S為炮管截面積,L為彈丸在膛內的行程,lp為t時刻彈丸在膛內的運動位移。采用如下基本假設:

①氣室氣體為理想氣體,整個發(fā)射過程視為理想氣體絕熱膨脹過程;

②不考慮彈前氣體壓力的影響;

③不考慮各種損耗的具體形式,在計算過程中引入虛擬質量系數φ來計入能量損失因素,φ的具體形式與火炮內彈道方程相同[4]。

圖1　一級氣體炮內彈道物理模型

王金貴[4]基于上述假設,通過聯立求解理想氣體狀態(tài)方程、氣體絕熱過程方程、彈丸運動方程等,得到彈丸炮口初速與氣室容積、氣室壓力、炮彈質量、炮管尺寸等的關系:

(1)

式中:vm為彈丸炮口初速,p0為氣室初始壓力,V0為氣室容積,m為彈丸質量,φ為虛擬質量系數,c為絕熱指數。

本文稱式(1)為一級氣體炮內彈道經典方程。根據式(1),炮口初速隨氣室容積的變化規(guī)律如圖2所示(炮管直徑為80 mm,彈丸行程為1 m,彈丸質量為2 kg,氣室壓力為5 MPa)。從圖2中可以看出,炮口初速隨著氣室容積的增大先增大后減小,而內彈道數值仿真結果表明炮口初速隨著氣室容積增大而增大。

圖2　炮口初速隨氣室容積的變化規(guī)律對比

進一步分析理論計算與數值仿真結果不一致的原因,對一級氣體炮內彈道經典方程的推導過程進行梳理,發(fā)現經典方程中氣體密度ρ的表達式為[12]

(2)

式中:m0為氣體質量。

式(2)中將氣體密度ρ定義為氣體質量與炮管容積之比,沒有考慮氣室容積的大小。當氣室容積相對于炮管容積較大時,若忽略氣室容積就會導致氣體密度顯著變大,從而使得氣體的附加質量效應人為變大,導致炮口初速變小,甚至出現氣室容積越大炮口初速反而越小的情況。故分析認為,當氣室容積相對于炮管容積較大時,一級氣體炮內彈道經典方程的氣體密度表達式中忽略氣體容積是不合理的。

2　氣體炮內彈道修正方程推導

根據前文的分析,氣體密度表達式應考慮氣室容積,將氣體密度ρ修正為

(3)

基于修正的氣體密度表達式,對內彈道方程進行推導,具體過程如下。

根據彈后氣體質量守恒方程,并假設任一時刻彈底和膛底之間的氣體密度ρ為常量[3],則彈后氣體速度vx為

(4)

式中:v為彈丸速度,x為氣體微團距炮管左端面的距離。

根據氣流動量方程,彈后氣體的壓力分布為

(5)

式中：pd為彈底壓力。則膛內平均壓力p為

(6)

根據彈丸運動方程,并引入阻力系數φ1和動態(tài)虛擬質量系數φ′,則彈丸的加速度為

(7)

由式(7)有:

(8)

將式(3)和式(5)代入式(6),并與式(8)聯立求解,可得虛擬質量系數φ′的表達式:

(9)

氣體炮內彈道經典方程[4]中虛擬質量系數φ表達式為

(10)

對比式(9)和式(10)可以看出,修正方程的虛擬質量系數表達式與經典方程明顯不同。

根據熱力學基本方程,平均膛壓為

(11)

將式(9)和式(11)代入式(7)并積分,可以得到:

(12)

式(12)即為一級氣體炮內彈道修正方程。

3　氣體炮內彈道修正方程驗證

為了驗證修正方程的正確性和適用性,將修正方程的計算結果與數值仿真結果進行對比。數值仿真在流體仿真軟件Fluent平臺下進行,采用了與修正方程相同的假設,進行了不同工作氣體(空氣、氦氣、氫氣)、不同氣室容積下的彈丸膛內運動過程仿真。

具體仿真方法:采用二維軸對稱模型,使用結構化網格對計算域進行離散。由于彈丸發(fā)射過程中流場計算區(qū)域網格隨著彈丸的運動會不斷變化,數值仿真應用彈簧近似法和動態(tài)分層法相結合的域動分層網格更新技術對計算模型進行處理。彈丸受力通過Fluent求解器對彈表面壓力積分獲得(不考慮彈前壓力),加速度根據彈丸受到的氣體壓力由牛頓第二定律計算獲得,彈的速度和位置通過對加速度進行積分求解獲得。

編寫自定義彈丸運動UDF程序嵌入Fluent求解器控制彈丸運動,采用密度基Couple算法對彈丸發(fā)射過程中的流場進行計算,并得到彈丸在膛內任意位置的速度及炮口初速。

主要仿真參數:氣室容積分別為4.71 L,18.84 L,75.36 L;氣室壓力為5 MPa;彈丸質量為2 kg;炮管直徑為80 mm;彈丸膛內運動行程為1 m。

當氣室容積為18.84 L,工作氣體為空氣時,彈丸出炮口時的流場壓力p分布如圖3所示。

圖3　彈丸出炮口時的流場壓力分布

不同工作氣體、不同容積比r情況下的數值仿真結果與修正方程計算結果、經典方程計算結果的對比如表1和圖4所示,其中,e為修正方程與數值仿真結果炮口速度的偏差,容積比r為

(13)

圖4　炮口初速隨容積比的變化規(guī)律對比

工況2下彈丸速度與其在炮膛內的運動行程關系如圖5所示。

圖5　彈丸速度隨其行程的變化規(guī)律(空氣)

從圖4、圖5可以看出:

①當容積比較小時,經典方程和修正方程的炮口初速曲線基本上是重合的,且與數值仿真結果吻合;但隨著容積比的增大,修正方程的炮口初速逐漸增大,與數值仿真結果吻合,而經典方程的炮口初速是先增大后減小。

②氣體的摩爾質量越小,經典方程和修正方程的差別越小,這是因為氣體摩爾質量小時式(9)和式(10)的差別小,引起的炮口初速偏差也小。

③經典方程、修正方程和數值仿真得到的彈丸在膛內運動速度的變化規(guī)律相同,但修正方程與數值仿真結果在數值上更為接近,說明修正方程的計算精度更高。

4　討論

一級氣體炮內彈道經典方程提出較早,且也在實踐中得到了應用,從一些公開文獻[2]中看,在容積比較小的情況下,經典方程的計算結果與實測結果的偏差并不大,說明經典方程在容積比較小時是適用的,可以滿足工程設計精度的要求。但一級氣體炮內彈道經典方程的密度表達式忽略了氣室容積大小,導致在容積比較大時炮口初速的變化規(guī)律不正確,說明經典方程不適用于容積比較大的情況。

由于氣體炮的氣室容積往往比較大,容積比也較大,若忽略氣室容積大小的影響,則可能引入較大的誤差甚至錯誤。因此修正方程基于氣室容積不能忽略的考慮,通過修正氣體密度表達式,重新推導出炮口初速的表達式。修正方程與經典方程和數值仿真結果的對比表明:在容積比較小時,三者的計算結果基本一致;但在容積比較大時,修正方程的炮口初速變化規(guī)律與數值仿真結果一致,而與經典方程明顯不同,進一步驗證了修正方程的正確性和適用性。

5　結論

本文基于氣室容積不能忽略的考慮,對炮管內氣體密度表達式進行了修正,聯立推導出一級氣體炮內彈道修正方程,并將修正方程與經典方程和數值仿真結果進行對比,分析結果表明,經典方程僅適用于容積比較小的情況,而修正方程的適用范圍不受容積比大小的限制。修正方程在一定程度上更準確地揭示了炮口初速隨氣室容積的變化規(guī)律,可以用于指導設計,并提高炮口初速在設計階段的估算精度。根據修正方程進行理論設計,設計可行域較經典方程大,可增加設計的靈活性。

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Modification and Validation of Interior Ballistic Equation for One-stage Gas Gun

LI Feng,BAI Yun-shan,FENG Xiao-wei

(Institute of System Engineering,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621999,China)

In order to improve the accuracy and reliability of the theoretical calculation result,the classical equation for interior ballistics of one-stage gas gun was modified.The problem of classical equation was analyzed.The result shows that the influence of air chamber volume on bullet velocity can not be ignored.A new expression of gas density was presented.According to the equation of mass conservation,the momentum equation of flow,the motion equation of projectile,the adiabatic expansion equation of gas and ideal-gas equation,the modified equation of one-stage gas gun were deduced.The calculation results of muzzle velocity by classical equation and amendatory equation were compared to the result of numerical simulation of interior ballistics.The results show that the muzzle velocity obtained by above mentioned three methods is almost same when the volume ratio of air chamber to gun barrel is very small,but the differences between the results obtained by classical equation and the results obtained by the modified equation and numerical simulation increase markedly with the increase of volume ratio.The classical equation is only suitable for calculating velocity of gas gun with small volume ratio,and the modified equation can be used without volume ratio limit.

gas gun;interior ballistics;muzzle velocity;volume ratio

2014-09-02

中國工程物理研究院高新裝備專項

李鋒(1980- ),男,工程師,碩士研究生,研究方向為氣體炮設計及氣體驅動技術。E-mail:15983633005@163.com。

TJ012.1

A

1004-499X(2016)01-0014-05