李海峰　成佳淇　霍天暢

摘 要 針對目前的滅火彈發(fā)射裝置在技術(shù)上的不足，依托“某消防單位與某高校聯(lián)合研制生產(chǎn)一種智能滅火彈”項目，分析在發(fā)射裝置增加拉瓦爾噴管對氣體加速作用的可行性，使滅火彈獲得更高的彈丸出口初始速度。相較傳統(tǒng)滅火彈發(fā)射裝置，改新型發(fā)射裝置性能有很大提升。

關(guān)鍵詞 滅火彈 發(fā)射裝置 拉瓦爾噴管

中圖分類號：TH11文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0前言

大型油罐、氣罐、化學(xué)液罐、高樓和森林著火，已經(jīng)成為民生和環(huán)境安全的重要威脅。關(guān)于遠(yuǎn)距離滅火，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，已開發(fā)出一些產(chǎn)品，如82mm和105mm迫炮發(fā)射滅火彈。但這些產(chǎn)品在技術(shù)上都存在一個嚴(yán)重的問題，就是使用延遲或碰撞后拋撒滅火劑，這些造成滅火效率下降，滅火劑拋撒功能無法有效實現(xiàn)，有的甚至飛過火場，因此失去效能。另外，使用迫擊炮等大型發(fā)射平臺靈活性不足，成本太高，安全性不高等缺點，不適合消防單位使用。

本文依托“某消防單位與某高校聯(lián)合研制生產(chǎn)一種智能滅火彈”項目，為滅火彈發(fā)射平臺配套設(shè)計和研發(fā)一種體積小，推力大，重量輕的新型噴管式發(fā)射裝置。

1拉瓦爾噴管的構(gòu)造

典型的拉瓦爾噴管一般有收縮段、喉口、擴張段三部分組成。

1.1收縮段

收縮段的作用是將氣流從低速即小于馬赫數(shù)加速到音速。因為收縮段的初始部分氣流速度比較低，所以從橫截面的中心管到收縮段必然有個過渡。收縮段的長度通常取定于收縮段的半錐角 ，中心管直徑，喉口直徑。按理想從橫截面的中心管到圓錐形收縮段應(yīng)當(dāng)逐漸過渡，交接處圓滑一些比急劇的轉(zhuǎn)角為好，這主要是為了避免噴頭內(nèi)應(yīng)力集中及使氣流平緩。

收縮段的半錐角一般選取比較大，可為30埃貝郵賬醵蔚膠砜詮剎糠鐘猛桓齟籩虜槐淶那拾刖叮淝拾刖渡源笥諍砜詘刖毒涂梢粵耍庋齙哪康氖俏聳構(gòu)煞淺9饣推交骸？

1.2 喉口部分

理論上講，只要喉口上游和下游的截面積變化足夠平緩，喉口的長度可以為0。但是這樣的噴管難于制作，為了方便收縮段與擴張段的加工，喉口應(yīng)有一定的長度。一般橫截面喉口的長度不超過喉口直徑。因為隨喉口長度增大，喉口有效截面積減少，反而會造成噴出系數(shù)減少。

1.3 擴張段

擴張段半頂角的適用范圍一般采用5白笥搖R蛭┱漚翹螅諗繽煩隹詿Σ募げū冉涎現(xiàn)兀賈律淞骼┥⒈冉峽歟煥┱漚翹。虺羲僂ǖ籃艸ぃ矯娌愎窈筒沽λ鶚?。喉吭懡扩张段的辜啨Ｉ用突庚e籩虜槐淶那拾刖丁4永┱哦蔚腳繽范嗣嫦嘟淮τ幸恍〉那拾刖段茫蟮那拾刖痘崾寡跗淞韃晃榷ǎ跎倨浯┩改芰Α？

2改進(jìn)方案和模型計算

2.1 改進(jìn)方案

氣體炮的主體主要由氣室、身管組成，傳統(tǒng)的氣體炮氣室和身管是直接相連的，如圖1（a）所示。由于氣室和身管的半徑不同，在連接處出現(xiàn)拐角，不利于氣體通暢流過，因此需要對傳統(tǒng)連接部分進(jìn)行改進(jìn)。

拉瓦爾噴管可增加噴管內(nèi)氣體流動的速度，但由于其喉部的存在，導(dǎo)致氣體流量有所減小，然而只要設(shè)計得當(dāng)，拉瓦爾噴管對彈丸初速仍然有加速作用。針對拉爾瓦噴管連接部分的改進(jìn)二維結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示

（a）

（b）

2.2 模型計算

對于定常、絕熱的氣體，其在等截面直管內(nèi)流動的狀態(tài)取決于其初始的流動狀態(tài)。如果它在管內(nèi)初始的流動是亞音速流動狀態(tài)，則隨著流程增加，馬赫數(shù)M會增加，氣體壓強p減小;如果它在管內(nèi)初始的流動是超音速流動狀態(tài)，則馬赫數(shù)M隨流程增加會減小，氣體壓強p增加。

當(dāng)噴管喉道處馬赫數(shù)時，由公式：

可以看出若想提高渦輪機或者火箭發(fā)動機的噴管工作效率，喉道處氣流馬赫數(shù)M=1時效果最好，因此設(shè)計時應(yīng)盡可能使得喉道處氣流馬赫數(shù)M接近或等于1。當(dāng)亞音速氣體在收縮型噴管中的速度達(dá)到極限時，需要一個擴張型噴管來對該氣體繼續(xù)加速。拉瓦爾噴管就是按這種原理實現(xiàn)亞音速氣體跨音速流動的一種裝置。

2.2.1 滅火彈初速計算

仿照傳統(tǒng)火炮的彈道學(xué)理論作出以下假設(shè)：

發(fā)射介質(zhì)為理想氣體，不考慮氣體的黏性和氣體與壁面的摩擦;考慮到彈丸發(fā)射的時間較短，氣體初始溫度為常溫，近似認(rèn)為發(fā)射過程中氣體和外界來不及進(jìn)行熱交換;將摩擦力等所做的無用功折算到彈丸質(zhì)量上，通過虛擬質(zhì)量系數(shù)來表示這種折算。

由彈丸運動方程：

氣體狀態(tài)方程：

式中：為氣體炮身管橫截面面積;為彈丸質(zhì)量;為彈丸行程;為彈丸對應(yīng)于行程的速度;為氣室初始?xì)鈮?為氣室容積;為彈丸行程為時彈后空間平均壓力;為絕熱指數(shù)。

聯(lián)立兩式得彈丸初速公式：

式中：為彈丸的初速;為身管的長度。

帶入?yún)?shù)計算得：

2.2.2 噴喉面積的計算

由公式：

式中：為氣體流量;為氣體的等壓熱容與等容熱容量之比。對于氧氣：;為氣體常數(shù)。對于氧氣：為工作壓力;為氣體溫度;為噴喉面積。

帶入數(shù)值計算得：

計算結(jié)果如下表1。

3結(jié)束語

本文通過在發(fā)射裝置中添加拉瓦爾噴管并進(jìn)行大斜面改進(jìn)，增加彈丸的出口初始速度，來達(dá)到優(yōu)化滅火彈發(fā)射裝置的目的。改進(jìn)后的發(fā)射方案相較于過去的方案彈丸出口初始速度更大。能夠滿足快速將滅火彈射到指定位置的設(shè)計要求。

參考文獻(xiàn)

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