药柱燃速对底排工作过程及底排弹射程影响的数值模拟

为了研究底排药柱燃速对底部排气弹底排装置工作过程和射程的影响,采用计算空气动力学和质点外弹道学耦合的方法求解底部排气弹的飞行弹道,研究了底部排气弹在整个减阻阶段底排装置工作参数、工作状态、底排流场等随时间的变化,分析了药柱燃速对底部排气弹工作过程和射程影响。结果表明:数值模拟结果与制式底部排气弹靶场试验结果吻合,说明建立的计算模型合理;燃速调整系数由0.8提高到1.2时,燃烧时间由36.8 s减少到18.4 s,射程由38.12 km下降到36.21 km,增程率由33.32%下降到26.64%;不同底排药柱燃速的底部排气弹在减阻阶段的排气参数均随时间的增加而呈先增大后减小的趋势;采用高燃速底排药柱的底部排气弹排气质量流率相对于低燃速的底部排气弹较大,但减阻效果并没有明显提高。     

基于药柱变燃速燃烧的底排减阻增程方法

为了深入研究底部排气弹减阻增程的特性,进一步提高弹丸的射程。针对国内某155 mm底排弹,建立了不同燃速燃烧的底排药柱、变燃速燃烧的包覆药柱和药柱包覆层位置的变化三种情况下的燃烧模型,模型中引入了燃速改变系数,并通过数值计算分析了其对底排弹减阻和增程的影响。结果表明,当燃速改变系数从0.7增加到1.2时,底排工作时间减少27.08 s,射程减少1.16 km,增程率减少3.86%;变燃速燃烧的药柱在内层采用高燃速燃烧,外层采用低燃速燃烧的增程率可达32.33%;对药柱分层燃烧位置优化后,在距药柱内环约1/4处有最佳射程39.76 km。因此,可以通过寻求底排药柱最优的分层位置,采用变燃速燃烧的方法来改善底排弹减阻增程特性,且这种方法具有普遍适用性。     

排气能量对底部排气弹气动特性影响的数值模拟

远程压制武器在现代战争中的作用越发凸显,各种增程技术成为现代火炮技术研究的重要方向,而底排减阻是重要的方法之一。底排药剂燃烧产生的气体含有相对较高的能量,重点研究底排气体能量对底部排气弹气动力特性的影响。建立底排能量边界条件,采用添加人工粘性项的MacCormack差分格式求解三维Euler方程组,数值求解绕底部排气弹弹丸流场,得到底部阻力等气动力系数。分析表明,能量是影响底部排气弹气动力特性进而影响减阻增程效果的重要因素之一,在一定条件下提高底排气体温度,有利于增大弹丸射程。研究结果可为进一步研究底部排气弹减阻增程提供参考。     

基于计算流体力学与质点弹道耦合的底部排气弹工作过程以及射程预示

基于计算流体力学的优点以及目前底部排气弹射程预示问题,采用计算空气动力学和质点外弹道学耦合的方法求解底部排气弹的飞行弹道,获得在整个减阻阶段底部排气弹底排装置工作参数、工作状态、底排流场等随时间的变化规律。研究结果表明：不同海拔发射的底部排气弹在减阻阶段的排气参数均随着时间的增加而呈增大的趋势,但在减阻末阶段,变化趋势变缓;随着海拔高度的增加,阻力系数随时间的增大而增加的趋势变得平缓,甚至会出现下降的趋势;在海拔0 km发射的底部排气弹在减阻阶段前期,底排装置以底排减阻模式工作,到减阻阶段中后期,底排装置的工作模式介于底排减阻模式和火箭增程模式之间。     

基于遗传粒子群算法的底排参数优化

为优化底排装置结构和药柱燃速系数,以某型底部排气弹为例,分析确立了设计变量和目标函数,综合遗传算法和粒子群优化的优点,设计了遗传粒子群优化算法,结合建立的底排内外弹道模型,构建了基于GA-PSO的底排参数优化模型。算例中优化方案能增加底排弹的减阻率,底排工作时间延长9.56 s,落点存速增加6.01 m/s,最大射程增加1 892.95 m,增幅5.02%。该文设计的GA-PSO具有较好的稳定性和较快的收敛速度,优化模型可以为底部排气弹底排装置的设计提供参考,也可以作为其他相似寻优问题的基本模型。     

底部排气弹增程率的确定

本文提出了底部排气弹极限增程率与最大可能增程率的概念及计算方法.论述了减阻率与增程率的关系,提出了在论证与总体设计阶段,利用最大可能增程率设计底部排气弹的方法,本文为充分发挥底排增程效果.进行底部排气弹的优化设计提供了基础.     

底部排气弹极限增程率与最大可能增程率的计算分析

本文从极限增程率和实际极限增程率的关系出发,引入了最小底排工作时间的概念.在对最大可能增程率的理论分析上,提出了底排工作段减阻率的弹道平均值的概念,并根据射程增加量与总阻减阻率之间的关系,给出了最大可以增程率的一个下限值及达到下限值的条件.并举例计算了极限增程率、实际极限增程率和最小底排工作时间,对底排工作段的各时间区段的排气参数进行了层权分析,给出了对增程率影响较为显著的底排工作时间段.最后提出了利用最大可能增程率进行底部排气弹弹道设计的一般方法.     

底排弹排气药剂燃速的确定

接离散系统最优控制理论（DP法)对制式弹改为底排弹进行了最大增程设计。确定了底排药剂的动态优化最佳燃速，并与利用减阻率冲量概念(SRI法)的计算结果加以比较，相近的结果表明了该方法的可行．但DP法理论依据较新，SRI法计算量较小。     

底排药剂成份对底排弹减阻增程影响的实验研究

介绍了底排药剂成份对底排弹减阻增程气动力性能影响的实验结果．实验采用预混合可燃气模拟真实底排药剂，改变其化学反应氧平衡系数和热值，研究了这些参数变化对底排弹减阻增程气动力性能的影响     

底排药剂成从对底排弹减阻增程影响的实验研究

介绍了底排药剂成份对底排水弹减阻增程气动力性能影响的实验，实验采用预混合可燃气模拟真实底排药剂，改变其化学反应氧平衡系数和热值，研究了这些参数变化对底排弹减阻增程气动力性能的影响。     

底排点火具在大气中燃烧火焰扩展特性

底部排气弹射程和纵向密集度与点火具的工作性能密切相关。采用高速录像系统和红外热像仪研究了大气环境中,镁/聚四氟乙烯(MT)(Mg/PTFE 45/55、Mg/PTFE 55/45、Mg/PTFE 61/39)、硝酸钡(Ba(NO_3)_2)和氢化锆/氧化铅(ZrH_2/PbO_2 40/60)五种点火药剂在不同点火具孔径(6.5,8mm)下的燃烧扩展特性,并测得七种点火具的火焰温度场分布。在实验基础上,以基于内节点的有限体积法对MT点火具的燃烧射流场进行三维数值模拟,分析了不同MT质量比和点火具孔径下点火具在大气中的燃烧特性参数分布规律。实验和数值结果表明:ZrH_2/PbO_2点火具会破坏底排推进剂的"平行层"燃烧规律;提出以点火面积有效因子表示推进剂点火面积的有效程度,并结合点燃时间综合评估点火具的点火性能,发现MT质量比为61∶39,孔径为8mm的点火具性能最优;点火具火焰最高温度区均位于喷孔的势流核上方;镁质量分数为0.45~0.61时,镁含量越小,MT点火具燃烧场中火焰温度越高,镁含量一定,点火具孔径为6.5,8mm时,较大孔径有较强烈燃烧场热对流,较高中心轴向温度,较大温度梯度。     

基于全膛烧蚀磨损特征的火炮内弹道仿真研究

为提高烧蚀火炮内弹道仿真精度,在文献\[1\]火炮烧蚀内弹道理论基础上,保持火药几何燃烧定律、火药燃速定律和体现起始部膛线烧蚀的弹丸起动压力方程不变,通过对变炮膛截面积、变药室容积、弹后烧蚀容积增量等全膛烧蚀磨损特征的分析和计算,建立体现全膛烧蚀的弹丸运动方程和内弹道基本方程,从而建立烧蚀磨损内弹道模型。借鉴经典内弹道诸元解算方法,导出烧蚀磨损内弹道模型解算方法。以某火炮试验数据为例进行仿真烧蚀磨损内弹道计算,仿真结果表明：初速仿真值与试验值误差为0.9%,能够满足火炮工程实践3%的仿真误差要求;仿真精度优于文献\[1\]的火炮烧蚀内弹道方法,证明了所建立的烧蚀磨损内弹道模型和诸元解算方法是正确的,可用于烧蚀磨损火炮身管寿命预测。     

药型尺寸对变燃速发射药燃烧渐增性的影响

采用经典密闭爆发器的方法,研究变燃速发射药的药型尺寸与燃烧渐增性的关系。分析了不同配方、药型尺寸变燃速发射药的燃烧实验p-t曲线、L-B曲线特征,得出了配方、药型尺寸对变燃速发射药的燃烧性能影响规律。研究结果表明:在变燃速发射药内外层配方和层厚度确定时,长径比对燃烧渐增性的影响较为明显,发射药药粒长径比越大,燃烧渐增性越好;对双层结构的变燃速发射药,在一定长径比范围内(1.5/1~2.0/1)适当增加阻燃层中高分子含量有利于改善燃烧渐增性。     

燃烧轻气炮点火对内弹道性能影响的仿真分析

为探索燃烧轻气炮点火对内弹道性能的影响,应用商业软件对其进行仿真分析,通过施加能量模拟点火源,采用计算流体力学方法对燃烧轻气炮内弹道气体流场进行数值模拟分析。计算结果表明:燃烧轻气炮点火源布置对弹底压力波动影响很大,在一定范围内合理增加点火源数量、点火能量和放电时间都可以减小弹底压力波动,但对弹丸初速影响不大。     

某大口径火炮发射弹丸启动压力研究

火炮发射时火药燃气压力将弹丸挤入炮膛,适当的挤进阻力能够减小初速或然误差、提高弹道一致性,是复杂的力学与火药燃烧耦合的过程。经典内弹道理论提出了启动压力假设,当火药燃气平均压力高于启动压力时弹丸开始运动,该假设导致启动压力物理含义不清楚、数值难以确定。本文以弹丸挤进过程和经典内弹道假设为基础,建立了弹底压力冲量与弹丸直线运动动量之间的数学关系,提出了弹底压力的冲量、截尾冲量与虚拟弹丸动量的关系。由于弹丸运动方程的积分形式更能反映出启动压力所具有的冲量物理意义,由此提出了一种确定弹丸启动压力的计算方法。以某大口径线膛火炮发射某榴弹为例,建立了弹丸挤进过程仿真模型,使用光滑粒子流体动力学法对某装药条件下弹带挤进过程进行了模拟,得到了挤进阻力和弹丸运动位移、速度等参数,采用本文提出的数值方法计算了等齐膛线和渐速膛线时弹丸启动压力。在以最大挤进阻力为特征点时,不同膛线形式对启动压力的数值有一定的影响,等齐膛线工况时的启动压力较渐速膛线时的启动压力略大。     

枪炮射击过程中弹丸与身管相互作用及其影响

枪炮射击时,弹丸在发射药燃烧产生的高温高压燃气推动下与身管发生相互作用。弹丸挤进过程对枪炮内弹道循环有重要影响,其本质是弹丸（弹带）与身管膛壁间的高速冲击摩擦并伴有大变形。弹丸在挤进过程结束后沿导向部向前加速运动过程中,弹带表面发生熔化磨损的几率增大。准静态和实弹射击动态测定的挤进阻力值差别明显,原因在于加载方式不同,摩擦副材料的应变率效应导致其力学性能发生改变,进而影响摩擦学性能,宏观上表现为挤进阻力的变化。发展新型冲击加载实验方法是揭示弹丸挤进过程内在机理的关键手段。弹丸与身管相互作用的深入研究将有助于枪炮和弹药的优化设计、制造与使用。     

底排装置工作不一致性对射程散布影响的研究

底部排气弹与传统制式弹相比的主要特点是射程远但散布大。影响其射程散布的重要因素之一就是底排装置工作的不一致性。通过建立底部排气弹底排装置内弹道和外弹道计算模型,基于独立随机假设理论,采用数值模拟方法,计算分析了由于点火具点火延迟时间、底排装置工作时间和底排药剂部分脱落造成质量偏差的不一致性对射程散布的影响。得到了平均单位点火延迟时间、底排装置工作时间和质量偏差引起的射程改变量。对于单位点火延迟时间引起的射程改变量630m与试验结果667m吻合较好,故在此基础上的计算模拟结果具有一定的工程应用参考价值。     

基于非层次型改进二级求解技术的大口径火炮多学科优化设计

以某大口径火炮为研究对象,研究该火炮弹-炮-药一体化设计中弹、炮、药参数的更优匹配关系。基于内弹道、外弹道及终点效应3个子学科的内部耦合关系,以弹丸最大初速、火药利用效率、射程及杀伤面积为优化目标,借助Isight集成优化平台,采用非层次型改进二级求解策略,建立了系统学科及某大口径火炮弹-炮-药一体化多学科优化模型。相比于传统的单目标优化方法,该模型充分发挥了各个子学科的自治能力,借助系统学科的统筹协调,避免了优化目标的过度劣化,实现了火炮综合性能的改善。