燃烧产物特性对燃气弹射内弹道与载荷的影响研究

为了研究燃烧产物特性对燃气弹射初容室二次燃烧流场、内弹道和载荷的影响,采用Realizable k-ε湍流模型、域动分层动网格技术和有限速率/涡耗散模型,建立包含动边界的初容室二次燃烧流动模型。通过与实验数据对比,验证了燃气弹射模型的有效性。数值研究了燃气发生器喷管入口燃烧产物压力和组分浓度比值对燃气弹射内弹道和载荷的影响,计算得到了满足导弹出筒要求的喷管入口压力和组分浓度比值的变化范围。数值研究表明：随着燃气发生器喷管入口压力的增大,初容室中O₂完全消耗的时间变短,导弹出筒时间缩短,出筒速度增加,加速度峰值增大;随着喷管入口CO与H₂浓度比值的增大,初容室中O₂完全消耗的时间变长,导弹出筒时间延长,出筒速度减小,加速度峰值减小。研究结果为燃气弹射内弹道设计提供了理论基础。     

开口向上的环形腔宽度对弹射载荷的影响

为了研究开口向上的环形腔宽度对低温燃气弹射初容室内载荷的影响,采用计算流体动力学方法,结合SST湍流模型、有限速率／涡耗散燃烧模型和域动分层动网格技术,建立密闭空间导弹弹射过程二次燃烧模型。在与实验对比验证的基础上,结合数值模拟研究了开口向上的环形腔宽度对低温燃气弹射载荷的影响。结果表明：环形腔宽度为110 mm时,弹射载荷变化最平稳,且无明显双峰现象。研究结果为导弹燃气弹射的初容室结构设计提供参考。     

不同障碍物对燃气弹射平滑压力效果对比分析

针对导弹燃气弹射压力双波峰冲击的问题,建立了含二次燃烧和尾罩运动的二维轴对称数值模型。在验证了模型真实性的基础上,以相似结构设置为对比基准,分析了3组障碍物设置对弹射内弹道流场的影响。结果表明:环形隔板与环形腔都能有效的延迟发生二次燃烧的时间,减弱二次燃烧的冲击,改善发射筒内的热环境。Angle=0°环形腔比等高环形隔板更能消除"双峰"现象,级减环形隔板比Angle=-2°环形腔平滑压力效果更好,Angle=2°环形腔比级增环形隔板更能减弱燃气对于筒底的压力,减小筒底烧蚀。     

二次燃烧对燃气弹射内弹道影响三维数值研究

为了进一步研究二次燃烧对燃气弹射内弹道的影响,采用三维非稳态雷诺平均Navier-Stokes方程和重整化群湍流模型对燃气弹射过程进行数值研究,运用动态分层动网格技术模拟尾罩的运动。与实验结果对比表明,二次燃烧工况获得的内弹道参数更接近实验值。数值研究结果进一步表明:多组分工况获得的燃气与空气接触面光滑,而二次燃烧工况接触面呈现褶皱现象; 初容室内氧气质量分数的变化规律表明,二次燃烧现象发生在燃气发生器工作后的0.2 s内。受初容室内二次燃烧影响,弹射加速度呈现初期时二次燃烧大于多组分工况,后期多组分工况大于二次燃烧工况现象; 二次燃烧现象提前了飞行器的出筒时间,减小了飞行器的出筒速度。     

燃气弹射发射筒内燃气-空气二次燃烧现象研究

燃气发生器喷出的燃气射流与发射筒内空气发生二次燃烧现象对导弹发射装置产生强烈的热冲击和烧蚀。为了研究含运动边界的发射筒内二次燃烧现象,采用三阶精度MUSCL格式求解9组分10步H₂/CO基元化学反应动力学模型,使用域动分层网格更新方法模拟导弹运动。在与燃气自由射流冲击平台效应实验数据对比验证的基础上,分析了发射筒内二次燃烧现象对发射筒内流场和内弹道的影响以及筒内燃气-空气二次燃烧产生的原因。数值结果表明:二次燃烧不仅影响温度场分布,而且影响导弹的内弹道特性; 发射筒内二次燃烧现象是由于燃气发生器喷出的可燃成分与发射筒内O₂发生了强烈的化学反应导致的。研究结果对燃气弹射导弹内弹道设计提供了一定的理论基础。     

车载同心筒发射筒口流场影响因素数值研究

为了研究车载同心筒结构对导弹点火时筒口流场的影响,采用11组分12步H2/CO化学反应动力学模型,对导弹自力发射点火阶段燃气流场进行数值研究。研究了燃气组分发生化学反应对同心筒筒口流场的影响,结果表明研究筒口流场时需要考虑燃气射流组分的二次燃烧,研究了外筒高度和内筒尾部收敛角对筒口流场的影响,结果表明降低外筒高度、增加内筒尾部收敛角均能够减小燃气流对导弹顶部的热冲击。     

同心筒发射燃气流二次燃烧数值研究及导流板结构改进

针对同心筒热发射燃气射流二次燃烧冲击效应问题,采用3阶精度的MUSCL格式求解11组分12步基元化学反应动力学模型,弹体运动运用域动分层网格更新方法,数值模拟了同心筒发射H₂/CO混合燃气流场。在燃气自由射流二次燃烧数值模拟结果与文献实验数据对比验证的基础上,分析了同心筒发射燃气流含化学反应的流动特点,以及在导弹出筒时筒口导流板结构对弹体的影响。数值结果表明：在筒外燃气与空气混合区域出现明显的二次燃烧,而在筒内二次燃烧几乎可以忽略;当弹底出筒后,从内外筒间隙排除的燃气、导弹尾部燃气射流和弹底之间相互干扰,形成反溅激波;反应流流场轴线温度高于冻结流和单一组分流流场轴线温度;导流板结构能明显降低弹体表面温度,其高度最优值在1.5倍内外筒间隙附近。研究结果对同心筒发射装置结构优化设计具有一定理论参考意义。     

喷水孔数量对燃气-蒸汽弹射内弹道的影响

以含水室的燃气-蒸汽弹射动力装置为研究对象,采用Mixture两相流模型、k-ε湍流模型和域动分层动网格技术,研究了不同喷水孔数量对燃气-蒸汽弹射内弹道的影响。研究表明:随着喷水孔数量的增加,燃气进入弯管和发射筒内阻力逐渐增大,弹射装置内冷却水消耗完的时间逐渐缩短,弹射过程中的最大压力峰值逐渐降低。同时,喷水孔的数量对0.1~0.4s时间内的发射筒内的温度影响较大,对0.55s以后发射筒内的温度影响较小。喷水孔数量的增加引起发射筒内混合气体动能的降低,导致导弹的出筒时间延长和导弹的出筒速度降低。研究结果为燃气-蒸汽弹射喷水方案设计提供了理论依据。     

一种基于定容内弹道的自适应底座试验技术

自适应底座是导弹弹射过程中发射筒的主要承压及传载部件。全药量弹射动力装置的发射筒自适应底座试验花费较大的人力、物力与财力。因此,提出一种基于定容内弹道的自适应底座试验技术。该试验技术通过缩比初容室及燃气发生器组合,模拟发射装置冷弹射过程中初容室内弹道,进而测得自适应底座动态压力载荷。从理论分析及试验两方面获得定容内弹道曲线,并同真实弹射内弹道曲线进行对比,结果表明:两种曲线结构相近,模拟峰值偏差不大于5%,试验测得的自适应底座附加载荷正确,试验技术可行。基于定容内弹道的自适应底座试验技术成本低,操作步骤简便,可应用于气囊、尾罩等动态加载试验技术,具有较高的实用价值。     

新型推力可控垂直发射装置及其内弹道规律

为提高发射装置的通用性,提出了一种新型“类同心筒”弹射装置——推力可控垂直发射装置。通过零维内弹道计算和三维内弹道仿真两种方法,分析了低压室燃气出口面积对发射装置内弹道性能的影响;通过多项式拟合得到了低压室燃气出口面积与弹射最大加速度、出筒速度、出筒时间的关系式,并对拟合关系式进行了验证;研究结果表明：改变低压室燃气出口面积控制发射装置推力是可行的;导弹出筒时间、出筒速度、最大加速度随低压室燃气出口面积近似线性变化——低压室燃气出口面积减小,导弹最大加速度增大,出筒速度增大,出筒时间减小;拟合关系式的弹射最大加速度误差在8%以内,出筒速度与出筒时间误差在4%以内。     

上浮式水面发射筒弹射内弹道特性

为研究新型上浮式水面发射筒弹射内弹道特性及其影响因素,采用Realizable k-ε湍流模型、Mixture多相流模型以及动态分层技术,建立考虑上浮速度影响的弹、筒弹射模型。对弹筒模型在水面与地面上的弹射过程分别进行数值模拟,对比分析二者的内弹道性能与筒内流动变化规律,并研究发射筒出水速度对水面发射内弹道性能的影响。对比结果表明,水面发射的弹、筒相对运动快于地面发射的相对运动,使得水面发射的燃气做功用时比地面发射的用时少14%,水面发射弹体受到的最大载荷比地面发射小20%;由于水面发射中发射筒具有相对较高的设定出水速度,水面发射弹体的出筒速度大于地面发射的出筒速度。流动分析表明：在设定的出水速度条件下,水面发射过程中燃气不会直接与水面发生作用,无相变耗能过程。影响因素分析表明,在安全发射条件下,出水速度主要通过改变水对筒的作用力来影响弹、筒的相对运动速度,但燃气对筒的作用力远远大于水对筒的作用力,使得出水速度对弹、筒相对运动的非线性影响几乎可以忽略,出水速度的改变几乎不会影响弹体的出筒速度增量。     

燃烧轻气炮发射过程数值模拟与优化

针对常规火炮理论初速极限较低的问题,基于氢氧燃烧特性建立燃烧轻气炮的内弹道内模型。根据燃烧轻气炮原理得到影响燃烧轻气炮內弹道性能的参数,采用粒子群优化算法对发射装置结构和内弹道参数进行优化,使用Fluent耦合Chemkin的方法进一步验证了内弹道数值仿真优化结果。结果表明：优化后装置的初速略微下降,燃烧室的初始压力和最大膛压大幅度下降,研究结果在燃烧轻气炮初期研究阶段具有较高的参考价值。     

两级提拉式单侧弹射装置内弹道建模与优化

为延长导弹压缩空气弹射的有效推力行程,提出一种新型两级提拉式单侧冷弹射方案。采用Peng-Robinson真实气体方程,建立了弹射内弹道模型;在Simulink中搭建内弹道求解模块、在ADAMS中建立了冷弹射方案的虚拟样机,以气缸输出力、气缸位移和速度为状态变量,实现联合仿真,获得了内弹道参量的变化规律,并基于小型原理样机试验对仿真结果进行了验证。验证结果表明：第1级低压室压强先升后降;气缸换级过程中,低压室温度、压强与导弹加速度发生突变,但对导弹速度、位移影响较小。以气源容积最小为目标函数,选定约束条件和设计变量,应用遗传算法进行优化设计。优化后的气源容积降低了64.5%,优化结果大大提高了发射装置的机动性。研究结果验证了新型两级提拉式单侧冷弹射方案的可行性。     

射流干扰实现激光点火光学窗口防污的数值模拟及优化

为解决模块装药激光点火系统中,污染和烧蚀引起光学窗口透光性下降,导致激光点火系统不能正常工作 的问题,提出了用射流干扰的方法实现光学窗口的重复利用,使激光点火系统可靠性得到了提高。内弹道耦合计算分析膛内和扰流空腔之间的两相流动,证明该方法原理可行。建立颗粒轨道模型,对颗粒污染物在空腔内的运动和射流干扰方法的防污染效果进行了数值模拟,对比了不同结构参数对流场结构以及防污效果的影响。结果表明：防污染效果随着扰流空腔尺寸的减小而变差;对中等口径火炮,可通过增加闩体厚度以增加扰流空腔轴向尺寸和加装屏蔽管等方式来增强保护效果;增大扰流孔的角度,增加扰流空腔的轴向尺寸可以增强防护效果。     

变燃速发射药膛内燃烧与内弹道过程研究

为了更好地描述与研究变燃速发射药膛内实际燃烧与内弹道过程,对30 mm火炮在两种装药量下应用内弹道势平衡理论求其势平衡点的位置及该点处的各参数。以坡膛处实测压力—时间曲线为标准求变燃速发射药膛内燃气的实际燃烧生成函数,用膛内实际燃气生成函数代替几何燃烧定律假设下的燃气生成函数,求解以势平衡态作为标准态的内弹道相似方程,并转化为弹道解。结果表明:应用内弹道势平衡理论描述和分析变燃速发射药膛内燃烧规律是可行的,拓展了其适用范围;通过对实际燃气生成函数的分析可以定性和定量地判断与研究变燃速发射药的燃烧性能;以变燃速发射药膛内实际燃气生成函数为基础求出弹道解具有准确性和可操作性。