高低压室发射弹丸内弹道仿真与试验研究

为了研究高低压室发射弹丸过程中内弹道的参数设计问题,采用经典内弹道理论,结合高低压室发射特点,建立了高低压室发射弹丸内弹道仿真计算模型,设计了一种高低压室发射系统试验装置,对不同喷口大小情况下的高低压室发射弹丸内弹道进行了试验研究,将仿真计算结果与试验结果进行了对比分析,验证了仿真计算模型的合理性。应用该仿真模型分析了高低压室内弹道工程设计中的发射药弧厚、破孔压力、弹丸启动拉力等因素对内弹道性能的影响。研究表明:高压室喷口大小对高压室压力和弹丸初速影响较大,减小喷口半径在一定程度上可以降低火药的能量损失; 发射药弧厚对高低压室内弹道性能影响较大,随着弧厚的增加,高低压室压力降低,弹丸出炮口速度降低; 破孔压力对高低压室内弹道性能影响较小,但应满足高压室内发射药的点火压力要求; 弹丸启动拉力主要影响低压室内压力和弹丸初速,与高压室的压力基本无关。研究结果可为高低压室内弹道结构设计和装药设计提供参考。     

一级气体炮发射冲击响应测试分析

为了获得一级气体炮冲击响应分布特征的时变规律,基于动高压理论构建了一级气体炮的内弹道方程,研制了发射口径为50 mm弹丸质量大于1 kg的一级气体炮,并对不同出膛速度和不同质量弹丸发射响应试验测试,分析了冲击响应时域、频域和时频特征规律。试验测试结果分析表明：构建的内弹道方程能准确描述弹丸质量、压力等参数对出膛速度的关系;频谱密度主要分布在400～460 Hz、732～742 Hz、1 015～1 035 Hz和1 083～1 416 Hz四个频段,冲击响应谱线幅值随弹丸出膛速度呈线性增大,频谱区域分布宽度则线性变窄;弹丸出膛速度对频谱能量密度分布高频时变集中特性更加显著。该研究为气动发射在相关领域应用中的设计、冲击评估提供最基本的响应谱线。     

基于FLUENT软件和内弹道模型双向耦合的超高射频火炮发射过程模拟

弹头阻力计算的准确性直接决定了超高射频火炮内弹道数值模拟的准确性。为了提高超高射频火炮内弹道过程数值模拟的准确性,利用二次开发工具UDF将FLUENT软件和经典内弹道（CIB）模型双向耦合计算超高射频火炮弹前流场,得到了超高射频火炮发射过程中第2发弹丸的弹头阻力,分析了不同射击频率下弹头阻力的变化规律。结果表明：FLUENT-CIB模型双向耦合计算能够得到弹前身管内火药气体各个时刻的流场分布,提高了弹头阻力计算的准确性;弹头阻力在弹丸启动后很快由减小变成增大,增大到某个极大值后又逐渐减小,直到弹丸出炮口,这个变化规律在不同射击频率下普遍存在;射频降低,在弹丸运动前期弹头阻力增幅减小,在弹丸运动后期弹头阻力降幅也减小。弹头阻力计算的准确性直接决定了超高射频火炮内弹道数值模拟的准确性。为了提高超高射频火炮内弹道过程数值模拟的准确性,利用二次开发工具UDF将FLUENT软件和经典内弹道（CIB）模型双向耦合计算超高射频火炮弹前流场,得到了超高射频火炮发射过程中第2发弹丸的弹头阻力,分析了不同射击频率下弹头阻力的变化规律。结果表明：FLUENT-CIB模型双向耦合计算能够得到弹前身管内火药气体各个时刻的流场分布,提高了弹头阻力计算的准确性;弹头阻力在弹丸启动后很快由减小变成增大,增大到某个极大值后又逐渐减小,直到弹丸出炮口,这个变化规律在不同射击频率下普遍存在;射频降低,在弹丸运动前期弹头阻力增幅减小,在弹丸运动后期弹头阻力降幅也减小。     

弹底压力测试技术研究

弹丸在膛内发射过程,要承受高压、高温、高过载的恶劣环境,为了准确测量弹丸在膛内运动过程弹丸底部所受的火药气体的压力,设计了一种小体积内置式的弹底压力测试仪,阐述了其测试原理及实现方法。该测试仪采用存储测试技术、高强度真空灌封工艺及高效缓冲技术,并经过模拟应用环境下的校准考核试验,最终成功获取了某弹丸在发射过程的弹底和膛底的压力数据。该项研究对引信、弹丸及火炮的设计、验收具有重要意义。     

非爆破柔性气缸弹射器研究

研究一种基于压缩气体静音发射的柔性气缸弹射器,实现了在约束且不爆破的情况下对弹射物变距离做功。通过弹射理论分析、仿真计算和实验验证相结合的方法,对柔性气缸弹射器动力学特性进行研究。结果表明：柔性气缸折叠压缩、充气展开弹射能实现对弹射物的发射,弹射过程无爆破现象;弹射器弹射能力受到柔性气缸初始长度、柔性气缸与弹射物的接触面积、柔性气缸压力等因素的影响。在对不同初始长度柔性气缸的弹射能力的研究中发现：柔性气缸初始长度越长、折叠量越大,柔性气缸展开弹射的作用距离就越大,弹射能力也就越强;通过4个1 000 mm×2 000 mm 规格的柔性气缸组在2 MPa压力作用下弹射质量60 t弹射物可产生4.6 MJ能量,可实现对大质量物体的弹射。该研究成果对实现高压气体可控能量释放与大质量弹射技术研究具有参考意义。     

抛放弹机构弹射-回收过程仿真

本文建立了采用气体驱动弹射-回收的抛放弹弹射机构的数值计算模型,用经典内弹道和气体动力学理论分析了火药弹燃烧、弹射活塞完全推离悬挂物(导弹或炸弹)并回缩到初始状态的整个过程.给出了对某型号挂弹钩的实例计算,计算结果与试验结果基本相符.最后简要讨论了不同参数对弹射效果的影响.本文所建立的计算模型为该种弹射装置的优化设计奠定了基础.     

水下火炮气幕式发射过程中燃气射流与液体工质相互作用特性研究

为了研究水下火炮气幕式发射过程中燃气射流与液体工质相互作用的特性,设计了可视化模拟实验装置,采用高速录像系统记录了圆柱形充液室中弹丸运动及气体与液体相互作用的过程特性,得到了弹丸速度与气幕轴向扩展速度随时间的变化关系。对比不同喷射参数条件下实验结果可以发现：弹丸运动速度随着喷射压力的增加而增加;气幕减阻性能随着斜面喷孔尺寸增大得到提升,弹丸运动速度随之增大。在实验基础上,建立了弹丸运动条件下多股燃气射流在液体介质中扩展的三维非稳态数学模型。针对实验工况进行数值模拟,模拟结果中多股燃气射流扩展过程与实验结果一致;对比二者气幕顶部轴向扩展位移值,可以发现计算结果与实测值吻合较好。弹丸运动条件下气幕生成的数值模型的建立,为水下火炮发射过程中身管内气幕生成及减阻机理分析提供了参考。     

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。     

基于粒子法的柔性气缸导弹弹射数值仿真

为进一步提高冷发射装备的可控性、隐蔽性、可重复性和轻量化等作战能力,对一种柔性气缸导弹弹射方式和弹射系统的工作机理进行研究.以粒子法为主要计算方法,对柔性气缸内部的气体射流进行数值计算,结合有限元方法,仿真计算柔性气缸流固耦合工作过程.通过柔性气缸导弹弹射系统实验结果与数值仿真结果的数据对比,验证数值计算方法的正确性与...     

压缩空气弹射系统内弹道特性

为分析压缩空气弹射系统内弹道特性,以压缩空气弹射装置为研究对象建立弹射过程内弹道数学模型。通过数值计算,分析发射阀全开时间、发射阀最大流通面积和低压室初始容积对内弹道特性的影响规律。结果表明：发射阀全开时间越短,弹射总时间越短,弹体出筒初始速度越高,弹体过载也越大;在一定范围内,随着发射阀最大流通面积增大,弹射总时间变短,弹体初速度增高,弹体过载变化越平缓,但发射阀最大流通面积对弹体最大过载影响较弱;低压室初始容积对弹射行程和弹体出筒初始速度影响较弱,对弹射初期弹体过载影响较大。     

高压气体发射装置内弹道特性及膛口流场分析

根据非定常可压缩流动的Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras湍流模型,基于计算流体力学分析软件,采用动网格技术,对弹丸在气室高压气体作用下的运动规律及其流场特性进行了仿真。主要研究了4种不同气室初始气压下膛内平均压力、弹底压力、气室底部压力、弹丸运动参数的变化规律,进一步分析了在气室初压为2.5 MPa下不同时刻马赫数等值线的变化规律。研究结果表明：膛内气流存在振荡现象,气室底部压力、弹底压力变化具有波动性;气室初始气压的大小影响气室底部压力、弹底压力振荡幅度及弹丸出炮口速度;弹丸在管内运动速度及运动时间随距离变化的关系均近似抛物线分布。     

穿甲弹异物阻滞膛炸机理数值仿真分析

以某穿甲弹近炮口处膛炸故障为背景,针对膛内存在异物时弹体和身管动态响应进行数值仿真,探讨膛炸机理并为故障分析与归零提供依据和参考。设定了两种典型异物阻滞形式：一是 异物阻滞造成弹体速度急剧下降或卡膛;二是弹体直接高速冲击膛内沙土类异物。采用有限元分析AUTODYN软件进行了多种不同工况数值计算,得到了弹体速度急剧下降时弹底燃气流场压力特征、身管变形与破裂形态,以及弹体高速冲击沙土类异物时结构动态响应、身管变形与破裂形态。研究结果表明：弹体膛内突然受阻和速度急剧下降,导致底部燃气中形成激波和局部高压区,局部高压区的存在可造成膛炸;弹体膛内近炮口处高速冲击沙土,身管受到复杂的强动载荷作用并可造成膛炸;数值仿真结果与实际故障情况相吻合并得到了故障复现试验的验证。     

改进气体流量计算方法的迫榴炮内弹道模型

内弹道计算对炮弹发射有重要意义.文中研究了迫榴炮发射迫弹时的内弹道模型,将膛内气体流出过程类比喷管气体流动过程,针对气体流出量的计算进行了详细的讨论.然后在Matlab软件中运用四阶Runge-Kutta法对某型120 mm自行迫榴炮发射迫击炮弹内弹道过程进行插值求解,并用CFD++软件对发射过程进行仿真.利用该模型计算所得膛压及出炮口速度与实验所测基本一致,火药气体流动状态与仿真结果相符,仿真与实验结果均证明了该模型的正确性、可靠性.     

某大口径火炮弹带热力耦合挤进动力学数值模拟研究

为研究弹带挤进过程机理以及弹丸在挤进过程的运动规律,对大口径火炮挤进过程进行了仿真分析。考虑了火药气体在带锥度药室及坡膛内的分布,得到挤进时期的内弹道学方程,将该方程的解作为力边界条件,同时引入考虑温度的摩擦力模型来模拟身管与弹带间的摩擦,采用显式方法建立大口径火炮弹带挤进过程热力耦合仿真模型;分别对经典内弹道挤进过程和绝热挤进进行计算,验证了耦合计算的必要性;同时考虑不同弹炮间隙、卡膛速度以及初始摆角对挤进过程的影响,得到挤进过程中挤进阻力、弹丸速度、火药气体压力、弹丸摆角的变化规律。计算结果表明,弹炮间隙对挤进阻力和挤进速度有着重要的影响,而弹丸卡膛前摆角对弹丸挤进过程中的摆角有着重要的影响。     

底排推进剂瞬态泄压工况下燃烧流场特性的数值模拟

针对底排弹出炮口泄压瞬间燃烧失稳问题,建立了AP/HTPB底排推进剂燃烧流场的二维轴对称非稳态模型,通过数值模拟获取了底排模拟装置在瞬态泄压工况下的流场特性。结果表明: 在泄压过程中,燃烧室内压力、密度和温度沿轴向迅速下降,速度沿轴线迅速升高,且各流动参数的变化梯度逐渐减小;底排推进剂燃气的加入导致燃烧室内密度沿径向降低,而温度沿径向升高;燃烧室内压力随时间变化的计算值与实测值吻合较好。     

具有二次加速功能的三药室发射装置实验研究

提高初速是身管武器技术永恒的研究主题。提出了一种具有二次加速功能的三药室发射装置工作原理,对其发射进行了实验研究。该装置特点是在身管上离主药室一定长度的水平位置,增加两个辅助药室,弹丸通过辅助药室入口处时,弹后高温、高压火药燃气点燃辅助药室装药,辅助装药燃烧产生的气体可减缓弹后空间压力下降,使弹底维持较高压力,达到弹丸二次增速目的。发射实验结果表明,该装置在不显著增加膛压的情况下,比单药室发射时平均初速提高15%左右,对工程防护终点弹道效应实验研究具有参考价值。     

超高射频武器串联发射膛口流场数值模拟

为了研究超高射频武器高频连发时膛口流场形成机理和对弹丸飞行的影响,基于 ALE方程和嵌入网格技术,结合动网格方法进行数值仿真分析。数值结果清晰地揭示了高频连发时火药气体相互叠加形成的复杂流场的结构。在相同装药量下,高频连发时后续弹丸膛内加速度远小于首发弹丸;后续弹丸出膛口后,弹前火药燃气膨胀形成低压区,而弹后压力高于首发弹丸弹后压力,使其加速度大于首发弹丸。仿真结果为研究超高射频武器高频连发时弹丸受力分析提供一些理论依据。