内埋式航炮膛口流场特性数值模拟研究

为研究飞行速度对内埋式航炮膛口流场特性的影响,基于Navier-Stokes方程和k-ε湍流模型,采用Roe格式分别对4种飞行速度条件下的菱形机翼中内埋航炮膛口流场发展过程进行了数值模拟,对比分析了静止条件和超音速飞行状态下膛口流场的基本特征以及冲击波强度变化关系。结果表明：超音速飞行时形成由火药燃气冲击波、分离激波、滑移面等波系构成的膛口流场结构;在一定飞行速度范围内分离激波尺寸与来流马赫数正相关;膛口附近冲击波超压峰值变化与飞行马赫数有关。     

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。     

带有中心点传火管的燃气发生器两相流数值模拟

建立带有中心点传火管的燃气发生器的两相流数学模型。针对中心点传火管的点传火过程采用了一维两相流数学模型,管式燃气发生器的能量释放过程建立了二维两相流数学模型,通过气固交换建立了二者的耦合作用,并采用Mac Cormack 预估校正二步显格式编制了内弹道计算软件,进行了仿真计算,仿真计算结果与试验结果符合良好,验证了模型的正确性,为管式燃气发生器的结构设计及优化提供了理论基础;同时根据仿真结果对管式燃气发生器的能量释放过程进行了分析,结果表明均匀一致的点火条件是管式燃气发生器平稳释放能量的前提,点火能量的均匀释放才能保证燃气发生器内火药燃烧过程可靠,能量释放过程可控。     

水下垂直发射燃气后效对筒盖系统的影响研究

在蒸汽-燃气弹射式水下垂直发射过程中,当弹尾离开发射筒时,燃气在筒内余压作用下瞬间溢出,与海水掺混,形成的筒口燃气泡。燃气泡周期性的膨胀-收缩引起筒盖的运动,会给筒盖系统的安全性带来隐患。基于计算流体动力学CFD软件中的Fluent软件包,采用动网格技术和Mixture模型对导弹离筒过程燃气后效及其对具有柔性支撑筒盖系统的影响进行了数值模拟。研究了筒口气泡膨胀-收缩的周期性过程,获得了出筒过程中,筒盖的运动规律和受载特性。仿真结果表明,筒盖特征测点压力值与试验测量结果吻合度较高,验证了该研究方法的有效性,为筒盖系统的设计和安全性评估提供了研究方法。     

坡膛结构参数对枪械内弹道挤进时期的影响研究

枪械射击过程中枪管坡膛处工作环境恶劣,为了研究枪管坡膛角度对挤进过程坡膛处受力的影响,建立了不同坡膛角下考虑枪管及弹头结构特性、本构非线性等因素的三维有限元模型,分析了不同坡膛角对弹头挤进过程的影响,获得了不同坡膛角下挤进阻力随挤进位移的变化数据;建立了挤进阻力的响应面模型,基于上述数据采用Hermite多项式,求解获得了挤进阻力以坡膛角和挤进位移为变量的计算公式;提出建立了考虑挤进阻力的弹头挤进过程的动力学模型,编程计算了枪弹挤进过程中的挤进压力,获得了某大口径机枪满足弹头初速条件的坡膛角度取值范围为0.11°~1.13°,进而得到了缓减枪管坡膛受力、保证弹头最高初速、满足坡膛角设计范围的坡膛角度最优解为0.56°。     

弹丸在膛内运动的回波信号瞬时频率估计方法研究

微波干涉仪可获取含内弹道运动信息的多普勒回波信号,为有效地估计回波信号的瞬时频率,利用短时傅里叶变换、Wigner-Ville变换、多项式调频小波变换（PCT）等方法对含有不同噪声的模拟弹丸回波信号和真实的弹丸回波信号进行分析和对比。研究结果表明：多项式调频小波构造匹配变换核的PCT方法时频聚集性最好,瞬时频率估计精度最高,并具有一定的抗干扰能力,说明PCT方法适合于弹丸在膛内运动回波信号的瞬时频率估计。     

基于解析法的电磁发射弹丸内膛磁场分布特性分析

电磁轨道发射装置膛内的磁场分布特性对制导弹丸的器件布局设计非常重要。对电磁轨道发射装置膛内的强磁场环境进行了分析,基于毕奥-萨伐尔定律推导了考虑弹丸运动位移和电流趋肤深度下膛内磁场的计算公式。通过时谐分析方法并采用数据拟合的方式得到了电感梯度与电流频率和弹丸运动位移的函数关系,用以分析弹丸的内弹道运动特性。采用时频分析方法得到了电流趋肤深度随时间的变化关系,从而建立了弹丸中轴线磁场分布特性求解的三维解析计算模型。以实验室的电磁发射装置为例,采用试验电流数据作为输入,对内膛弹丸处磁场分布特性进行解析计算。结果表明：弹丸中轴线的磁感应频率在450 Hz以下,磁感应强度峰值达到0.4 T,并沿弹丸长度方向迅速衰减,100 mm处的磁场基本降为0. 利用磁探针的测试数据验证了理论计算模型的正确性。     

某转膛式武器闭气环的结构及动力特性分析

为了解决转膛式武器所存在的闭气问题,通过三维建模软件建立闭气活塞、闭气环、身管及弹仓三维模型。根据内弹道公式计算试验样机测得的相关数据,计算所得的膛压作为闭气活塞压力载荷。利用有限元分析软件ANSYS Workbench分析在不同非线性材料闭气环条件下的闭气活塞运动特性和闭气面上的闭气压力特性。根据分析闭气活塞的刚柔耦合模型所得到的结果,选择闭气环的材料,为转膛式武器的闭气环设计提供依据。     

双束燃气射流与整装式液体装药相互作用的实验和数值模拟

为了探索整装式液体发射药火炮(BLPG)内弹道稳定性的控制方法,设计了5 级圆柱渐扩型观察室和圆柱观察室,开展了双束燃气射流在液体药模拟工质中扩展的实验研究。实验结果表明,渐扩型结构能够抑制Taylor 空腔与Kelvin-Helmholtz 不稳定性效应的正反馈机制。在实验基础上,建立了三维非稳态数理模型,模拟了不同观察室结构下,双束燃气射流在液体工质中的扩展过程,获得了射流场中密度、压力和温度的分布图。模拟结果表明:圆柱渐扩型观察室中,由于渐扩台阶的诱导作用,强化了气液在径向的湍流掺混效应,抑制了射流的轴向湍流度;且射流的外轮廓相对较光滑。双束射流轴向位移的计算值与实验结果吻合较好。     

低压环境下膛口冲击波实验研究

为了解低压环境下膛口冲击波的传播特性,进行了低压环境下膛口冲击波的压力测试实验。通过低压舱配合抽真空装置实现低压环境,设计膛口冲击波压力测试系统,测得海拔12 km内7个高度对应压力下膛外多点处的压力曲线。实验结果表明：低压环境下冲击波场在膛口的分布规律与常压环境下一致;膛口冲击波强度随环境压力的降低近似呈线性减小,10 km高空的膛口冲击波强度仅为地面膛口冲击波强度的一半。研究结果对高空环境下膛口流场控制具有参考意义。     

显微方法在发射药燃烧残渣溶解性研究中的应用

针对身管武器发射药燃烧残渣擦拭问题,采用显微方法研究发射药燃烧残渣的溶解过程,取得了燃烧残渣在不同溶剂中的溶解率数据。开展了优化溶剂配方的正交实验,配制了对发射药燃烧残渣去除率优于99%的溶剂。结果表明：应用显微方法可实时观测残渣的溶解过程,据此可建立一种有效的溶解性研究方法。     

发射药生产过程中静电锥体放电规律数值模拟研究

静电锥体放电是引发发射药燃烧爆炸事故的重要放电形式。为了研究其在生产过程中的放电规律,基于静电场高斯定理,利用ANSYS有限元模型,对单基发射枪药的存储、转运料斗中的静电场进行了数值模拟,并进行了实验验证,实验值与模拟值吻合较好。通过数值模拟得到了单基发射枪药料斗内静电场的分布规律,以及静电场随物料厚度的变化规律。研究结果表明：单基发射枪药料斗底部电场强度最大、侧壁次之、物料表面电场强度最小;最大电位出现在物料内部,而不是物料表面;物料厚度在0.05 m时,底部最大电场强度为6.92×10⁶ V/m,大于空气击穿电场强度,这表明在料斗刚罐充发射药时,就可能在料斗底部发生静电锥体放电;随着物料厚度的增加,料斗内的电场强度也随之增大,当发射药厚度增加到0.29 m时,底部最大电场强度已增大至1.41×10⁷ V/m, 侧壁和料面电场强度也随之增大,料斗内锥体放电更加频繁,点燃发射药的危险性也更大。     

射流偏心撞击对凝胶推进剂撞击雾化影响的实验研究

为研究射流偏心撞击对凝胶撞击雾化的影响,建立撞击雾化实验台,制备凝胶推进剂及其模拟液,对单股射流形态及不同偏心度下的撞击液膜和液滴尺寸分布进行测量。理论推导了偏心撞击下撞击液膜偏角,并与实验结果进行了对比。研究表明：随着喷射速度的增大,单股射流受到的扰动逐渐增大;在靠近喷注器出口处扰动有限,不同速度下的射流变形都很小;不同偏心度下液膜发展和破碎形式基本相同,当偏心度达到1.5/6时,液膜自撞击点开始出现了呈一定角度较为暗淡的区域,流量不对称性增强;随着偏心度的增大,液膜偏角逐渐增大,但与理论值相比偏小;偏心度的大小对撞击雾化的液滴尺寸分布影响较小,但偏心撞击的索特平均直径值比无偏心时小,并在0.5/6达到最小值。     

基于有限元分析Workbench软件的多孔发射药挤压过程仿真分析

为了获得特定多孔发射药模具的合理结构参数,应用Workbench软件的流体与固体耦合模块模拟了发射药药料在模腔内的挤压过程及针架的变形。采用单因素法分析了收缩角、成型段长度对挤出成型压力和模具针架系统变形的影响。结果表明：随着成型段长度的加大,压力逐渐增大、挤压药密实性增加、针架系统变形增大;随着收缩角的加大,压力增大、挤压药密实性增加、针架系统变形逐渐减小,在多孔模腔收缩角55°之后,压力增大、变形减小的幅度平缓;收缩段和成型段截面压力差从入口至出口逐渐减小,最后达到均匀分布。     

NEPE固体推进剂粘-超弹性本构模型研究

为了准确描述NEPE固体推进剂在有限变形下的力学特性,本文针对NEPE推进剂在有限变形下的粘 超弹本构模型进行研究。模型由超弹部分与粘弹部分并联构成：超弹部分采用Yeoh模型,粘弹部分采用非线性粘弹性本构模型。进行NEPE推进剂单轴拉伸试验及拉伸松弛试验,并用试验结果拟合超弹及粘弹两部分的材料参数。所建本构模型与实验结果进行了对比,模型能较好的预测30%应变内的NEPE推进剂的力学性能。     

利用流变学等温测试方法研究铝对聚叠氮缩水甘油醚改性球形药固化的影响

为了研究铝在聚叠氮缩水甘油醚（GAP）改性球形药固化过程中的作用,利用流变学等温测试方法研究了铝对GAP改性球形药固化动力学的影响,采用热分析动力学Sestak-Berggren模型对固化动力学参数进行求解,分别建立了含0%铝和10%铝的GAP球形药的固化动力学模型。结果表明：GAP球形药固化过程中表观活化能变化不大,在0<转化率<0.8范围内可认为表观活化能为64.8 kJ/mol,加入铝后反应的表观活化能增大,为85.1 kJ/mol,反应级数增加,指前因子减小,说明铝对GAP球形药的固化反应具有消极影响;模型与实验数据吻合较好,说明可利用流变学等温测试方法研究固体GAP球形药的固化过程;对0%和10%铝两个体系的黏度变化进行分析发现,铝主要影响到GAP球形药固化的第二阶段,使异氟尔酮二异氰酸酯分子上位阻较大的异氰酸酯基反应更加困难,活化能增大。     

发射装药发射安全性评定方法研究

发射装药发射安全性问题严重制约现代火炮武器的发展,成为各军事强国竞相攻关解决的重大理论与技术难题。从揭示发射装药引起膛炸的机理入手,通过理论、计算、试验3个方面连续17年的系统深入研究,引入起始动态活度比新概念,建立了我国首个基于发射装药起始动态活度比的发射装药发射安全性评定方法兵器行业标准和国家军用标准。文中包括：发射装药发射安全性评定原理、发射装药发射安全性评定流程、发射装药膛内力学环境试验方法、发射装药动态挤压破碎试验方法、发射装药起始动态活度比试验方法、发射装药发射安全性判据的确定方法、发射装药发射安全性评定方法,并成功用于工程实践,为科学评估发射装药发射安全性提供了系统的理论依据、技术手段和技术标准。     

柱形充液室内多股燃气射流流场的气体与液体两相流场演化特性

基于水下枪炮发射的工程背景,对火药燃烧形成的多股高压燃气射流从模拟弹头头部喷入柱形充液室的过程进行了实验观测和数值模拟研究。实验观测采用高速录像记录,数值模型采用流体体积函数模型来描述液体环境中多个燃气泡的扩展,数值模拟结果与实验观测结果相符。数值仿真结果表明：喷孔轴线上的燃气压力经历下降和上升的过程后达到稳定值,空腔附近的水流场由于燃气作用出现压力峰,随后逐渐衰减;在燃气空腔扩展的过程中,离喷孔距离越远的截面上燃气-水流场的压力分布越均匀,截面平均压力随着空腔扩展逐渐下降;随着时间的增长,截面上气体组分分数可达70%.     

三唑含能离子盐在固体推进剂中的应用研究

运用差示扫描量热仪（DSC）评估了4种三唑含能离子盐与固体推进剂主要组分的相容性,研究了含不同三唑含能离子盐的聚叠氮缩水甘油醚（GAP）推进剂的燃烧性能。结果表明,三唑含能离子盐与固体推进剂的主要组分GAP和硝化棉相容,而1,2,4-三唑硝酸盐（1a）、1,2,3-三唑硝酸盐（1b）、3,4,5-三氨基-1,2,4-三唑二硝酰胺盐（2b）与黑索今（RDX）及吸收药（硝化棉+硝化甘油）轻微敏感或敏感。含1,2,4-三唑硝酸盐（1a）的配方在12～16 MPa范围内具有较高的燃速,含1,2,3-三唑硝酸盐（1b）的配方在7～10 MPa范围内具有较高的燃速,3,4,5-三氨基-1,2,4-三唑硝酸盐（2a）和3,4,5-三氨基-1,2,4-三唑二硝酰胺盐（2b）可以明显地降低10～16 MPa范围内GAP推进剂的燃速压力指数。     

装药尺寸对高氯酸铵/端羟基聚丁二烯底排药烤燃特性的影响

为研究装药尺寸对高氯酸铵（AP）/端羟基聚丁二烯（HTPB）底排药烤燃响应特性的影响,基于AP/HTPB两步分解反应机理,建立底排药柱烤燃计算模型。分别选取装药长度为72 mm 和内孔直径为 43 ~53 mm、内孔直径为43 mm和装药长度为72~90 mm的圆环柱状底排药,在1.0~ 10.0 K/min加热速率下对某底排装置的烤燃特性进行数值模拟。结果表明：在相同加热速率和装药长度条件下,随着装药内孔直径的增大,底排药的烤燃响应时间缩短;当装药内孔直径不变,装药长度增加至90 mm,底排药的烤燃响应时间明显缩短;装药尺寸的变化对底排药的烤燃响应位置的影响较小;在1.0~2.5 K/min中速烤燃条件下,随着内孔直径和装药长度分别增大,底排药的烤燃响应温度逐渐增大;在5.0~10.0 K/min快速烤燃条件下,装药尺寸的变化对底排药的烤燃响应温度的影响较小。