兵器装备工程学报

阀控气体炮内弹道建模及实验研究

分类:主编推荐 发布时间:2018-12-23 20:19 访问量:1505

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    Citation format :PANG Bo, SHANG Binbin, ZHANG Jiajun, et al.Interior Ballistic Modeling and Experimental study of a Valve Controlled Gas       Gun[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2018,39(9):51-53.

    本文引用格式 : 庞博,尚彬彬,张佳俊,等.阀控气体炮内弹道建模及实验研究[J].兵器装备工程学报,2018,39(9):51-53.

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       作者简介 : 庞博(1995—),男,主要从事火炮发射技术研究。



阀控气体炮内弹道建模及实验研究

庞 博,尚彬彬,张佳俊,刘 宁

(南京理工大学机械工程学院, 南京 210094)

摘要 : 针对电磁阀控制气体炮发射技术,考虑了阀口节流效应,推导了气室和炮膛压力控制方程,建立了气体炮详细内弹道模型,并进行了数值仿真。研制了气体炮原理样机,测得了不同发射压力下气室、炮膛压力曲线和弹丸炮口初速,实验数据与仿真结果一致,验证了模型的准确性。

关键词 : 气体炮;内弹道;发射技术;实验研究



Interior Ballistic Modeling and Experimental study 

of a Valve Controlled Gas Gun

PANG Bo, SHANG Binbin, ZHANG Jiajun, LIU Ning

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract : For the solenoid valve controlled gas gun launch technology, the throttling effect of the valve port was studied, the pressure control equations of the air chamber and the gun are deduced, and a detailed interior ballistic model of the gas gun was established, and numerical simulation was performed. A gas gun prototype was developed. The gas chamber, gun pressure variation curve and muzzle velocity under different launch pressures were measured. The experimental data were consistent with the simulation results, which verified the accuracy of the model and provided guide for the engineering design and application of gas guns.

Key words : gas gun; interior ballistics; launch technology; experimental study


气体炮采用高压气体发射弹丸,初速调节方便,发射惯性小,结构简单,避免了火炸药操作危险性及炮膛烧蚀、身管温升等传统身管武器的缺点,广泛用于实验加载装置 [1] 、警用装备 [2] 、灭火弹发射装置 [3] 等领域。气体炮通常采用电磁阀控制发射过程,现有气体炮内弹道模型将气室压力等价为弹底压力,推导出了弹丸初速理论公式 [4-5] ,由于未考虑阀口节流效应,计算误差较大。本文结合气体动力学和经典内弹道理论,建立考虑阀口流动过程的气体炮内弹道模型,通过实验研究验证了模型的准确性,研究成果为气体炮工程设计和相关研究提供理论指导。


1 气体炮内弹道模型

气体炮由气室、控制阀、身管、弹丸及控制机构组成,如图1所示。发射前控制阀关闭,向气室内加气至额定压力,完成弹丸装填。加气完成后,控制阀开启,气室内高压气体经阀内通道喷入身管,推动弹丸运动,直至弹丸飞出炮口。发射完成后关闭控制阀,进入下一射击循环。

图1 气体炮结构简图

1) 基本假设

气体炮发射时膛内气体流动复杂,为了简化建模过程,提出如下基本假设:

① 膛内气体满足理想气体状态方程。

② 弹丸在膛内运动时,弹后气体压力、密度、温度均匀一致。

③ 由于发射过程时间很短,气体膨胀过程视为等熵绝热过程。

④ 考虑弹丸运动过程中摩擦力做功、弹前空气阻力以及其他能量损失,引入次要功计算系数 φ 

⑤ 阀口瞬间完全开启 [6] 

2) 气室压力控制模型

气阀开启前气室充满高压气体,设为初始状态,此时气室容积 10 ,压力 10 ,气体温度 10 ,气室内气体质量 10 。气阀开启后 时刻气室状态为:容积 ,压力 ,温度 ,气室剩余气体质量 。根据气体状态方程可得:

10 10 10 RT 10

(1)

RT 1

(2)

(3)

射击时气室内高压气体从喷口不断流出,认为气室内气体为定容条件下绝热变化过程,所以有

(4)

时刻气室内气体质量为

10  G t

(5)

式中 为流出气室的气体流量。

将式(4)、(5)代入式(3)并整理,可得

(6)

两边分别对时间求导,得

(7)

3) 膛内压力控制模型

气阀开启后,高压气体流入炮膛,在炮膛内膨胀做功,推动弹丸向前运动,这一过程为变容条件下绝热膨胀过程。设射击前膛内气流参数为:容积 20 ,压力 20 ,温度 20 ,膛内气体质量 20 ,弹丸底部距阀门距离 ;击发后 时刻,膛内容积 ,压力 ,温度 ,膛内气体质量 。气体炮口径 ,炮膛截面积  弹丸膛内行程为 。膛内压力控制方程与气室压力推导过程类似,由状态方程和绝热过程可得

(8)

其中, 为流入炮膛的气体流量,将上式对时间求导得

(9)

4) 气阀流量模型

不考虑气阀内复杂的流动过程,按气阀出口面积计算气室流量,根据质量守恒,流出气室流量等于流入炮膛流量,即 ,设气阀通道直径 ,通道截面积 ,通道入口压力为气室压力 ,出口压力为炮膛压力 。阀门开启瞬间气室与炮膛压力差最大,当炮膛压力与气室压力比小于临界压力比  时,气室出口达到临界状态,此时流量需用临界流量计算,因此有:

当  时,气室出口流动处于临界状态,临界流量为

(10)

当  时,气室出口流动处于亚临界状态,流量公式为

(11)

5) 弹丸运动模型

设弹丸质量为 ,运动方程为:

(12)

式中, φ 为次要功计算系数 [7-11] 


2 数值模拟及实验验证

研制了30 mm口径气体炮,如图2所示,结构参数为:气室容积 10 =800 mL,身管长度 =0.9 m,尾翼稳定弹丸 =150 g,炮膛初始容积 20 =10.6 mL,气阀通道截面积 =28.3 mm 。进行了多组不同气室压力下的射击实验,获得了炮膛压力和弹丸初速实验结果,如表1所示。可以看出,当膛压从1 MPa增大到3 MPa时,炮膛最大压力仅提高了2倍左右,并且随着气室压力的进一步提高,炮膛压力增加幅度越来越小。这是由于高压条件下阀口出口流量达到临界值,增大气室压力并不能带来弹后压力的显著提高,这也说明了在内弹道模型中考虑气阀节流效应的重要性。

图2 30 mm口径气体炮

表1 30 mm口径气体炮实验结果

利用本文建立的内弹道模型模拟了30 mm气体炮发射过程,取气体绝热指数 =1.39,次要功计算系数 φ =1.19,气室初始压力3.3 MPa,其他参数不变。气室压力变化曲线如图3所示,炮膛压力曲线如图4所示。仿真得到膛内最大压力为1.75 MPa,炮口压力0.8 MPa,。实验测得最大膛压1.71 MPa,误差约2.3%;炮口压力0.75 MPa,相对误差6.7%。仿真弹丸速度曲线如图5所示,计算炮口初速为96.6 m/s,测试初速为103.5 m/s,误差6.7%。仿真结果与实验数值吻合较好,误差原因主要包括阀通道等效直径、电磁阀开阀速度等因素。

图3 3.3 MPa实测与仿真气室压力曲线

图4 3.3 MPa时实测与仿真膛内圧力曲线

图5 仿真弹丸速度曲线



3 结论

建立了阀控气体炮内弹道过程模型并进行仿真计算,考虑了阀口节流效应,通过实验研究验证了模型的准确性,为气体炮相关工程研究提供了理论指导。下一步将研究气体炮新型控制方法,增大开阀速度和阀口流量,提高气体炮内弹道效率。

参考文献:

[1] 刘显军,王小龙,李思忠,等.一种基于气体炮加载技术和惯性抛射原理的水冲击实验装置[J].爆炸与冲击,2014,34(3):272-277.

[2] 王统,谢矿生,邓春泽.一种警用气动发射可控动能打击武器的设计研究[J].警察技术,2016(3):85-87.

[3] 刘刚.气动发射式高层建筑灭火炮研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2012.

[4] 赵俊利,曹锋.气体炮实用内弹道方程及应用[J].火炮发射与控制学报,2003(3):48-51.

[5] 赵俊利,高跃飞.气体炮实用内弹道技术研究[J].太原理工大学学报,2003(3):288-290.

[6] 鲍廷钰,邱文坚.内弹道学[M].北京:北京理工大学出版社,1995.

[7] 胡艳岭.气动枪械发射原理有关问题的研究[D].南京:南京理工大学,2008.

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[11] 李玉柱,贺五洲.工程流体力学[M].北京:清华大学出版社,2006.

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