朱冠南，王爭(zhēng)論，馬佳佳，王巧

(南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210094)

0 引言

膛口流場(chǎng)具有非定常、湍流、多相和方向性特點(diǎn)，同時(shí)伴隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行［1］。膛內(nèi)高溫、高壓火藥燃?xì)獾牧鞒鰰?huì)在膛口外形成射流，形成膛口沖擊波，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生膛口焰、膛口煙、噪聲波等。膛口流場(chǎng)中沖擊波的形成和傳播特性與外界環(huán)境的影響密切相關(guān)。戰(zhàn)機(jī)通常在海拔12 km 以?xún)?nèi)飛行，此高度下的壓力、溫度、濕度等環(huán)境因素遠(yuǎn)不同于地面，加上來(lái)流的影響，航炮的膛口流場(chǎng)與地面環(huán)境下的膛口流場(chǎng)有很大區(qū)別，射擊時(shí)產(chǎn)生的射流和沖擊波會(huì)對(duì)飛行員、戰(zhàn)機(jī)蒙皮和機(jī)載設(shè)備產(chǎn)生較大影響［2］。新型戰(zhàn)機(jī)對(duì)航炮武器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了“內(nèi)埋式結(jié)構(gòu)、高初速、高射速”等具體要求，因而，航炮的膛口沖擊波會(huì)對(duì)戰(zhàn)機(jī)產(chǎn)生更大的影響。因此，為最大限度地減小航炮發(fā)射時(shí)對(duì)戰(zhàn)機(jī)的影響，有必要開(kāi)展高空環(huán)境下膛口流場(chǎng)研究，為航炮炮口流場(chǎng)控制技術(shù)提供理論依據(jù)。

關(guān)于高空膛口流場(chǎng)的研究，Smith［3］利用20 mm航炮研究了航炮沖擊波的能量傳遞與分布規(guī)律，以及飛機(jī)飛行馬赫數(shù)和高度對(duì)航炮沖擊波的影響，建立了航炮膛口沖擊波的經(jīng)典理論。Wortman［4］用20 mm航炮在地面進(jìn)行了炮口沖擊波衰減實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)［5-6］中用7.62 mm 步槍進(jìn)行了馬赫數(shù)0 ～1.8 的槍口沖擊波風(fēng)洞吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)27 mm、30 mm 航炮膛口沖擊波進(jìn)行了地面實(shí)驗(yàn)。Schmidt 等［7］在20 mm口徑炮上研究了不同的彈丸初速與膛口初始沖擊波和火藥燃?xì)鉀_擊之間的聯(lián)系。Klingenberg［8］研究了膛口沖擊波的衰減規(guī)律和膛口焰的形成機(jī)理及其影響。由于行業(yè)背景原因，20 世紀(jì)80 年代以后，很難獲得國(guó)外的相關(guān)研究結(jié)果，但從國(guó)外航炮已采用內(nèi)埋式安裝可見(jiàn)，一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)掌握高空環(huán)境下航炮炮口流場(chǎng)控制技術(shù)。國(guó)內(nèi)對(duì)地面火炮的膛口流場(chǎng)研究較為充分［9-11］，對(duì)高空環(huán)境中膛口流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究尚處起步階段。

本文通過(guò)低壓艙配合抽真空裝置得到不同海拔高度對(duì)應(yīng)下的低壓環(huán)境，利用小口徑武器研究環(huán)境壓力對(duì)膛口沖擊波的影響。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，模擬高空環(huán)境時(shí)，忽略了溫度、濕度和來(lái)流等因素的影響，僅模擬了低壓環(huán)境。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由低壓環(huán)境模擬系統(tǒng)、壓力測(cè)試系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)槍等組成，如圖1 所示。

低壓環(huán)境模擬系統(tǒng)主要由低壓艙、抽真空裝置和壓力監(jiān)測(cè)器組成。低壓艙長(zhǎng)4.5 m，直徑2.6 m，進(jìn)、出氣口與真空泵相連，有3 對(duì)觀察窗。抽真空裝置可根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)M的海拔高度調(diào)整低壓艙內(nèi)的壓力，其極限壓強(qiáng)為2.67 ×10-3kPa，功率為55 kW，抽氣速率可達(dá)600 L/s. 壓力監(jiān)測(cè)器與低壓艙相連，實(shí)驗(yàn)時(shí)監(jiān)測(cè)艙內(nèi)環(huán)境壓力的變化。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

壓力測(cè)試系統(tǒng)由壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理儀和數(shù)據(jù)記錄儀組成。壓力傳感器采用壓阻式傳感器和壓電式傳感器兩種，壓電式傳感器用于測(cè)量膛口處的壓力，同時(shí)作為數(shù)據(jù)記錄儀的外觸發(fā)信號(hào)，壓阻式傳感器用于測(cè)量各測(cè)試點(diǎn)的壓力;信號(hào)調(diào)理儀用于將傳感器獲得的微電荷信號(hào)放大;數(shù)據(jù)記錄儀采用Tektronix TDS2024b 型。

實(shí)驗(yàn)用槍為無(wú)膛口裝置的7.62 mm 步槍?zhuān)砉荛L(zhǎng)570 mm，擊發(fā)裝置采用電磁閥，收彈裝置為橫置的圓柱形鐵桶，桶內(nèi)填充鐵彈珠及鋼絲。

2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)選取了海拔高度0 mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 km 對(duì)應(yīng)下的大氣壓力值，海拔高度與大氣壓力如表1 所示［12］。

表1 我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣簡(jiǎn)表Tab.1 Standard atmosphere

測(cè)試點(diǎn)的位置以膛口中心為原點(diǎn)扇形分布，壓阻式傳感器與膛口中心同高。測(cè)試點(diǎn)共分布在7 個(gè)方向上，相鄰方向之間間隔22.5°，各個(gè)方向上的相鄰測(cè)試點(diǎn)間距離相差250 mm，膛口壓力測(cè)試點(diǎn)分布如圖2 所示，如此的布設(shè)方式便于后期的插值處理。

圖2 膛口壓力測(cè)試點(diǎn)分布圖Fig.2 Distribution of test points

實(shí)驗(yàn)時(shí)，先密閉低壓艙，運(yùn)行真空泵，通過(guò)壓力監(jiān)測(cè)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)低壓艙內(nèi)的壓力，當(dāng)?shù)蛪号搩?nèi)的環(huán)境壓力達(dá)到并略低于實(shí)驗(yàn)壓力值后，關(guān)閉真空泵，再通過(guò)低壓艙上的閥門(mén)微調(diào)艙內(nèi)壓力;射擊時(shí)，膛口的壓電傳感器作為數(shù)據(jù)記錄儀的外觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)膛口的壓電傳感器測(cè)得的壓力信號(hào)經(jīng)放大后傳至數(shù)據(jù)記錄儀，達(dá)到預(yù)先設(shè)置的觸發(fā)電平后，數(shù)據(jù)記錄儀開(kāi)始采樣;各測(cè)試點(diǎn)的壓阻傳感器得到的壓力信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理儀放大后，記錄在數(shù)據(jù)記錄儀中。實(shí)驗(yàn)在每個(gè)環(huán)境壓力值下重復(fù)3 次。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)時(shí)采用相同批次的制式彈藥，彈丸質(zhì)量m=7.9 g，裝藥量ω=1.69 g，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，實(shí)驗(yàn)用彈的平均膛口壓力pg=31.4 MPa，彈丸平均初速v0=769.7 m/s. 實(shí)驗(yàn)時(shí)記錄的室內(nèi)溫度約為26 ℃，相對(duì)濕度約為60%.

據(jù)對(duì)7.62 mm 彈道槍進(jìn)行的膛口流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究可知，在常壓條件下，彈丸底部出膛時(shí)，t =0 μs，大約t= -200 μs 時(shí)，初始沖擊波形成;彈丸出膛后，便形成火藥燃?xì)鉀_擊波，但此時(shí)的火藥燃?xì)鉀_擊波波陣面在射流下游并未封閉，由于初始流場(chǎng)的存在，初始射流的核心區(qū)域?yàn)楦咚?、低壓氣流區(qū)，膛口正向的火藥燃?xì)庠诖藚^(qū)域內(nèi)被加速，形成冠狀氣團(tuán)，最終產(chǎn)生冠狀沖擊波;t =200 μs 左右時(shí)，火藥燃?xì)鉀_擊波會(huì)追上并逐漸吞沒(méi)初始沖擊波;當(dāng)膛口沖擊波與火藥燃?xì)馍淞髅撾x之后，開(kāi)始依靠自身能量向外膨脹，此時(shí)的膛口沖擊波稱(chēng)為膛口遠(yuǎn)場(chǎng)沖擊波。圖3為膛口流場(chǎng)圖［9］，圖中可見(jiàn)各沖擊波。為便于分析，定義膛口外一點(diǎn)與膛口中心的連線(xiàn)和身管中心線(xiàn)之間的夾角為θg;定義流場(chǎng)中某點(diǎn)到膛口中心的距離為r.

圖3 膛口流場(chǎng)陰影圖Fig.3 Shadow graph of muzzle flow field

3.1 膛口壓力曲線(xiàn)

圖4為31號(hào)測(cè)試點(diǎn)在0 km、6 km 和12 km 高度對(duì)應(yīng)環(huán)境壓力下的膛口壓力隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)圖。各曲線(xiàn)的峰值對(duì)應(yīng)的是火藥燃?xì)鉀_擊波波陣面壓力，該峰值在圖4(a)～圖4(c)中表現(xiàn)為依次減小，火藥燃?xì)鉀_擊波掃過(guò)后，壓力會(huì)急劇下降至低于環(huán)境壓力，并伴隨一系列脈沖噪聲波;在火藥燃?xì)鉀_擊波之前有一個(gè)較小的壓力峰值，對(duì)應(yīng)的是初始沖擊波波陣面壓力，此沖擊波由彈丸壓縮膛內(nèi)氣體形成。實(shí)驗(yàn)在低壓環(huán)境下與常壓環(huán)境下得到的膛口壓力曲線(xiàn)基本一致，可見(jiàn)，低壓環(huán)境下的膛口沖擊波也是由初始沖擊波、火藥燃?xì)鉀_擊波、一系列噪聲波組成，且火藥燃?xì)鉀_擊波的強(qiáng)度要明顯大于初始沖擊波和噪聲波。

3.2 沖擊波超壓隨測(cè)試距離和角度的變化

圖5 為θg=45.0°時(shí)，膛口沖擊波超壓Δp 隨測(cè)試距離r/d 的變化曲線(xiàn)圖(d 為槍管口徑)，圖中為冪函數(shù)曲線(xiàn)。由圖5 可見(jiàn)，在各海拔高度對(duì)應(yīng)環(huán)境壓力下得到的沖擊波超壓隨測(cè)試距離的增大呈冪函數(shù)規(guī)律減小。隨著膛口遠(yuǎn)場(chǎng)沖擊波的傳播，沖擊波正壓區(qū)不斷的拉寬，受壓縮的空氣量不斷增加，所以單位質(zhì)量空氣的能量會(huì)減小;其次，由于波陣面不斷增大，單位面積上的能量分布會(huì)減小;另外，波前未擾動(dòng)空氣受沖擊絕熱壓縮會(huì)產(chǎn)生能量消耗。所以，膛口沖擊波波陣面壓力隨著傳播距離的增大迅速衰減。在另外6 個(gè)測(cè)試方向上，沖擊波超壓隨著r 的變化均表現(xiàn)出良好的冪函數(shù)規(guī)律。

圖4 31號(hào)測(cè)試點(diǎn)壓力隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)圖Fig.4 Pressure at test point 13

圖5 超壓峰值隨測(cè)試距離的變化曲線(xiàn)圖Fig.5 Peak overpressure versus distance

圖6為r =500 mm 時(shí)，膛口沖擊波超壓隨測(cè)試角度的變化曲線(xiàn)圖。由圖6 可見(jiàn)，當(dāng)45.0°≤θg≤167.5°時(shí)，在各環(huán)境壓力下得到的超壓峰值隨θg的增大減小較快;測(cè)試角度由22.5°變?yōu)?5.0°時(shí)，隨著環(huán)境壓力的降低，超壓峰值減小緩慢甚至有小幅升高。分析認(rèn)為，在火藥燃?xì)饬鲌?chǎng)前期，在射流發(fā)展和彈丸的作用下，火藥燃?xì)鉀_擊波在射流下游前端并未閉合。由于初始沖擊波射流內(nèi)自由膨脹區(qū)的存在，部分火藥燃?xì)獾靡约铀俪蔀楣跔顨鈭F(tuán)，繼而產(chǎn)生冠狀沖擊波，其與原火藥燃?xì)鉀_擊波相交產(chǎn)生交界面，此間斷面處的超壓小于其附近位置的沖擊波超壓。在常壓環(huán)境下，速度間斷面位于測(cè)試坐標(biāo)軸的22.5°和45.0°之間，如圖3 所示。當(dāng)環(huán)境壓力減小時(shí)，初始流場(chǎng)會(huì)減弱，在初始射流核心區(qū)域內(nèi)被加速的火藥燃?xì)鈺?huì)減少，冠狀氣團(tuán)質(zhì)量的減小會(huì)導(dǎo)致冠狀沖擊波尺寸的變小。在陰影圖像中表現(xiàn)為原火藥燃?xì)鉀_擊波與冠狀沖擊波的相交間斷會(huì)不斷下移而靠近22.5°測(cè)試方向，因而22.5°方向測(cè)得的超壓峰值與45.0°方向的超壓峰值差距越小。

圖6 火藥燃?xì)鉀_擊波超壓隨測(cè)試角度的變化曲線(xiàn)圖Fig.6 Peak overpressure versus angle

3.3 超壓峰值隨環(huán)境壓力的變化

圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)、圖7(d)分別為測(cè)試距離為250 mm、500 mm、750 mm、1 000 mm 時(shí)的各測(cè)試點(diǎn)得到的超壓峰值隨環(huán)境壓力變化的曲線(xiàn)，圖中p0為實(shí)驗(yàn)環(huán)境壓力。各圖中第1、2 兩條直線(xiàn)的接近或相交是由于火藥燃?xì)鉀_擊波中冠狀沖擊波的能量比例隨著環(huán)境壓力降低而變小的結(jié)果。由圖7可見(jiàn)，這些測(cè)試點(diǎn)處的膛口沖擊波超壓峰值隨環(huán)境壓力的減小呈線(xiàn)性下降的趨勢(shì)。表2 為各海拔高度對(duì)應(yīng)環(huán)境壓力下得到的膛口沖擊波超壓與常壓環(huán)境下的膛口沖擊波超壓比值平均值，由表2可見(jiàn):高度每上升2 km，膛口的沖擊波強(qiáng)度下降10%左右。當(dāng)h=12 km 時(shí)，膛口沖擊波的強(qiáng)度僅為地面環(huán)境的41.4%。分析認(rèn)為，環(huán)境壓力的降低，沖擊波陣面前后的壓力差會(huì)增大，沖擊波衰減的速度會(huì)加快，因而隨著環(huán)境壓力的減小，膛口沖擊波強(qiáng)度會(huì)越來(lái)越小。膛口遠(yuǎn)場(chǎng)沖擊波超壓隨初始環(huán)境壓力的實(shí)際變化規(guī)律，要遠(yuǎn)比線(xiàn)性變化復(fù)雜，但此結(jié)果在今后的航炮炮口沖擊波研究過(guò)程中有一定的參考意義。

圖7 不同測(cè)試距離上超壓隨環(huán)境壓力的變化曲線(xiàn)圖Fig.7 Peak overpressure versus height

表2 低壓環(huán)境中沖擊波超壓與常壓環(huán)境下的比值Tab.2 Ratio of overpressures

3.4 膛口沖擊波傳播速度隨環(huán)境壓力的變化

圖8 為22.5°和45.0°測(cè)試方向上膛口沖擊波傳播速度隨環(huán)境壓力變化的曲線(xiàn)圖，其中，v12、v13、v14分別為θg=22.5°，12號(hào)～14 號(hào)傳感器間三段距離上沖擊波傳播的平均速度;v22、v23、v24分別為θg=45.0°，22號(hào)～24 號(hào)測(cè)試點(diǎn)間三段距離上沖擊波傳播的平均速度，圖中的橫坐標(biāo)刻度為對(duì)數(shù)變化。由圖8 可見(jiàn)，膛口沖擊波在遠(yuǎn)場(chǎng)的傳播速度隨傳播距離的增大而逐漸減小，隨著環(huán)境壓力的減小，膛口沖擊波的平均傳播速度逐漸增大，且呈對(duì)數(shù)關(guān)系變化。

圖8 膛口沖擊波平均傳播速度隨環(huán)境壓力變化曲線(xiàn)圖Fig.8 The average propagation velocity of shock wave

4 結(jié)論

本文模擬了高空環(huán)境，以7.62 mm 槍代替航炮進(jìn)行低壓環(huán)境下膛口沖擊波研究，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，可得出以下結(jié)論:低壓環(huán)境下，火藥燃?xì)鉀_擊波仍是膛口沖擊波危害的主要研究對(duì)象，膛口遠(yuǎn)場(chǎng)沖擊波強(qiáng)度隨測(cè)試距離的增大呈冪函數(shù)規(guī)律衰減;隨著環(huán)境壓力的降低，冠狀沖擊波的尺寸逐漸減小，膛口沖擊波強(qiáng)度近似呈線(xiàn)性減小，高度每上升2 km，膛口的沖擊波強(qiáng)度下降約10%. 這些研究結(jié)果為航炮炮口流場(chǎng)控制裝置的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指出了參考方向。下步的研究需要設(shè)計(jì)膛口裝置，進(jìn)行高空環(huán)境溫度和來(lái)流的模擬，開(kāi)展近真實(shí)高空環(huán)境下的帶膛口裝置槍口流場(chǎng)研究。

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