山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 王立君 趙俊利

引言

熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能必須借助傳遞能量的載能物質(zhì)。利用高壓氣體推動(dòng)運(yùn)動(dòng)件運(yùn)動(dòng)使熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過(guò)程往往是高壓氣體的靜力、動(dòng)力及熱力的復(fù)雜的綜合過(guò)程。在實(shí)際分析時(shí)通常利用計(jì)算機(jī)變成利用數(shù)值求解方式進(jìn)行求解，但這種求解方式要求設(shè)計(jì)人員具備一定的編寫(xiě)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的能力。因而工程設(shè)計(jì)中往往需要尋找一種有較高計(jì)算精度且簡(jiǎn)便快捷的求解方式，以滿足方案設(shè)計(jì)階段的理論計(jì)算。本文通過(guò)系統(tǒng)熱機(jī)能量傳遞原理對(duì)非火藥燃?xì)鈨?nèi)彈道方程進(jìn)行公式推導(dǎo)，得出一種熱能轉(zhuǎn)換模式下的具有較高精度的簡(jiǎn)易內(nèi)彈道模型。

1 非火藥驅(qū)動(dòng)氣炮原理

在一些需要非火藥驅(qū)動(dòng)的高速試驗(yàn)過(guò)程如降落傘的性能試驗(yàn)、滅火彈的拋射等民用裝備中需要一種不會(huì)產(chǎn)生較高溫度，且能傳遞較大速度的結(jié)構(gòu)中，通常采用空氣炮原理，釋放高壓氣體推動(dòng)彈丸運(yùn)動(dòng)，提供較大的發(fā)射速度，其發(fā)射原理如圖1所示。

圖1 典型氣體炮發(fā)射原理圖

現(xiàn)將彈丸裝在身管起始部，關(guān)閉控制閥；向氣室充氣至所需求得初始?jí)毫?；發(fā)射時(shí)，啟動(dòng)控制閥，氣室內(nèi)壓縮氣體推動(dòng)彈丸向前運(yùn)動(dòng)，在身管內(nèi)不斷膨脹加速?gòu)椡柚僚诳?，彈丸獲得炮口速度,完成內(nèi)彈道發(fā)射過(guò)程。

1.1 基本假設(shè)

借鑒氣體內(nèi)能公式，研究氣體炮內(nèi)彈道做出如下假設(shè)：

（1）彈丸在氣體作用下向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，任意時(shí)刻彈后容積的氣體壓力均勻分布；

（2）由于發(fā)射過(guò)程時(shí)間很短，氣體膨脹過(guò)程認(rèn)為是等熵絕熱過(guò)程；

（3）引入次要功計(jì)算系數(shù)φ來(lái)考慮摩擦功及其他能量的損失。

1.2 內(nèi)彈道基本方程

熱力學(xué)定律：

能量方程：

絕熱方程：

（1）社會(huì)團(tuán)體財(cái)產(chǎn)權(quán)。社會(huì)團(tuán)體法人財(cái)產(chǎn)觀認(rèn)為行業(yè)協(xié)會(huì)商會(huì)、工會(huì)、宗教組織等社會(huì)團(tuán)體應(yīng)對(duì)合法所得享有財(cái)產(chǎn)權(quán)，政府或個(gè)人等投入社會(huì)團(tuán)體的資源不應(yīng)視為投資行為而享有任何財(cái)產(chǎn)權(quán)利。如賈西津（2016）認(rèn)為“將行政支持誤當(dāng)成行政投資……易形成國(guó)有資產(chǎn)的不當(dāng)擴(kuò)大化”，建議采用“行業(yè)協(xié)會(huì)資產(chǎn)”這一政策性概念。沈永東、宋曉清（2016）提出，行業(yè)協(xié)會(huì)商會(huì)脫鉤改革要確保行業(yè)協(xié)會(huì)商會(huì)真正擁有獨(dú)立自主權(quán)，擁有獨(dú)立的社團(tuán)法人地位，政府不應(yīng)干涉行業(yè)協(xié)會(huì)商會(huì)獨(dú)立自主開(kāi)展活動(dòng)。

理想氣體方程：

運(yùn)動(dòng)過(guò)程能量守恒：

式中，δQ為熱產(chǎn)，Σδmiπi為輸入能量，Σδmeπe為輸出能量，dU內(nèi)能，δL做功，m為彈丸質(zhì)量，mq為氣體質(zhì)量，T1、T2分別為初始與炮口位置溫度，U1、U2為初始與炮口氣體內(nèi)能。W1、W2為初始與炮口時(shí)期氣體容積。γ為氣體絕熱系數(shù)，v為彈丸炮口速度。

速度與時(shí)刻容積關(guān)系式：

由火炮內(nèi)彈道學(xué)可知：

φ為次要功計(jì)算系數(shù)值，K為取決于氣體做功效率的實(shí)驗(yàn)因數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，氣體炮內(nèi)彈道計(jì)算時(shí)，可取K=1.1。

壓力與時(shí)刻容積的關(guān)系式：

2 試驗(yàn)論證

在保持彈丸的質(zhì)量5kg不變的情況下，依次改變初始?jí)毫?，?.00Mpa開(kāi)始以0.1Mpa為增量增加到1.60Mpa，一共7組數(shù)據(jù)。

射擊狀態(tài)：0°射角；

測(cè)試條件：采用接觸式網(wǎng)靶，使用DCS-453測(cè)時(shí)儀，同時(shí)一靶距和兩靶距炮口均為1m。

測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

對(duì)于非火藥燃?xì)獾母邏簹怏w做功問(wèn)題，采用以上所建立的計(jì)算模型和假設(shè)適用于空氣炮設(shè)計(jì)計(jì)算，計(jì)算誤差在3%以下。

表1 測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比

3 結(jié)論

通過(guò)上述數(shù)據(jù)擬合曲線，更形象地表達(dá)計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的誤差，如圖2初速計(jì)算值與實(shí)瀏值比較。

圖2 初速計(jì)算值與實(shí)瀏值比較

本文研究的氣體炮內(nèi)彈道理論和技術(shù)，應(yīng)用了內(nèi)彈道和氣體動(dòng)力學(xué)理論，所給出的計(jì)算公式和參數(shù)具有實(shí)用價(jià)值，已經(jīng)在某重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室得到應(yīng)用。實(shí)踐證明，該理論可方便、準(zhǔn)確、快捷地用于各種氣體炮技術(shù)的開(kāi)發(fā)和研制。

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