蔣淑園, 季曉松, 王 浩, 寧惠君

(1. 南京理工大學能源與動力工程學院, 江蘇 南京 210094; 2. 炮兵學院南京分院, 江蘇 南京 211132)

1 引 言

點傳火技術是火炮射擊過程中的關鍵技術之一,點傳火系統(tǒng)的好壞直接影響到火炮的內彈道性能[1-3]。一般的大口徑長藥室火炮,按裝藥結構來區(qū)分點傳火形式,通常粒狀藥采用中心傳火管點火,管狀藥采用底部點火。但是,對于大口徑平衡炮而言,內部裝藥量大,為改善傳火通道一般采用管狀裝藥。傳統(tǒng)的底部點火,傳火時間長,壓力波動大,是不安全的[4]。近年來,國內外相繼提出了許多新型的點火概念,如激光點火[5-6]、新型電點火、等離子點火、網絡點火等,這些新型點火技術理論上都能夠降低或避免大口徑火炮普遍存在的點火延遲和局部點火現象,但實際應用中電能的加載、時序放電的控制和火藥氣體的狀態(tài)平衡方面仍存在許多技術困難[7-10]。為此,軸向中心點火系統(tǒng)的改進和多點點火系統(tǒng)仍然是解決包括平衡炮在內的新型高性能大口徑火炮點火問題的研究方向。

文獻[11]中設計了多點點火裝置,但是僅對多點點火的發(fā)火一致性進行了試驗研究,并未對多點點火系統(tǒng)的內彈道性能進行相關的理論研究。本工作基于文獻[11]的研究,采用內彈道兩相流理論,對不同點火頭數目、相同規(guī)格傳火管內的點傳火過程進行了數值模擬,并結合在相應點傳火模擬試驗裝置中的試驗結果,對比分析了燃氣流動和能量釋放過程,得到了點火數量及點火位置在控制壓力波強度,抑制反常膛壓等方面的規(guī)律,為提升大口徑長藥室平衡炮內多點點傳火結構設計提供了參考。

2 多點點火結構及模擬試驗裝置

本研究所用的某大口徑平衡炮裝藥及點傳火系統(tǒng)如圖1所示。多點點火系統(tǒng)由6節(jié)傳火管前后緊密銜接而成。單節(jié)傳火管長0.5 m,其中兩端兩節(jié)長0.51 m,采用內管、外管套裝結構,見圖2。內管起點火作用, 外管起傳火功能,且內外管管體均可燃。點火具內外管均采用可燃藥筒制成,外管表面預制傳火孔,內管兩端為裝有小粒黑的點火藥盒,中間裝填裝大粒黑火藥的點火藥包(蛇形藥袋),點火藥盒通電發(fā)火后,產生的火焰點燃點火藥包(蛇形藥袋)中黑火藥,黑火藥燃燒產生的高溫、高壓氣體將內管漲裂,進而將能量通過外管表面?zhèn)骰鹂讉鬏數桨l(fā)射藥表面,點燃發(fā)射藥。

為研究其點傳火性能,設計了多點點火模擬裝置,如圖3所示[11]。節(jié)與節(jié)之間有銜接器,可方便進行不同長度的試驗,每個銜接器上開有測壓孔,用于安裝壓力傳感器。兩端的銜接器設計有密封環(huán),用于壓緊鋁制膜片,接線一端的鋁制膜片上裝有接線柱。試驗采用的多點點傳火系統(tǒng)共有12個點火源,7個點火位置,從左至右依次標記為P0-P6,結構示意圖如圖4所示。試驗裝置圖如圖5所示。

圖1 火炮裝藥結構示意圖

1—點火藥盒, 2—發(fā)射藥, 3—中心傳火管, 4—彈丸, 5—平衡體

Fig.1 Schematic diagram of the charge of the gun

1—ignition box, 2—propellant, 3—center igniter tube,4—projectile, 5—the counterpoise

圖2 單節(jié)中心傳火管結構示意圖

1—點火導線, 2—噴孔, 3—蛇形藥袋, 4—點火藥盒及點火頭

Fig.2 Schematic diagram of the single center igniter tube construction

1—ignition wire, 2—nozzle hole, 3—snake-shaped powder bag, 4—ignition box and igniter

圖3 多點點傳火試驗模擬裝置結構示意圖

1,4—測壓孔, 2,3,8—點火藥盒, 5—泄壓膜片, 6—中心傳火管, 7—聯(lián)接器

Fig.3 Schematic diagram of the multi-point ignition/flame spreading analog device

1,4—piezometric holes, 2,3,8—ignition boxes, 5—relief diaphragm, 6—center igniter tube, 7—coupling

圖4 點火頭位置示意圖

1—中心傳火管, 2—聯(lián)接器

Fig.4 Diagram of the position of the igniters

1—center igniter tube, 2—coupling

圖5 多點點傳火試驗模擬裝置照片

Fig.5 Photo of the multi-point ignition/flame spreading analog device

3 數值模型的建立

3.1 基本假設

對實際過程進行簡化處理,提出以下基本假設:

(1)雙流體假設。把大粒黑火藥顆粒群當作一種具有連續(xù)介質特性的擬流體來處理,認為大粒黑火藥顆粒群組成的固相連續(xù)分布在氣相中;

(2)考慮火藥顆粒和火藥燃氣的兩相流動,忽略徑向流動的影響,認為傳火孔只噴出火藥氣體,而無火藥顆粒,并且簡化為軸向一維流動,認為傳火管的橫截面面積不變;

(3)假設黑火藥的燃燒產物全為氣相,用比熱比修正燃氣混合物的熱力學參量;

(4)黑火藥的著火準則為表面溫度準則,即火藥表面溫度達到著火溫度火藥開始燃燒;

(5)假設黑火藥的燃燒速度僅與壓力相關,忽略侵蝕燃燒和黑火藥初始溫度的影響;

(6)忽略氣體的粘性耗散和對管壁的熱損失;

(7)黑火藥固體不可壓縮,黑火藥固體顆粒大小一致,用藥粒的當量尺寸來表示全部藥粒的尺寸;

(8)黑火藥燃氣服從諾貝爾-阿貝爾狀態(tài)方程;

(9)對于相間阻力、顆粒間應力、相間熱交換及化學反應等微觀過程,假定作為兩相當地平均狀態(tài)的函數,并用經驗方程處理。

3.2 守恒方程組

基于以上假設,結合文獻[12],建立數學模型如下:

(1)連續(xù)方程

氣相連續(xù)方程:

(1)

固相連續(xù)方程:

(2)

(2)動量方程

氣相動量方程:

(3)

固相動量方程:

(4)

式中,fs,Rp表示相間阻力和顆粒間應力,N;uI為點火頭內燃燒噴射進入黑火藥時的氣體速度,m·s-1;uP為黑火藥氣體從傳火孔流出的速度,m·s-1。

(3)氣相能量方程

(5)

Qp為相間傳熱,J·m-3·s-1;q表示相間熱傳導,J·m-3·s-1;ep為固相比內能,J·kg-1;eg為氣相比內能,J·kg-1;eI為點火頭內火藥燃燒釋放出的化學能J·kg-1。

(4)輔助方程

輔助方程包括相間阻力、相間熱交換、狀態(tài)方程、火藥燃燒速率、形狀函數、顆粒間應力和火藥表面溫度的方程,具體參見文獻[12]。

4 點傳火特性對比分析

對于長度3.2 m的藥室采用單點底部點火或頂端點火,勢必會造成不均勻的局部點火,容易產生火藥床的擠壓和藥粒群在底部和端部的堆積現象,討論單點底部或端部點火是沒有任何意義的。因此,本研究討論中間單點點火,即P3點點火,兩點點火: P2,P4中間兩點和P1,P5兩端兩點點火幾種情況的點傳火特性。采用Mac Cormack差分格式[12]對上節(jié)建立的模型進行數值模擬,傳火管尺寸、發(fā)射藥量、底火加入的時間等量都保持不變,點火藥盒產生的火藥氣體以源項形式加入傳火管方程,通過控制源項加入的位置,實現點火數量和點火位置的調整,對得到的計算結果展開對比分析如下。

4.1 P3單點點火

圖6和圖7為采用單點點火時傳火管內的壓力和空隙率計算曲線。由圖6單點點火時壓力沿軸向分布圖可以看出,在點火初始由于點火藥盒燃燒產生的高溫高壓火藥氣體的加入,形成沿軸向的初始壓力梯度。點火藥盒產生的火藥氣體通過對流和輻射作用加熱附近的大粒黑火藥,引燃更多的火藥,產生壓力陣面的移動,火藥氣體進而隨著壓力波向藥盒兩邊傳播?；鹚帤怏w在通過點火間隙時流動遇到阻礙,壓力波使得未點燃的黑火藥顆粒也由點火藥盒向兩邊運動。

圖6 單點點火時壓力沿軸向分布圖

Fig.6 Pressure distribution along axis of the single point ignition

圖7 單點點火時空隙率沿軸向分布圖

Fig.7 Void ratio distribution along axis of the single point ignition

布曲線可以看出,在壓力波的作用下,未點燃的火藥向中心管兩端運動,在運動的過程中即出現空隙率的大幅度降低,且隨著時間的推移,出現較低的空隙率,3.37 ms時火藥仍未全面點燃,離兩端0.6 m左右處的火藥空隙率已經降到了0.5以下,說明火藥顆粒在此處已經堆積較為嚴重。實際應用中,由于點火藥的剛性較差,藥粒運動堆積過程中的碰撞,很可能導致藥粒的破碎和變形,傳火通道被堵塞等,造成點火管不同部位的異常壓力輸出,進一步影響點火藥的正常燃燒,出現異常。因此,這種大量堆積的現象對發(fā)射安全性無疑是不利的。

4.2 P2,P4中間兩點點火

由圖8中P2,P4中間兩點點火的壓力計算曲線可以看出,由于點火發(fā)生在兩點,點火開始后,壓力波分別向兩端和中間推進,壓力峰值隨著壓力波的移動而移動,2.33 ms左右中間兩波相遇時產生更高的壓力峰值。從圖9和圖10中的速度分布曲線也可以看出,由于氣體和火藥顆粒同時向兩端和中間運動,因此,與單點點火相比,火藥氣體傳播的面積更廣,傳火時間縮短。

P2,P4中間兩點點火時,向兩端傳播距離大于往中間傳播的距離,但向兩端傳播距離小于單點點火方式,圖11表明火藥堆積的范圍較單點點火縮小,3.32 ms時空隙率在靠近兩端處出現了較低的值,說明堆積現象仍比較嚴重。

圖8 P2,P4中間兩點點火時壓力沿軸向分布圖

Fig.8 Pressure distribution along axis of the two-point ignition (P2 and P4 intermediate points)

圖9 P2,P4中間兩點點火時氣相速度沿軸向分布圖

Fig.9 Gas velocity distribution along axis of the two-point ignition(P2 and P4 intermediate points)

圖10 P2,P4中間兩點點火時固相速度沿軸向分布圖

Fig.10 Gas velocity ratio distribution along axis of the two-point ignition(P2 and P4 intermediate points)

圖11 P2,P4中間兩點點火時空隙率沿軸向分布圖

Fig.11 Void ratio distribution along axis of the two-point ignition(P2 and P4 intermediate points)

4.3 P1,P5兩端兩點點火

圖12～圖15為P2,P5兩端點同時點火所得特征量曲線。同P2,P4中間兩點點火一樣,P1,P5兩端兩點點火的傳火時間,傳火速度也明顯優(yōu)于單點點火。

與P2,P4中間兩點點火不同的是,此時,壓力波向中間傳播的距離大于兩端,壓力波達到中間的時間滯后,火藥在中間堆積明顯,3.23 ms時傳火接近中間時出現了較低的空隙率。從以上對比不難得出結論,壓力梯度的不均勻分布,壓力波在傳火管內傳播的強度和時間,是產生火藥堆積的主要原因。

圖12 P1,P5兩端點點火時壓力沿軸向分布圖

Fig.12 Pressure distribution along axis of the two-point ignition (P1 and P5 end points)

圖13 P1,P5兩端點點火時空隙率沿軸向分布圖

Fig.13 Void ratio distribution along axis of the two-point ignition(P1 and P5 end points)

圖14 P1,P5兩端點點火時氣相速度沿軸向分布圖

Fig.14 Gas velocity distribution along axis of the two-point ignition (P1 and P5 end points)

圖15 P1,P5兩端點點火時固相速度沿軸向分布圖

Fig.15 Gas velocity distribution along axis of the two-point ignition(P1 and P5 end points)

4.4 七點點火

沿軸向分布圖,由圖中可見點火初始,由于七個點火藥盒同時產生火藥氣體向兩邊噴出,因此形成鋸齒狀的壓力梯度分布。七個點火頭同時點火,主裝藥被點燃的面積大,短時間內中心管內整體壓力迅速升高。圖17和圖18中速度曲線也可以看出,氣相和固相向兩邊流動的速度并沒有因為壓力的變化而加快,反而隨著時間的推移,逐漸減緩,說明點火管內壓力波強度較小,火藥在點火藥盒附近穩(wěn)定燃燒,直到兩端膜片打開。整個過程壓力分布均勻,氣體和顆粒流動不劇烈,有助于形成均勻一致的點火,降低初速散布。

從圖19中可以看出,空隙率在整個點傳火過程中分布也較為穩(wěn)定,兩個點火藥盒之間的空隙率略微低于點火藥盒處,但都保持較高的值,沒有造成明顯的火藥堆積現象。說明采用多點點火技術大大提高了點傳火的安全性。均勻的火藥氣體也對保證火藥充分燃燒,提高火藥利用率有利。

此外,還可以看出,采用多點點火技術,2.43 ms時點火管內的火藥已經接近全部燃完,火藥氣體充斥著整個點火管,傳火時間遠遠小于單點點火和兩點點火。這說明改進的多點點火方案對減小傳火距離相對較長的大口徑長藥室平衡炮傳火時間有利。

圖16 七點點火時壓力沿軸向分布圖

Fig.16 Pressure distribution along axis of the seven-point ignition

圖17 七點點火時氣相速度沿軸向分布圖

Fig.17 Gas velocity distribution along axis of the seven-point ignition

圖18 七點點火時固相速度沿軸向分布圖

Fig.18 Solid velocity distribution along axis of the seven-point ignition

圖19 七點點火時空隙率沿軸向分布圖

Fig.19 Void ratio distribution along axis of the seven-point ignition

在數值分析的基礎上,在上面介紹的點傳火模擬試驗裝置上進行了七點點傳火試驗。試驗證明這12個點火源均工作正常,由圖20可見,達到最大壓力的時間及趨勢基本吻合,未見明顯的壓力振蕩,說明點傳火系統(tǒng)點傳火性能良好,結構設計合理。計算所得的點火頭附近壓力曲線和試驗結果相對吻合。誤差出現在點火開始階段,這是由于試驗測壓孔安裝在點火管壁,且點火頭內的點火藥逐漸燃燒流入傳火管,而計算過程更主要反映的是傳火管中心形成的瞬時高壓,點火藥以火藥氣體的形式從源項快速加入,因此壓力上升較快。計算結果和試驗結果都表明,采用多點點火技術傳火管內各點壓力一致性好,有利于提高大口徑長藥室火炮點傳火特性。但是,對于一定長度的藥室,傳火管的長度也是有限的,太多的點火頭數必然導致工藝難度增加,連接更為復雜,點火過程中的不穩(wěn)定因素增多,因此在應用多點點火技術的同時,要適當控制點火頭數。本研究的某大口徑平衡炮內采用七點點火可行性高,滿足了設計要求。

圖20 七點點火各測壓點處壓力曲線試驗與計算結果對比圖

p0～p6—測壓點P0-P6測得曲線,c0～c6—點火頭處計算曲線

Fig.20 Comparison chart of calculated and experimental pressure in the seven-point ignition

p0～p6—pressure curve tested by pressure sensor at igniters senser P0-P6,c0～c6: calculation curves on the igniters position at P0-P6

5 結 論

針對大口徑長藥室平衡炮炮內點傳火距離長,藥量大等問題,建立了某中心點傳火裝置的一維兩相流模型,并對幾種點火頭數量下的相同傳火管的點傳火過程進行數值模擬,得到分別采用單點點火、兩點(中間和兩端)點火及七點點火三種方式的傳火管內壓力、兩相速度、空隙率分布規(guī)律,并與相關試驗結果進行對比,分析表明:

(1)對大口徑長藥室平衡炮而言,采用單點點火結構傳火時間長,容易造成火藥在局部大量堆積,不利于發(fā)射安全性。

(2)采用兩點點火結構(3.3 ms),較單點點火(3.37 ms)可以縮短傳火時間,但是在改善火藥堆積問題上仍有欠缺。

(3)采用多點點火結構可以有效縮短傳火時間(2.43 ms),提高點火壓力均勻性和一致性,有利于保證火藥正常燃燒,從而避免傳火管內壓力波異?，F象的發(fā)生。試驗結果也進一步證實了計算分析的合理性。多點點火技術在大口徑長藥室平衡炮中應用具有優(yōu)越性。但是要注意的是,點火頭數過多會加大實際操作上的難度,因此要根據實際情況合理增加點火頭數目。

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