蘭慧，赫雷，周克棟

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

氣室裝置對變威力發(fā)射影響分析

蘭慧，赫雷，周克棟

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

身管開孔泄氣可以有效地調(diào)節(jié)彈丸初速實現(xiàn)變威力發(fā)射，身管開孔后通常加裝氣室裝置對火藥氣體進(jìn)行密閉或者通過氣室裝置引導(dǎo)火藥氣體排入大氣。針對氣室裝置結(jié)構(gòu)的不同，根據(jù)經(jīng)典內(nèi)彈道理論及氣體動力學(xué)原理，建立了變威力發(fā)射過程的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值仿真分析比較了兩種不同變威力發(fā)射方案調(diào)速效果，得出了不同泄氣孔面積對氣室壓力的影響規(guī)律，并研究了氣室孔面積大小對初速的影響，研究結(jié)果對外置氣室裝置式變威力發(fā)射武器研制具有重要的指導(dǎo)意義。

氣室裝置；變威力發(fā)射；內(nèi)彈道

0 引言

身管開孔泄氣是調(diào)節(jié)彈丸初速的一種有效方法，身管開孔后通常采用外接氣室裝置對火藥氣體進(jìn)行存儲，或者通過氣室引導(dǎo)火藥氣體排入大氣，氣室裝置是變威力發(fā)射武器上的關(guān)鍵部件之一，氣室裝置結(jié)構(gòu)的不同間接影響變威力發(fā)射調(diào)速效果[1-3]。文中在建立變威力發(fā)射內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，重點分析了兩種變威力發(fā)射方案，即密閉氣室泄氣變威力發(fā)射與非密閉氣室泄氣變威力發(fā)射，對比研究了兩種方案在不同泄氣孔面積時的初速變化，探討了氣室裝置對初速的影響機理，并分析了不同泄氣孔面積對氣室內(nèi)相關(guān)參數(shù)的影響規(guī)律。

1 變威力發(fā)射方案原理

變威力發(fā)射的基本原理是在身管上開泄氣孔釋放部分火藥氣體以減小膛壓實現(xiàn)槍械變威力發(fā)射。為了便于研究氣室裝置對變威力發(fā)射的影響規(guī)律，從氣室結(jié)構(gòu)不同的角度出發(fā)，首先研究兩種變威力發(fā)射方案：非密閉氣室泄氣變威力方案、密閉氣室泄氣變威力發(fā)射方案，將兩種方案與無泄氣正常發(fā)射狀態(tài)進(jìn)行比較分析。

1) 密閉氣室泄氣變威力發(fā)射。即氣室裝置采用密閉式，部分火藥氣體從槍膛流出后被存儲在氣室內(nèi)，火藥氣體并不會從氣室內(nèi)排出到大氣中，而只是在槍膛和氣室之間有相對流動。

2) 非密閉氣室泄氣變威力發(fā)射。即氣室裝置上開了一個氣室孔，用于將火藥氣體從氣室排入大氣，非密閉氣室相當(dāng)于起到容納火藥燃?xì)馐股砉軆?nèi)火藥燃?xì)饨祲翰馐覂?nèi)火藥氣體排出的作用。

兩種變威力發(fā)射方案與無泄氣正常發(fā)射結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 密閉氣室變威力發(fā)射結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 非密閉氣室變威力發(fā)射結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 無泄氣正常發(fā)射結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)以上變威力發(fā)射內(nèi)彈道的特點，為了既能簡化問題，又能使建立的模型充分接近真實的物理過程，對身管側(cè)孔泄氣變威力發(fā)射過程提出以下基本假設(shè)[4]：

a)內(nèi)彈道過程采用修正的經(jīng)典內(nèi)彈道模型描述。

b)膛內(nèi)流動過程是一個變質(zhì)量熱力學(xué)過程。

c)忽略火藥氣體與槍管、氣室的熱量交換。

d)火藥燃燒的穩(wěn)定性不受流出的火藥氣體的影響。

e)忽略泄氣孔對彈丸內(nèi)彈道特性產(chǎn)生的影響。

f)氣室內(nèi)氣體流動的假設(shè)：

1) 不考慮氣室內(nèi)氣流參數(shù)的空間分布，即將氣室內(nèi)氣體的壓力、密度、溫度都取為平均參數(shù)。

2) 導(dǎo)氣孔道的散熱忽略不計，氣室散熱忽略不計。

3) 氣室內(nèi)氣流滿足理想氣體狀態(tài)方程。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 非密閉氣室式變威力發(fā)射內(nèi)彈道方程

1) 膛內(nèi)壓力隨時間變化方程[5-7]

式中：θ=γ-1；γ、p、f、S、lψ、l、ω、ψ、qmb、v、W0、Δ、δm、α分別為絕熱指數(shù)、膛內(nèi)壓力、火藥力、槍膛橫斷面積、藥室自由容積縮徑長、彈頭運動位移、裝藥量、火藥已燃百分?jǐn)?shù)、流出膛內(nèi)的火藥氣體量、彈丸運動速度、藥室容積、火藥裝填密度、火藥密度、火藥氣體余容。

2) 彈丸位移方程

3) 彈丸運動方程

4) 幾何燃燒定律

5) 膛內(nèi)火藥燃?xì)饷芏确匠?/p>

式中：ρg、η1分別為膛內(nèi)火藥燃?xì)饷芏?、膛?nèi)流出的火藥氣體質(zhì)量。

6) 質(zhì)量流量方程

qmb=

7) 氣室內(nèi)氣體比內(nèi)能uq方程及膛內(nèi)氣體比內(nèi)能ui方程

式中：uq、ui分別為氣室內(nèi)氣體比內(nèi)能、膛內(nèi)氣體比內(nèi)能。

8) 氣室內(nèi)氣體壓力隨時間的變化方程

9) 氣室流入大氣的流量方程

式中：η2為從氣室排到大氣的火藥氣體質(zhì)量；Sq為氣室流入大氣的開孔面積。

10) 氣室內(nèi)氣體密度方程

ρq=ρ0+(η1-η2)/Vq

式中：ρ0為大氣密度。

2.2 密閉氣室式變威力發(fā)射內(nèi)彈道方程

對于密閉氣室式，只需令式(9)中的Sq=0，其余相同。

2.3 無泄氣正常發(fā)射內(nèi)彈道方程

對于無泄氣正常發(fā)射，省略掉氣室內(nèi)方程，同時將槍膛流入氣室的開孔面積Sb，定義為Sb=0，即為普通內(nèi)彈道過程。

3 計算結(jié)果分析

3.1 兩種變威力發(fā)射方案比較

現(xiàn)討論5種泄氣孔開孔面積：30 mm2，60 mm2，90 mm2，120 mm2，150 mm2，氣室與大氣通孔直徑12 mm，氣室容積為60 cm3，泄氣孔距彈底距離為40 mm，氣室孔面積為100 mm2。通過對兩種變威力發(fā)射方案與無泄氣正常發(fā)射狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值計算，得到彈丸初速值如表1和圖4所示。

表1 兩種變威力發(fā)射方案與無泄氣狀態(tài)發(fā)射初速對比表

圖4 兩種變威力發(fā)射方案初速與無泄氣初速對比

從表1和圖4可以看出，兩種變威力發(fā)射方案中，隨著泄氣孔面積的增大，非密閉氣室泄氣變威力發(fā)射方案的初速降低效果更好，非密閉氣室泄氣變威力發(fā)射速度降低幅度比密閉氣室泄氣變威力發(fā)射初速降低幅度大，說明了氣室孔對彈丸初速有影響(前者是氣室孔面積為100mm2，后者是氣室孔面積為0)，氣室孔面積越大，初速降低越明顯。

當(dāng)泄氣孔面積為150 mm2時，兩種變威力發(fā)射方案及無泄氣發(fā)射方案的膛壓-時間曲線和彈丸位移-時間曲線分別如圖5和圖6所示。

圖5 膛壓-時間曲線

圖6 速度-時間曲線

通過圖5和圖6可以看出：氣室作為大氣和槍膛的中間過渡空間，在彈丸出膛口的極短時間內(nèi)，能夠暫時存儲部分火藥氣體。對于相同的泄氣孔面積，非密閉氣室泄氣膛壓下降幅度大，速度降低明顯，密閉氣室比非密閉氣室存儲的火藥氣體更多，氣室壓力也更大，槍膛和氣室壓差更小，槍膛內(nèi)的氣體流入氣室的流量小，所以密閉氣室彈丸速度變化比非密閉氣室更不明顯。

3.2 氣室孔面積對初速的影響

氣室孔即是氣室內(nèi)火藥氣體流向大氣的通孔,通過內(nèi)彈道仿真計算程序，在泄氣孔面積150mm2狀態(tài)下，改變氣室孔面積的大小，得到氣室孔面積與初速對應(yīng)關(guān)系如圖7所示。

圖7 氣室孔面積與初速對應(yīng)關(guān)系

從圖7可以看出，氣室孔面積變化對初速的改變量不大，當(dāng)氣室孔面積為0～600 mm2之間時，隨著氣室孔面積增大，初速降低較快，因為當(dāng)氣室孔面積較小時，氣室孔面積的改變對氣室壓力的影響比較大，相應(yīng)地間接對彈丸初速的影響也比較大；當(dāng)面積超過600 mm2之后初速變化不大，因為隨著氣室孔面積達(dá)到較大值后，氣室孔面積的改變對氣室壓力的影響也更微弱，那么相應(yīng)的就對彈丸初速影響減弱。

3.3 氣室孔面積對氣室壓力的影響

保持初始參量(泄氣孔位置、面積，氣室容積)不變，在泄氣孔面積150 mm2狀態(tài)下，討論6種氣室孔面積時的氣室壓力隨時間的變化規(guī)律：0 mm2，30 mm2，60 mm2，90 mm2，120 mm2，150 mm2，數(shù)值仿真得到結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同氣室孔面積時的氣室壓力-時間曲線

由圖8可以看出，氣室孔面積為0時，氣室壓力上升速度最快，氣室壓力最大值也最大，因為氣室孔面積為0時，氣室密閉，相當(dāng)于是密閉氣室泄氣變威力發(fā)射，氣室內(nèi)火藥氣體不會直接流入大氣，相同條件下儲存的火藥氣體最多；隨著氣室孔面積的增大，氣室流出到大氣的流量增加，氣室壓力值上升得也越慢，最大氣室壓力值也越低。過了最大氣室壓力點后，氣室壓力下降速率也越快，氣室壓力值就越低。

3.4 幾種泄氣狀態(tài)下的氣室壓力變化規(guī)律

a) 非密閉氣室

保持初始參量(泄氣孔位置，氣室容積，氣室孔面積)不變，討論5種泄氣孔面積時的氣室壓力隨時間的變化規(guī)律：30 mm2，60 mm2，90 mm2，120 mm2，150 mm2，數(shù)值仿真得到結(jié)果如圖9所示。

圖9 非密閉氣室不同泄氣孔面積時氣室 壓力隨時間變化曲線

由圖9可以看出，在泄氣孔面積分別為30 mm2、60 mm2、90 mm2、120 mm2、150 mm2時，氣室內(nèi)對應(yīng)的最大壓力值分別為：3.51 MPa、5.43 MPa、6.18 MPa、6.54 MPa、6.72 MPa。泄氣孔面積越大，氣室內(nèi)氣體壓力增長的速度越快，達(dá)到最大壓力點的時間越短，氣體壓力最大值也越大；泄氣孔面積越小，氣室內(nèi)氣壓變化越平緩。泄氣孔面積較小時，泄氣孔面積的改變量對氣室壓力的變化比較敏感，泄氣孔面積較大時，泄氣孔面積的改變對氣室壓力的變化不敏感。

b) 密閉氣室

同樣保持初始參量不變，討論五種泄氣孔面積時的氣室壓力隨時間的變化規(guī)律：30 mm2，60 mm2，90 mm2，120 mm2，150 mm2，數(shù)值仿真得到結(jié)果如圖10所示。

圖10 密閉氣室不同泄氣孔面積時氣室 壓力隨時間變化曲線

由圖10可以看出，在泄氣孔面積分別為30 mm2、60 mm2、90 mm2、120 mm2、150 mm2時，氣室內(nèi)對應(yīng)的最大壓力值分別為：5.51 MPa、6.60 MPa、6.95 MPa、7.10 MPa、7.19 MPa。與非密閉氣室類似，泄氣孔面積越大，氣室內(nèi)氣體壓力增長的速度越快，達(dá)到最大壓力點的時間越短，氣體壓力最大值也越大。對于密閉氣室狀態(tài)，氣室壓力達(dá)到最大壓力點后，火藥氣體開始反流，即從氣室反流入槍膛內(nèi)，泄氣孔面積越大，反流的火藥氣體量也越多，氣室壓力下降的速度也越快，泄氣孔面積越小，氣室壓力變化越平緩。泄氣孔面積較小時，泄氣孔面積的改變量對氣室壓力的變化比較敏感，泄氣孔面積較大時，泄氣孔面積的改變對氣室壓力的變化不敏感。

4 結(jié)語

1) 為全面真實反映身管側(cè)向開孔變威力發(fā)射的內(nèi)彈道機理，利用經(jīng)典內(nèi)彈道理論，結(jié)合氣體動力學(xué)原理，建立了氣室有、無氣室孔的兩種變威力發(fā)射內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型。

2) 分析對比了密閉氣室、非密閉氣室兩種變威力發(fā)射方案，得出：泄氣孔距離、面積以及氣室容積參數(shù)相同的情況下，密閉氣室式變威力方案的調(diào)速效果不如非密閉氣室式。

3) 不僅僅氣室容積大小能夠影響彈丸初速，氣室上是否開孔以及氣室孔面積的大小也會影響彈丸初速。氣室孔面積較小時，氣室孔面積的改變對初速變化更為敏感。

4) 密閉氣室與非密閉氣室式變威力發(fā)射，彈丸出膛口前氣室裝置能夠存儲部分火藥氣體，泄氣孔面積大小對氣室壓力影響較大，泄氣孔面積越大，氣室內(nèi)氣室壓力增長的速度越快，氣室壓力最大值也越大；泄氣孔面積越小，氣室壓力變化越平緩。

5) 文中建立的變威力內(nèi)彈道模型可以定量求解在不同發(fā)射狀態(tài)時的初速、膛壓值，為變威力武器研究提供參考。

[1] 袁光林. 身管武器變初速發(fā)射機理與控制技術(shù)研究[D]. 南京：南京理工大學(xué)，2007，6.

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[3] Joseph Siniscalchi, Colonel, USAF. NON-Lethal Technologies Implications for Military Strategy [J]. Occasional Paper No. 3 Center for Strategy and Technology Air War College,1998,3.

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Analysis of Influence of Gas Chamber on Variable Power Launching

LAN Hui, HE Lei, ZHOU Kedong

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

Venting on barrel is an effective way to adjust the muzzle velocity and conduct variable power launching. A gas chamber device is usually installed on the barrel to seal propellant gas or guide the gas exhausting into the atmophere. For different structures of the chamber device, according to the classic interior ballistics theory and gas dynamics, a mathmatical model of the interior ballistics is established to describe the process of variable power launching. The effect of adjusting the muzzle velocity of two different variable power launching schemes is analyzed and compared, the influence rules of different venting areas on the chamber pressure and the venting area of the gas chamer on muzzle velocity are studied. The results are of great significance to the development of the variable power weapons with externally mounted gas chamber device.

gas chamber device; variable power launching; interior ballistics

蘭慧(1986-)，男，江西新余人，碩士研究生，研究方向為兵器科學(xué)與技術(shù)。

TJ012.1

B

1671-5276(2015)05-0036-04

2014-03-07