蔣淑園,王　浩,林長津,王金龍

(南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,南京 210094)

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大口徑高速平衡炮點(diǎn)火具系統(tǒng)點(diǎn)火試驗(yàn)及理論研究

蔣淑園,王浩,林長津,王金龍

(南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,南京 210094)

為了了解點(diǎn)火導(dǎo)線型號的不同對多點(diǎn)點(diǎn)傳火系統(tǒng)一致性的影響,也為大口徑高速平衡炮選擇合適的點(diǎn)火導(dǎo)線提供參考,該文對常用的2種點(diǎn)火導(dǎo)線進(jìn)行了多點(diǎn)點(diǎn)傳火具的發(fā)火試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:多根導(dǎo)線并聯(lián)降阻,減小連接線長度,可以有效減小導(dǎo)線電阻對點(diǎn)火時(shí)間延遲的影響。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對多點(diǎn)點(diǎn)傳火管進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)值模擬,驗(yàn)證了試驗(yàn)中所用24 m、10 mm2銅導(dǎo)線可以有效發(fā)揮點(diǎn)火同步性,減小壓力波強(qiáng)度,滿足了480 mm大口徑高速平衡炮對多點(diǎn)點(diǎn)傳火系統(tǒng)性能的需求。該研究為相關(guān)大口徑火炮的點(diǎn)傳火系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)。

平衡炮;多點(diǎn)點(diǎn)火;點(diǎn)傳火試驗(yàn);數(shù)值模擬

點(diǎn)火過程是火炮發(fā)射重要的起始過程。點(diǎn)火的均勻性、瞬時(shí)性是檢驗(yàn)一個(gè)點(diǎn)火過程好壞的標(biāo)準(zhǔn)。不均勻的局部點(diǎn)火容易產(chǎn)生大振幅的壓力波,嚴(yán)重的情況下可能引起膛炸。在火炮及一些發(fā)射裝置的設(shè)計(jì)中,良好而可靠的點(diǎn)傳火系統(tǒng)對彈道穩(wěn)定性和射擊安全性尤其重要,點(diǎn)火系統(tǒng)的合理性關(guān)系到彈藥系統(tǒng)能否安全、可靠地作用,直接影響著發(fā)射藥點(diǎn)火與燃燒的一致性、膛內(nèi)壓力波的產(chǎn)生情況及膛壓與初速的穩(wěn)定性等[1-6]。

大口徑火炮[7-9]普遍存在點(diǎn)火延遲和局部點(diǎn)火現(xiàn)象,這會使得反常壓力波生成的概率增加。本文研究的480 mm平衡炮[7]藥室長,裝藥量大,因此設(shè)計(jì)選用多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)火。多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火頭數(shù)目多,對各點(diǎn)火具的發(fā)火一致性有較高的要求。文獻(xiàn)[10]對多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火頭進(jìn)行了深入的研究,通過試驗(yàn)選取了點(diǎn)火一致性較好的點(diǎn)火頭。而點(diǎn)火頭是通過導(dǎo)線與點(diǎn)火電源相連的。一般情況下,點(diǎn)火的導(dǎo)線對點(diǎn)火一致性的影響較小,可以忽略,但是,對大口徑480 mm高速平衡炮而言,炮口沖擊波等安全性因素要求導(dǎo)線具有較長的長度,一般為幾十米。在這種條件下,導(dǎo)線的電阻值對點(diǎn)火一致性的影響就不容忽視了。為了研究多點(diǎn)點(diǎn)火具系統(tǒng)在點(diǎn)火電源作用下同步點(diǎn)火的一致性,本文進(jìn)行了多點(diǎn)點(diǎn)火具系統(tǒng)發(fā)火試驗(yàn),研究導(dǎo)線電阻對點(diǎn)火一致性的影響規(guī)律,為最大程度發(fā)揮多點(diǎn)點(diǎn)火優(yōu)勢,保證大口徑高速平衡炮的點(diǎn)火均勻性以及發(fā)射安全性提供依據(jù)。

1　多點(diǎn)點(diǎn)火具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示,多點(diǎn)點(diǎn)火具點(diǎn)火網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括點(diǎn)火線、引接線、裝藥模塊并聯(lián)線和點(diǎn)火具等部分。其中點(diǎn)火線由平衡體內(nèi)點(diǎn)火線和平衡體外點(diǎn)火線兩部分組成,平衡體內(nèi)點(diǎn)火線長9 m。點(diǎn)火線使用聚氯乙烯薄膜繞包導(dǎo)線。引接線和裝藥模塊并聯(lián)線使用聚四氟乙烯薄膜繞包絕緣導(dǎo)線。引接線長度為5 m。根據(jù)大口徑480 mm平衡炮的藥室長度,設(shè)計(jì)的點(diǎn)火系統(tǒng)由9節(jié)50 cm的點(diǎn)火管串聯(lián)組成。每節(jié)點(diǎn)火管的兩端設(shè)置點(diǎn)火頭,因此設(shè)計(jì)的點(diǎn)火系統(tǒng)中共并聯(lián)有18個(gè)點(diǎn)火具。點(diǎn)火具排布實(shí)物圖如圖2所示。

圖2　點(diǎn)火具排布圖

2　多點(diǎn)點(diǎn)火具發(fā)火試驗(yàn)內(nèi)容

多點(diǎn)點(diǎn)傳火系統(tǒng)的好壞與導(dǎo)線的選取有著密切的聯(lián)系。因此,擬通過選取相同的點(diǎn)火頭并聯(lián),在同一點(diǎn)火電源產(chǎn)生的相同點(diǎn)火電壓下點(diǎn)火,測試選取不同導(dǎo)線點(diǎn)火頭被點(diǎn)燃的時(shí)間,來測得多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)的發(fā)火延遲時(shí)間。試驗(yàn)內(nèi)容包括以下2個(gè)方面:

①采用45 m點(diǎn)火線進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)。按點(diǎn)火線(含平衡體內(nèi)部連接線和外部連接線)長45 m進(jìn)行2發(fā)點(diǎn)火試驗(yàn)。其中,點(diǎn)火線為6 mm2,未采取并聯(lián)降阻。5 m引接線也未采取并聯(lián)降阻。點(diǎn)火電源電流設(shè)置為90 A,電壓設(shè)置為34 V。

②采用24 m點(diǎn)火線進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)。使用24 m點(diǎn)火線進(jìn)行試驗(yàn),其中平衡體外點(diǎn)火線由2根10 mm2導(dǎo)線并聯(lián)組成,平衡體內(nèi)點(diǎn)火線使用單根10 mm2導(dǎo)線。5 m長引接線由3根聚四氟乙烯薄膜繞包絕緣導(dǎo)線并聯(lián)而成。經(jīng)測量,整個(gè)點(diǎn)火回路電阻為0.4 Ω。點(diǎn)火電源電流設(shè)置為90 A,電壓設(shè)置為34 V。

試驗(yàn)步驟如下:

①將多點(diǎn)電點(diǎn)火具按順序擺放于試驗(yàn)桿上并用膠帶固定,如圖2所示。

②連接銅導(dǎo)線與電點(diǎn)火具連接端,點(diǎn)火具連接端位于中部。

③將銅導(dǎo)線另外一端按要求連接于點(diǎn)火電源。

④布置高速錄像系統(tǒng)與合適位置,確保所有點(diǎn)火具處于高速錄像視場之內(nèi);調(diào)整高速錄像至合焦?fàn)顟B(tài),將拍攝頻率置于20 000 s-1;設(shè)置高速錄像于待觸發(fā)狀態(tài)。

⑤在確認(rèn)高速錄像系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒后發(fā)布點(diǎn)火指令,高速錄像系統(tǒng)記錄點(diǎn)火過程。

⑥判讀高速錄像結(jié)果,判斷點(diǎn)火過程持續(xù)時(shí)間。

3　多點(diǎn)點(diǎn)火具發(fā)火試驗(yàn)結(jié)果

按要求共進(jìn)行了2發(fā)使用45 m點(diǎn)火線的多點(diǎn)點(diǎn)火具發(fā)火試驗(yàn)和1發(fā)使用24 m點(diǎn)火線的點(diǎn)火試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如下。

1)45 m點(diǎn)火線試驗(yàn)。

進(jìn)行了2發(fā)使用45 m點(diǎn)火線的多點(diǎn)點(diǎn)火具發(fā)火試驗(yàn)。第1發(fā)點(diǎn)火試驗(yàn)中高速錄像所得照片如圖3所示。第1個(gè)被點(diǎn)燃的點(diǎn)火具于-9 101幅被點(diǎn)燃,位于中部。此后其余點(diǎn)火具分別被點(diǎn)燃,點(diǎn)燃次序總體來看是由中間向兩端擴(kuò)展的。最后被點(diǎn)燃的點(diǎn)火具位于最右端,于-8 893幅被點(diǎn)燃。由此可知,整個(gè)點(diǎn)火過程持續(xù)208幅。由于拍攝頻率為20 000 s-1,故整個(gè)發(fā)火過程持續(xù)10.4 ms。

圖3　45 m點(diǎn)火線第1發(fā)高速錄像圖

圖4為第2發(fā)45 m點(diǎn)火線發(fā)火試驗(yàn)中高速錄像所得照片。

圖4　45 m連接線第2發(fā)高速錄像圖

從圖4中可以看出,第1個(gè)被點(diǎn)燃的點(diǎn)火具于-8 944幅被點(diǎn)燃,位于中部。此后中間約4～5個(gè)點(diǎn)火具分別被點(diǎn)燃。約5.9 ms(118幅)后兩側(cè)點(diǎn)火具才被迅速點(diǎn)燃。點(diǎn)燃次序仍然是由中間向兩端擴(kuò)展。最后被點(diǎn)燃的幾個(gè)點(diǎn)火具位于最右端,于-8 750幅被點(diǎn)燃。由此可知,整個(gè)點(diǎn)火過程持續(xù)194幅,整個(gè)發(fā)火過程持續(xù)9.7 ms。

根據(jù)2發(fā)試驗(yàn)結(jié)果,點(diǎn)火過程持續(xù)約10 ms,點(diǎn)火具點(diǎn)燃的次序遵循由中間向兩側(cè)的趨勢。

2)24 m點(diǎn)火線試驗(yàn)。

進(jìn)行了1發(fā)使用24 m點(diǎn)火線的多點(diǎn)點(diǎn)火具點(diǎn)火試驗(yàn),高速錄像所得照片如圖5所示。由圖可見,在97幅時(shí)沒有點(diǎn)火具被點(diǎn)燃。在98幅時(shí)點(diǎn)火網(wǎng)絡(luò)中部有5個(gè)點(diǎn)火具發(fā)火。在99幅時(shí)點(diǎn)火網(wǎng)絡(luò)中部有9個(gè)點(diǎn)火具已經(jīng)發(fā)火。在100幅時(shí)最左側(cè)5個(gè)點(diǎn)火具、最右側(cè)3個(gè)點(diǎn)火具和中部一個(gè)點(diǎn)火具也已經(jīng)發(fā)火,至此,所有18個(gè)點(diǎn)火具均已發(fā)火。整個(gè)發(fā)火過程持續(xù)4幅,計(jì)0.2 ms。點(diǎn)火具發(fā)火次序基本遵循從中間向兩端移動(dòng)的規(guī)律。

圖5　24 m連接線高速錄像圖

4　試驗(yàn)結(jié)果分析

從上述的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,導(dǎo)線的電阻對點(diǎn)火完成時(shí)間影響較大,在采用45 m、6 mm2銅導(dǎo)線時(shí)完成發(fā)火需要約10 ms,而采用24 m、10 mm2銅導(dǎo)線(含并聯(lián))時(shí)完成發(fā)火僅需0.2 ms。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),不論選用哪種導(dǎo)線,發(fā)火過程幾乎都遵循了從中間往兩端逐漸點(diǎn)燃的趨勢。因此,為了進(jìn)一步研究導(dǎo)線電阻造成的點(diǎn)火頭點(diǎn)火延遲對大口徑高速平衡炮點(diǎn)傳火過程的影響,取2發(fā)點(diǎn)火耗時(shí)分別為0.2 ms和10 ms的結(jié)果。理論上假設(shè)18個(gè)點(diǎn)火頭從中間向兩邊逐漸被點(diǎn)燃,數(shù)值模擬導(dǎo)線電阻不同對點(diǎn)火性能的影響。圖6為大口徑高速平衡炮采用的9節(jié)點(diǎn)火管串聯(lián)的多點(diǎn)點(diǎn)傳火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。每節(jié)點(diǎn)火管兩端設(shè)計(jì)有點(diǎn)火藥盒,通過0～17共18個(gè)點(diǎn)火頭進(jìn)行點(diǎn)火。

圖6　多點(diǎn)點(diǎn)傳火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4.1數(shù)學(xué)模型

文獻(xiàn)[7]詳細(xì)敘述了多點(diǎn)點(diǎn)傳火管內(nèi)的一維兩相流建模和數(shù)值模擬方法,這里不再贅述。

建立點(diǎn)傳火系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。

1)連續(xù)方程。

氣相連續(xù)方程:

(1)

固相連續(xù)方程:

(2)

2)動(dòng)量方程。

氣相動(dòng)量方程:

(3)

固相動(dòng)量方程:

(4)

式中:Fs為相間阻力,N;σp為顆粒間應(yīng)力,Pa;uI為點(diǎn)火頭內(nèi)燃燒噴射進(jìn)入黑火藥時(shí)的氣體速度,m/s。

3)氣相能量方程。

(5)

式中:Qp為相間傳熱,J·m-3·s-1;ep為固相比內(nèi)能J·kg-1;eg為氣相比內(nèi)能J·kg-1;eI為點(diǎn)火頭內(nèi)火藥燃燒釋放出的化學(xué)能J·kg-1。

4)輔助方程。

輔助方程包括相間阻力方程、相間熱交換方程、狀態(tài)方程以及火藥燃燒速率、形狀函數(shù)、顆粒間應(yīng)力和火藥表面溫度的方程,具體參見文獻(xiàn)[11]。

4.2仿真結(jié)果分析

采用MarcCormack差分格式對上述模型進(jìn)行數(shù)值模擬,編制相應(yīng)程序。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,首先選擇點(diǎn)火頭總發(fā)火時(shí)間為10 ms左右(情況1),由中間向兩邊將不同點(diǎn)火藥盒中的能量以一定時(shí)間差加入到點(diǎn)火管中,即首先8#、9#點(diǎn)火頭點(diǎn)火,1.25 ms左右,7#、10#點(diǎn)火頭點(diǎn)火,點(diǎn)火藥盒的能量加入點(diǎn)火管中,再過1.25 ms,6#、11#點(diǎn)火頭點(diǎn)火,依次類推,得到多點(diǎn)點(diǎn)傳火管內(nèi)的壓力如圖7(a)所示。同理,選擇點(diǎn)火頭總發(fā)火時(shí)間0.2 ms(情況2),由中間向兩邊依次點(diǎn)火,得到點(diǎn)傳火管內(nèi)的壓力曲線如圖7(b)所示。由圖7(a)可以看出,當(dāng)從中間至兩端全部點(diǎn)火頭都被點(diǎn)燃的時(shí)間為10 ms時(shí),點(diǎn)火系統(tǒng)內(nèi)的壓力也表現(xiàn)出從中間到兩端逐漸上升的趨勢,點(diǎn)火管全面被點(diǎn)火,壓力整體開始上升的時(shí)間在5 ms左右。由圖7(b)可以看出,當(dāng)點(diǎn)火時(shí)間差最大為0.2 ms時(shí),點(diǎn)火管壓力上升都較迅速,幾乎是瞬間全面點(diǎn)燃。點(diǎn)火管各位置處的壓力上升也較為均勻一致。圖8、圖9分別為2種情況下時(shí)間為1.0 ms和7.0 ms的空隙率沿軸向的分布曲線。圖7(a)為1.0 ms時(shí)的壓力曲線,由于導(dǎo)線電阻影響導(dǎo)致點(diǎn)火頭發(fā)火不一致,所以1.0 ms時(shí),情況1的點(diǎn)火頭才被點(diǎn)燃2個(gè),點(diǎn)火頭附近的空隙率上升。而情況2的點(diǎn)火管1.0 ms都已經(jīng)被點(diǎn)燃,使得整個(gè)點(diǎn)火管內(nèi)點(diǎn)火頭附近的空隙率都已經(jīng)上升,差距較小。2種情況下的鋸齒都是由于點(diǎn)火頭附近氣體被點(diǎn)燃,推動(dòng)火藥往傳火管中間移動(dòng),因此中間空隙率略有下降,但是并未嚴(yán)重堆積。圖9為7.0 ms的空隙率分布。由圖9(b)可以看出,雖然依然有鋸齒形態(tài)出現(xiàn),但空隙率在穩(wěn)步上升。這個(gè)鋸齒一部分是受之前的影響,一部分是由于傳火孔中氣體不斷地噴出,有傳火孔的地方和沒有傳火孔的地方會有區(qū)別。但是根據(jù)圖9(a)中情況1的空隙率分布曲線,點(diǎn)火系統(tǒng)中間部分的空隙率上升,但是兩端空隙率卻大大下降,產(chǎn)生了堆積,這對于點(diǎn)火安全一致性是不利的。綜上可以看出,采用24 m、10 mm2銅導(dǎo)線(含并聯(lián))時(shí)，總發(fā)火時(shí)間為0.2 ms,多點(diǎn)點(diǎn)傳火系統(tǒng)能夠保持較好的均勻一致性,能夠發(fā)揮多點(diǎn)點(diǎn)傳火結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

圖8　1.0 ms時(shí)的空隙率分布曲線

圖9　7.0 ms時(shí)的空隙率分布曲線

5　結(jié)論

①選取不同規(guī)格的導(dǎo)線,進(jìn)行了3發(fā)多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火試驗(yàn),各點(diǎn)火頭都順利點(diǎn)火,說明設(shè)計(jì)的多點(diǎn)點(diǎn)火結(jié)構(gòu)可行,工作安全可靠。

②通過試驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn),24 m、10 mm2銅導(dǎo)線(含并聯(lián))完成發(fā)火的時(shí)間遠(yuǎn)小于45 m、6 mm2銅導(dǎo)線完成發(fā)火的時(shí)間，這說明選取多根導(dǎo)線并聯(lián)降阻,減小連接線長度,可以有效減小導(dǎo)線電阻對點(diǎn)火時(shí)間延遲的影響。值得一提的是,減小導(dǎo)線長度意味著點(diǎn)火電源將離炮口更近,炮口沖擊波對電源的沖擊作用將會更為嚴(yán)重,這對電源的防護(hù)提出了更高的要求。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)根據(jù)可以滿足要求的點(diǎn)火延遲時(shí)間來選擇合適的點(diǎn)火網(wǎng)絡(luò)電阻值。

③在試驗(yàn)所得24 m、10 mm2銅導(dǎo)線發(fā)火時(shí)間較短的基礎(chǔ)上,利用兩相流理論對點(diǎn)傳火管內(nèi)的壓力分布情況進(jìn)行了數(shù)值仿真分析,得到膛內(nèi)壓力分布一致性較高,可以有效發(fā)揮多點(diǎn)點(diǎn)火優(yōu)越性的結(jié)論。本文為大口徑480 mm高速平衡炮的點(diǎn)傳火設(shè)計(jì)提供了有效的理論和試驗(yàn)基礎(chǔ),同時(shí)對相關(guān)大口徑火炮的裝藥設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

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Experiment and Theory Research on the Ignition System of Large-caliber High-speed David Gun

JIANG Shu-yuan,WANG Hao,LIN Chang-jin,WANG Jin-long

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

To study the effect of ignition wire on the consistency of multi-point ignition system and to select right wire for large-caliber high-speed David gun,two types of wire were tested to gain their ignition time.The test conclusion shows that it can reduce the effect of wire resistance on the ignition delay time to parallel the wires and reduce the length of wires.Based on the experiment results,the multi-point ignition system was further numerically simulated.The 24-meter 10-square-millimeter copper wire was verified to be useful in developing the ignition synchronization and reducing the intensity of the pressure waves.This kind of wires can effectively meet the demand of the large-caliber high-speed 480 mm guns and ensure the performance of the multi-point ignition system.This study provides a theoretical and experimental basis for the related research of large caliber gun ignition system.

Davis gun;multi-point ignition;ignition test;numerical simulation

2016-05-19

蔣淑園(1988- ),女,博士研究生,研究方向?yàn)楝F(xiàn)代發(fā)射理論與技術(shù)。E-mail:jiangshuyuan910@126.com。

TJ55

A

1004-499X(2016)03-0059-06