高啟軒,潘孝斌,談樂(lè)斌,馮建闖
(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 南京 210094)
炮射制導(dǎo)彈藥和電磁軌道炮制導(dǎo)彈藥,較一般常規(guī)彈藥更為復(fù)雜,內(nèi)部彈載器件包含電子控制元器件和精密傳感器,其承受高過(guò)載能力相對(duì)較弱。隨著彈藥制導(dǎo)能力、命中能力、殺傷能力的不斷提升,在高過(guò)載條件下,彈藥本身的可靠性和安全性卻在不斷下降[1]。
電磁軌道炮制導(dǎo)彈藥,在海軍和陸軍電磁軌道炮等項(xiàng)目的研發(fā)過(guò)程中,雖然能夠應(yīng)用有限元進(jìn)行抗高過(guò)載的力學(xué)性能分析,但在20 000g等級(jí)及以上過(guò)載時(shí),電子制導(dǎo)部件缺乏相關(guān)的地面試驗(yàn)驗(yàn)證手段,而飛行試驗(yàn)的費(fèi)用很高且不易回收,很難控制落地時(shí)產(chǎn)生的反向過(guò)載,經(jīng)常出現(xiàn)反向過(guò)載導(dǎo)致彈體結(jié)構(gòu)及各分系統(tǒng)損壞,難以分析彈藥制導(dǎo)部件在發(fā)射過(guò)程的抗高過(guò)載能力,因此高過(guò)載軟回收試驗(yàn)系統(tǒng)就成為十分迫切的驗(yàn)證手段[2]。
Yoo等[3]使用分段氣室破膜方式,利用彈丸在管道內(nèi)壓縮預(yù)充氣體產(chǎn)生反向過(guò)載減速,對(duì)回收過(guò)程進(jìn)行數(shù)值分析,成功回收了初速為500 m/s的20 mm彈丸,給出了彈丸減速度、各段氣室預(yù)充壓力、回收管長(zhǎng)度、截停距離之間的參數(shù)關(guān)系。潘孝斌、倪梯閔[4-5]等使用單級(jí)破膜方法,利用一維定截面非定常無(wú)黏流動(dòng)描述彈前壓縮氣體流動(dòng)狀態(tài),將流動(dòng)控制方程與彈丸運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行耦合求解,得到了彈丸初速、氣室預(yù)充壓力與破膜壓力之間的匹配關(guān)系,成功實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量為36 kg、最大初速為548 m/s的彈丸在42 m內(nèi)的軟回收。文獻(xiàn)[4-6]均采用壓縮空氣阻尼破膜形式回收彈丸,雖然可以在較短距離截停彈丸,但是系統(tǒng)操作復(fù)雜、工作強(qiáng)度大,每次試驗(yàn)需更換裝夾壓力的膜片,影響試驗(yàn)效率。
本文研究高過(guò)載軟回收系統(tǒng),采用壓縮空氣實(shí)現(xiàn)彈倉(cāng)軟回收,回收管與回流管前后聯(lián)通,利用管內(nèi)壓縮波來(lái)回反射阻滯彈倉(cāng)運(yùn)動(dòng),從而消耗彈倉(cāng)能量實(shí)現(xiàn)截停目的,試驗(yàn)可根據(jù)彈倉(cāng)質(zhì)量、初速、回流管直徑等調(diào)整預(yù)充氣體壓力控制最大反向過(guò)載。
高過(guò)載彈倉(cāng)軟回收系統(tǒng)主要組成包括:加載系統(tǒng)、回收系統(tǒng)、彈倉(cāng)、支撐座、緩沖復(fù)位裝置等。其中加載系統(tǒng)包括發(fā)射藥筒、加載管、后坐緩沖系統(tǒng)等,與火炮發(fā)射工作原理相似,該部分技術(shù)相對(duì)成熟,不在本文討論范圍內(nèi)。回收系統(tǒng)包括回收管主體和2段回流管,回收管和回流管均由多根管段通過(guò)法蘭盤密封連接,總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無(wú)損回收系統(tǒng)工作原理如圖1所示。
圖1 無(wú)損回收系統(tǒng)工作原理
加載管采用火藥氣體推動(dòng)彈倉(cāng)實(shí)現(xiàn)高過(guò)載,彈倉(cāng)經(jīng)加載管發(fā)射產(chǎn)生高過(guò)載,依次通過(guò)過(guò)渡連接部分和同口徑回收管,加載管由制退機(jī)、復(fù)進(jìn)機(jī)控制其后坐運(yùn)動(dòng),回收管與基座固定,兩者在滑動(dòng)套筒內(nèi)相對(duì)分離體但不脫出。通過(guò)壓縮彈前氣體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)阻力逐漸減速。當(dāng)彈倉(cāng)速度首次降至零,仍存在彈前、后壓力差,彈倉(cāng)將進(jìn)行反向運(yùn)動(dòng),如此反復(fù),直至彈倉(cāng)停留在回收管內(nèi)某處。試驗(yàn)后,將管內(nèi)高壓混合氣體緩慢排放至室外,取出彈倉(cāng)對(duì)被試品進(jìn)行檢驗(yàn)考核,讀取數(shù)據(jù),進(jìn)行抗高過(guò)載分析研究。
本文主要針對(duì)地面耐高過(guò)載無(wú)損回收系統(tǒng)中的回收過(guò)程進(jìn)行研究,重點(diǎn)在對(duì)彈倉(cāng)進(jìn)入回收管后的動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析,內(nèi)彈道加載過(guò)程不在本文的討論范圍內(nèi)。根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地大小的限制,回收系統(tǒng)的回收管有效長(zhǎng)度設(shè)定為30 m,根據(jù)抗過(guò)載條件要求,目標(biāo)最大過(guò)載20 000g,彈倉(cāng)整體質(zhì)量為96 kg,加載后彈倉(cāng)初速為450 m/s,要求回收過(guò)程中反向過(guò)載不超過(guò)最大過(guò)載10%。
彈倉(cāng)進(jìn)入回收管段后,其運(yùn)動(dòng)過(guò)程可能存在以下3種狀態(tài):
1) 預(yù)充氣體壓力過(guò)低,彈倉(cāng)在進(jìn)入回收管內(nèi)后,不斷壓縮預(yù)充氣體,直至到達(dá)回收管末端仍具有一定的剩余速度,彈倉(cāng)撞擊回收管末端,不僅造成彈倉(cāng)、設(shè)備損壞且十分危險(xiǎn)。
2) 預(yù)充氣體壓力過(guò)高,彈倉(cāng)進(jìn)入回收管之后,不斷壓縮預(yù)充氣體形成彈前壓縮波,而回流管反射部分壓縮波不足以使彈前壓力降至過(guò)載要求,彈倉(cāng)還未到達(dá)預(yù)期位置就開(kāi)始反向運(yùn)動(dòng),不僅反向過(guò)載過(guò)大,嚴(yán)重時(shí)還可能使彈倉(cāng)返回至加載管撞擊藥筒,造成彈倉(cāng)、設(shè)備損壞。
3) 預(yù)充氣體壓力在合適范圍內(nèi),彈倉(cāng)在進(jìn)入回收管后,彈前壓縮波通過(guò)回流管進(jìn)行反射至彈后管道內(nèi),降低了彈前壓力,彈倉(cāng)在合適反向過(guò)載作用下,在整個(gè)回收管內(nèi)前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)若干次,彈前后壓力逐漸趨于平穩(wěn),直到彈倉(cāng)速度為零,停下的彈倉(cāng)的位置處于回收管內(nèi)部的某個(gè)位置。
上述情況中,前2種狀態(tài)都不允許發(fā)生,第1種情況彈倉(cāng)的動(dòng)能并沒(méi)有完全轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能,導(dǎo)致彈倉(cāng)并未如預(yù)期反向而撞擊回收管段,造成被試品和裝置損壞。第2種情況,彈倉(cāng)在反向過(guò)程中,速度過(guò)大并未如預(yù)期在回收管段反復(fù)運(yùn)動(dòng),而是反彈回火炮加載管中,可能造成彈倉(cāng)和火炮部件損壞。這2種情況都會(huì)造成試驗(yàn)裝置的不可逆損壞,因此最理想的情況為允許彈倉(cāng)有反彈,但反向速度較低,依靠將動(dòng)能轉(zhuǎn)化氣體內(nèi)能,最終彈倉(cāng)停留在回收管內(nèi),完成回收。
彈倉(cāng)在回收段往復(fù)運(yùn)動(dòng)直至停止,分析此過(guò)程流場(chǎng)變化,2段回流管與回收管組成的三分岔管道,為對(duì)稱結(jié)構(gòu),因此可以簡(jiǎn)化為二維問(wèn)題非定常無(wú)黏流動(dòng)來(lái)進(jìn)行分析,彈倉(cāng)在通過(guò)回收管段的三分岔管路后,在回收管內(nèi)運(yùn)動(dòng),壓縮管內(nèi)空氣產(chǎn)生反向阻尼逐漸減速,可近似看成氣體在做二維非定常無(wú)黏流動(dòng)。整個(gè)回收過(guò)程時(shí)間較短,因此不考慮壓縮氣體泄漏、熱量損失的影響,且滿足氣體狀態(tài)方程,建立Euler坐標(biāo)系下守恒形式的二維無(wú)粘流動(dòng)控制方程為[7-9]:
(1)
此外,完全氣體狀態(tài)方程與內(nèi)能方程為:
p=ρRT
(2)
(3)
式(2)—(3)中:R為氣體常數(shù);T為氣體絕對(duì)溫度;Cv為定容比熱;k為絕熱指數(shù)。
(4)
(5)
(6)
綜合上述公式可知,對(duì)于完全氣體:
(7)
選擇使用麥考馬克方法進(jìn)行離散求解,麥考馬克方法是一種顯式有限差分方法,在時(shí)間和空間上具有二階精度。
由于加載平臺(tái)選用的發(fā)射火炮為滑膛炮,彈倉(cāng)不做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),彈倉(cāng)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中僅受頭部與尾部的氣體壓力和在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的摩擦力,因此彈倉(cāng)在回收管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方程為:
(8)
式(8)中:pb為彈倉(cāng)尾部氣體壓力;pf為彈倉(cāng)頭部氣體壓力;A為彈倉(cāng)截面積;f為彈倉(cāng)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受的摩擦力;m為活塞質(zhì)量;v為活塞速度;v0為進(jìn)入回收管的初速。本次流場(chǎng)的數(shù)值模擬僅計(jì)算彈倉(cāng)進(jìn)入回收管段后的氣體流場(chǎng),彈倉(cāng)尾部所受火藥燃?xì)獾膲毫b和進(jìn)入回收管的初速v0由內(nèi)彈道計(jì)算結(jié)果得出[10-11]。
圖2為仿真計(jì)算流體域。對(duì)回收過(guò)程流場(chǎng)仿真中,對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量要求較高,選用層鋪法進(jìn)行網(wǎng)格計(jì)算,使用編譯型UDF,來(lái)獲取運(yùn)動(dòng)邊界的動(dòng)力學(xué)參數(shù)更新網(wǎng)格,通過(guò)DEFINE_CG_MOTION宏來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)[12-13]。
圖2 仿真計(jì)算流體域
程序基本思路為:
1) 在運(yùn)動(dòng)初始時(shí)刻給彈倉(cāng)賦予初速。
2) 開(kāi)啟并行計(jì)算,遍歷彈倉(cāng)前端面上每一個(gè)單元壓力,計(jì)算前端面受力。
3) 遍歷彈倉(cāng)后端面上每一個(gè)單元壓力,計(jì)算后端面受力。
4) 求得彈倉(cāng)前后端面合力,將并行計(jì)算中每個(gè)處理器單獨(dú)計(jì)算的部分匯總。
5) 判斷彈倉(cāng)速度方向,求彈倉(cāng)加速度。
6) 更新速度、位移、時(shí)間。
所有參數(shù)設(shè)置完成之后,便可通過(guò)提前導(dǎo)入的UDF初始化宏DEFINE_INIT進(jìn)行流場(chǎng)初始化,根據(jù)膛內(nèi)氣體速度及壓力分布規(guī)律,結(jié)合內(nèi)彈道參數(shù),可計(jì)算出初始狀態(tài)膛內(nèi)的平均壓力大小為10 MPa,膛內(nèi)氣體速度呈線性分布,彈倉(cāng)底部的氣體速度大小為450 m/s。設(shè)置迭代計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)與迭代步數(shù),即可開(kāi)始計(jì)算。
根據(jù)理論計(jì)算建立的回收過(guò)程數(shù)學(xué)模型,根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析回收管內(nèi)流場(chǎng)變化規(guī)律與彈倉(cāng)過(guò)載規(guī)律,判斷回收結(jié)果是否滿足預(yù)期要求。選取回收參數(shù)作為算例進(jìn)行分析,算例回收參數(shù)如表1所示。
表1 回收參數(shù)Table 1 Recovery parameters
以表1參數(shù)為例建立流場(chǎng)模型,彈倉(cāng)在進(jìn)入回收管后,快速壓縮預(yù)充的壓縮氣體,產(chǎn)生了復(fù)雜的壓縮波與反射波,彈倉(cāng)前后壓力差使其減速,彈前的壓縮波在回收管內(nèi)來(lái)回反射,同時(shí)部分壓縮波通過(guò)回流管流動(dòng),回流至彈倉(cāng)后部的管體內(nèi),此過(guò)程中消耗了彈倉(cāng)的動(dòng)能,其速度逐漸降低停止,壓縮波狀態(tài)如圖3所示。彈倉(cāng)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示,彈倉(cāng)運(yùn)動(dòng)速度如圖5所示,回收流場(chǎng)壓力分布云圖動(dòng)態(tài)變化過(guò)程如圖6所示。
圖3 壓縮波氣體到達(dá)回收管底部狀態(tài)
圖4 彈倉(cāng)運(yùn)動(dòng)軌跡
圖5 彈倉(cāng)運(yùn)動(dòng)速度
由圖3和圖5可知,彈倉(cāng)進(jìn)入回收管段86 ms后,速度第1次為零,此時(shí)彈倉(cāng)位于回收管中距管口25 m處,然后彈倉(cāng)開(kāi)始反向運(yùn)動(dòng),反向運(yùn)動(dòng)速度不大于155 m/s。213 ms時(shí),在距回收管口13.7 m處再次反向運(yùn)動(dòng),彈倉(cāng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)3~4次,最終停留在回收管14 m處。整個(gè)回收時(shí)間約0.65 s,彈倉(cāng)停止后回收系統(tǒng)氣體壓力約為3.5 MPa。
圖6 回收流場(chǎng)壓力分布云圖動(dòng)態(tài)變化過(guò)程
彈倉(cāng)前后端面受力如圖7所示。由圖7可知,初始時(shí),彈倉(cāng)后端面壓力來(lái)自火藥氣體壓力,彈倉(cāng)前端面的壓力來(lái)自預(yù)充氣體壓力,彈倉(cāng)開(kāi)始進(jìn)入回收管段,彈前壓縮氣體通過(guò)回流管流至回收管后端,此時(shí)彈前壓力是下降趨勢(shì),在彈倉(cāng)完全進(jìn)入回收管后,前后端面受復(fù)雜流場(chǎng)影響,在彈倉(cāng)第1次反向時(shí),彈前壓力達(dá)到最大值1 250 000 N。
圖7 彈倉(cāng)前后端面受力
回收過(guò)程過(guò)載如圖8所示。由圖8可知,彈倉(cāng)在整個(gè)回收管內(nèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,正向過(guò)載和反向過(guò)載交替變化,最大反向過(guò)載約為1 300g,滿足回收技術(shù)要求指標(biāo)。
圖8 回收過(guò)程過(guò)載
通過(guò)算例分析,彈倉(cāng)將在整個(gè)回收管內(nèi)前后往復(fù)運(yùn)動(dòng),直至停止,過(guò)程中反向過(guò)載始終不超過(guò)最大過(guò)載的10%,整個(gè)回收過(guò)程時(shí)間在0.6~0.7 s,最終彈倉(cāng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能和管壁熱能耗散。證明了通過(guò)封閉式空氣阻尼在有限距離無(wú)損回收被試品是可行的,合理控制彈倉(cāng)初速度、質(zhì)量以及回收管預(yù)充壓力、長(zhǎng)度之間的匹配關(guān)系,是可以實(shí)現(xiàn)不同質(zhì)量被試品的高過(guò)載無(wú)損回收的目的。
4.2.1回收管段預(yù)充壓力的影響
初速為450 m/s、回流管直徑大小120 mm時(shí),在不同預(yù)充氣體壓力下,計(jì)算得到的彈倉(cāng)運(yùn)動(dòng)位移變化如圖9所示。
圖9 不同預(yù)充壓力運(yùn)動(dòng)軌跡
彈倉(cāng)在回收管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)阻力主要來(lái)源于彈前壓力,并形成的壓縮波逐漸向后方傳遞,直至管道分岔處,壓縮波一部分仍在回收管內(nèi)傳遞,到達(dá)底部,另一部分通過(guò)回流管進(jìn)行傳遞。壓縮波壓力與彈倉(cāng)運(yùn)動(dòng)初速、氣體參數(shù)直接相關(guān),在不同預(yù)充氣體壓力下,彈倉(cāng)運(yùn)動(dòng)初次反向距離越遠(yuǎn),1.6 MPa預(yù)充壓力下彈倉(cāng)在距回收管口27.6 m處第1次反向運(yùn)動(dòng),而預(yù)充壓力2.0 MPa時(shí),彈倉(cāng)在距回收管口25 m處,開(kāi)始反向運(yùn)動(dòng)。為保護(hù)回收裝置的安全性,選擇預(yù)充氣體壓力在1.5~2.6 MPa,可滿足彈倉(cāng)回收標(biāo)準(zhǔn)。
4.2.2彈倉(cāng)質(zhì)量的影響
彈載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與被試品設(shè)定質(zhì)量約為30 kg,為保證彈倉(cāng)外殼滿足材料強(qiáng)度要求,這里選取3組不同材料鋁、鈦和合金材料作為彈倉(cāng)外殼,為方便試驗(yàn)比較,設(shè)定其質(zhì)量為66、81和96 kg,其反向過(guò)載如圖10所示。
圖10中,質(zhì)量66 kg的彈倉(cāng)最大反向過(guò)載為1 867g,而96 kg的彈倉(cāng)最大反向過(guò)載為1 282g。由此可知,彈倉(cāng)的初速和質(zhì)量均與彈倉(cāng)動(dòng)能有關(guān),初速越高、質(zhì)量越大,彈倉(cāng)的動(dòng)能越高,所需緩沖能量就越多,在限定距離內(nèi)截停就需要較高的預(yù)充壓力。彈倉(cāng)質(zhì)量對(duì)回收結(jié)果影響體現(xiàn)在承受相同的反向阻力時(shí),彈倉(cāng)質(zhì)量越大,反向過(guò)載越小,減速效果越不明顯,彈倉(cāng)剩余速度變高,回收效果變差。所以在滿足反向過(guò)載、彈倉(cāng)外殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及經(jīng)濟(jì)的條件下,選用盡可能小的彈倉(cāng)質(zhì)量。
圖10 彈倉(cāng)質(zhì)量與過(guò)載關(guān)系
4.2.3回流管直徑的影響
彈前壓縮波通過(guò)回流管反射到達(dá)彈后管道內(nèi),回流管的直徑直接影響彈前反射的壓縮波強(qiáng)度,從而影響反向過(guò)載。彈倉(cāng)在第1次經(jīng)過(guò)回流管時(shí),回流管直徑與彈后壓力關(guān)系如圖11所示。
圖11 回流管直徑與彈后壓力關(guān)系
彈倉(cāng)在初次經(jīng)過(guò)回流管時(shí),其彈后壓力主要來(lái)自加載管內(nèi)的高壓火藥燃?xì)?,直徑更大回流管在彈倉(cāng)經(jīng)過(guò)時(shí),降低彈后壓力效果更顯著。
圖12 回流管直徑與反向過(guò)載關(guān)系
回流管直徑與反向過(guò)載關(guān)系如圖12所示,初速450 m/s、彈倉(cāng)質(zhì)量96 kg和預(yù)充壓力2 MPa下,100 mm直徑回流管回收過(guò)程最大反向過(guò)載約為1 600g,而直徑為120 mm的回流管最大反向過(guò)載約為1 300g。彈倉(cāng)在回收管內(nèi)運(yùn)動(dòng)形成的壓縮波從前往后傳遞,在壓縮波達(dá)到回收管底端三分岔管道前,彈體運(yùn)動(dòng)不受回收管直徑大小的影響,只是壓縮波到達(dá)分岔管到后,而回流管直徑直接影響回收管內(nèi)反射壓縮波的強(qiáng)度,影響回收時(shí)彈倉(cāng)反向過(guò)載大小。對(duì)比直徑60~160 mm的回流管對(duì)反向過(guò)載的影響,選取回流管直徑在100~120 mm時(shí),回收結(jié)果更符合預(yù)期。
1) 在最大有效過(guò)載條件和規(guī)定截停距離的限制下,通過(guò)高速?gòu)梻}(cāng)在回收管壓縮空氣產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)阻尼減速實(shí)現(xiàn)回收是可行的,通過(guò)合理匹配彈重、初速、回收管長(zhǎng)度、回流管長(zhǎng)度、回流管直徑和預(yù)充壓力,能夠?qū)梻}(cāng)截停在預(yù)定位置,實(shí)現(xiàn)高速?gòu)楏w無(wú)損回收。
2) 結(jié)合回收管內(nèi)預(yù)充壓力、回流管直徑和彈倉(cāng)質(zhì)量等不同算例對(duì)彈倉(cāng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響分析,在發(fā)射條件相同的情況下,彈倉(cāng)質(zhì)量對(duì)其減速過(guò)程起主導(dǎo)作用,減少?gòu)梻}(cāng)質(zhì)量,過(guò)載隨即增大,同時(shí)相同口徑彈體質(zhì)量越大,需要的膛壓越高。為保證安全,要盡可能減少?gòu)梻}(cāng)質(zhì)量,提高過(guò)載。對(duì)應(yīng)不同質(zhì)量的彈倉(cāng),預(yù)充氣體壓力范圍在2 MPa左右,不僅能夠較為理想地實(shí)現(xiàn)無(wú)損軟回收過(guò)程,同時(shí)也滿足實(shí)際工程氣源壓力和充氣時(shí)間要求。選取回收管直徑1/3~1/2作為回流管直徑,能夠有效載荷在技術(shù)要求內(nèi),為試驗(yàn)平臺(tái)的工程化提供了理論參數(shù)支持。
3) 彈倉(cāng)進(jìn)入回收管段的同時(shí),火藥燃?xì)庖矔?huì)隨之影響回收段內(nèi)壓縮氣體,高溫、高壓和高氣流速度的特點(diǎn)使得燃?xì)饷芏?、壓力、溫度、流速及回收管段溫度等參?shù)呈動(dòng)態(tài)及非線性,其會(huì)成為影響回收段內(nèi)部流場(chǎng)的重要因素。為進(jìn)一步完善數(shù)學(xué)模型,還需考慮火藥氣體的影響對(duì)回收段壓縮氣體常數(shù)的影響。