小口径武器膛口流场可视化实验

郭则庆，王 杨，姜孝海，刘殿金

（南京理工大学 瞬态物理重点实验室，南京 210094）

0 引 言

膛口流场具有高温、高压、高瞬态等特征，火药气体流空过程是弹丸、多道激波、湍流等相互作用并不断变化的过程，由于其复杂性、多学科交叉以及对武器改进等具有重要意义，国内外开展了大量研究［1］。

以往有关膛口流场的研究主要侧重于实验［1－5］。如Glass［2］利用阴影法，获得了弹丸初速为2马赫的枪口时序阴影照片。Schmitt［3］使用时间累积的电火花阴影照相技术获得了更为清晰的膛口流场照片，并观察到了两个冲击波的耦合过程。Merlen等［5］还根据实验观察结果进行理论分析，尝试给出膛口冲击波场的相似规律。这些实验和理论研究为认识膛口流场的结构和发展机理提供了重要依据。

近年，随计算机、CFD技术的发展和成熟，膛口流场的数值模拟受到人们的重视［6－12］。Wang［6］对膛口射流冲击波进行了模拟，并与实验阴影照片进行了对照；Jiang Z［7］使用运动边界处理方法模拟了圆柱形弹丸从膛口射出的动力学过程，并对该过程中冲击波的形成和相互作用过程进行了详细分析；Jiang X.H.等利用嵌套动网格技术，对高压膛口流场的动力学过程进行了数值模拟［9－10］；Cler等［11］对未包含运动弹丸的膛口流场进行了数值模拟，并与实验阴影进行了对照。从近几年有关膛口流场的文献来看，主要偏重于数值方法、数值结果的讨论，对于有关清晰的、实验条件明确的可用于验证或对照的实验结果（如光学阴影照片）仍比较少，为此，对典型膛口流场进行可视化实验，以获得给定明确条件的实验结果，为数值结果的验证提供参考。

膛口流场的光学可视化方法，主要有阴影、纹影、干涉等。阴影照相是利用流场中气体折射率（或密度）的差异所引起的光线偏转而在成像平面上形成照度差异图像的一种光学显示方法，对于流场中存在大的密度梯度时，如激波、火焰等，可以有效地显示其阵面形状［14］；纹影法是利用纹影刀口挡掉部分偏折光，以改变视屏上的照度，使扰动区折射率的变化呈现为成像平面上明暗变化的纹影图像；干涉法是利用光的波动性，根据光线穿越流场后相位的变化获得干涉图，该方法可以定量获得二维流场空间折射利率的变化，但其实验装置较为复杂［15－16］。阴影法作为一种最为直观、简单的定性显示方法在膛口流场的研究中得到了广泛的应用［1－5］。

阴影照相又可分为直接阴影和间接阴影。光线从光源发出后经过被拍摄流场发生偏折后直接投射在照相底板上成像，即直接阴影法；当拍摄较大流场区域时，为了避免照相底板过大，用光学元件（如透镜）将记录平面聚焦在胶片或小尺寸底板上，这种方法称为间接阴影法。直接阴影相对间接阴影实验设备结构更简单、成像更清晰、分辨率更高。另外，大口径身管武器膛口流场虽然冲击波强度和流场尺寸较大，但是其流场结构和发展特征与小口径枪具有相似性。因此，考虑到该特征及实验成本，采用直接阴影法开展小口径膛口流场的可视化实验。

1 实验方法及装置

图1为所采用的实验系统，主要由发射系统、信号触发系统、时间控制器和拍照系统等组成。发射系统由武器、受弹器等组成；拍照系统由火花光源发射器、高感光高分辨率底片和洗相系统等组成。为拍摄弹丸出膛口过程以及弹丸穿越初始流场过程中的典型流场特征，实验系统的信号触发采用压力和光靶触发两种方式。对于压力触发式，压力传感器置于枪支身管上测压孔内，当弹丸运动超过传感器位置时，传感器探测到膛内气体的压力突跃作为时间控制器的时间零点信号，在时间控制器中可以预设任意时间间隔的触发信号，使火花光源闪光；而光靶触发式中，在枪口外设置一对红外发射器与光电转换接收器，当弹丸飞越时遮挡光线，从而触发信号（光信号断开时刻作为时间零点）按时间控制器设定的时间使火花光源闪光。前一种主要用于弹丸出膛口过程的拍照实验，后一种用于弹丸出膛口后的流场可视化。

图1 实验系统示意图Fig.1 Sketch of experiment system

2 实验结果与讨论

实验室基于以上实验设备对一系列小口径武器的膛口流场进行了大量的实验。仅对7.62mm口径弹道枪和制式步枪在有无膛口装置条件下的膛口流场的实验结果进行讨论。其中弹道枪身管长l1＝733mm，膛口压力pg＝29.5MPa，弹丸初速为v1＝800m／s。制式步枪身管长l2＝493mm，弹丸初速v2＝738m／s，膛口压力pg＝23.1MPa。两种枪采用相同的弹药，装药量ω＝1.6g，弹丸质量m＝7.9g。实验均在暗室内进行，环境温度约25℃，相对湿度约50%～70%。

图2为7.62mm口径枪使用56式普通弹发射时的阴影照片（图中零点时刻为弹丸出膛口瞬间）。这6幅照片清晰展示了气流变化过程及其复杂结构，包括初始激波、火药燃气冲击波、马赫盘、湍流涡环和一系列向四周传播的压缩波。图2（a）～（c）为弹丸出膛口前的初始流场。初始气流是由弹前空气柱压缩而成，该部分气体无色透明，因此拍摄的气流结构较为清晰，包括接触面在内的一系列气流特征都被细致的记录下来。图2（d）～（e）记录了弹丸出口后的火药燃气流场和初始流场相互作用的过程。一方面火药燃气中含有部分未燃尽的固体颗粒，另一方面火药燃气在膨胀过程中会产生结晶反应，因此其对光线的吸收率较高，照片中火药燃气部分颜色较深［1］。

初始流场结构较为简单，与典型的开口激波管射流结构相似［1］。初始激波所受身管的约束在其出膛口后得到解除，向四周发生绕射，如图2（a）。之后形成了典型的欠膨胀射流结构，即由初始冲击波包围的激波瓶结构，包含入射激波、反射激波、马赫盘、射流边界湍流气团等如图2（b）、（c）。到图2（d）时，弹丸刚好到达膛口，初始激波波后区域可见大量的压缩波。弹丸出膛口后，膛内高压气体迅速从膛口泄出，形成火药燃气冲击波。火药燃气冲击波出膛口后进入的不是静止的空气，而是具有极强方向性的初始流场。因此火药燃气流场结构相对复杂，最显著的特点是其外轮廓不是简单球形，而是有一个向下游突出的冠状冲击波，如图2（e）、（f）。另外，由于火药燃气压力远比初始气流压力大，前者激波强度与传播速度也远大于后者，初始冲击波迅速被火药燃气冲击波追赶并吞没。因火药燃气中烟尘或颗粒的遮挡，图2（e）、（f）中的火药燃气流场结构并没有初始流场的清晰。

图3是为7.62mm口径弹道枪加装膛口装置后，发射56式普通弹所形成的膛口流场照片。图3（a）所示的膛口装置为对称式3孔制退器，弹孔与侧孔直径分别为8.6和11.3mm。除了有与图2（f）类似的膛口冲击波和冠状冲击波外，在侧孔方向上亦形成了两道强烈的侧孔冲击波。且膛口冲击波和侧孔冲击波相互碰撞叠加，形成典型的三波点结构，这些特点可从图中清晰的观察到。图3（b）所示为进一步在两侧孔上加装扩张喷管所产生的阴影照片，喷管长20.6mm，出口内径12.0mm。图3（c）为对称式多孔制退器，其气流结构与图3（b）相似，但其侧孔气流量相对较大，各侧孔喷出的火药气体相互作用下，湍流强度更大。图3（d）为锥筒形消焰器产生的膛口流场，消焰器长62.7mm，入口和出口内径分别为8.0和23.0mm，弹丸进入筒形消焰器后，火药燃气即从侧方空隙超越弹丸并在筒内向前传播，因此火药燃气在弹丸之前进入外界膛口流场。由气体动力学可知，超声速气流在扩张喷管中传播会被进一步加速，因此气流速度相对无膛口装置更大，如图所示的膛口流场中产生了极强的方向性。

枪膛由于使用过程中的磨损，枪膛与弹丸之间出现间隙，并且间隙随着使用次数的增多逐渐增大。在发射过程中，膛内的火药粒子随同高压火药燃气从间隙中泄露，并先于弹丸射出。图4为7.62mm 56式普通弹从7.62mm口径制式步枪中发射并运动至膛口瞬间的膛口流场照片。图4中在枪膛轴线方向上分布了大量的微小粒子，并且有部分已经超越了初始冲击波。火药粒子的超声速运动在其四周引起了锥形激波并破坏了初始激波的完整性。另外，同图2（d）相比，图4中初始流场区域的湍流区域的透明度较低，这也同样也是由泄露火药燃气的遮蔽所引起的。

所获得的实验照片不但可以为深入研究膛口流场发展机理提供可视化参考，也可以验证数值计算方法有效性。图5为作者根据数值计算结果绘制的计算阴影图和图2（b）的对比，其中上半部分是计算阴影图，下半部分是实验阴影照片。从图中可以看出，通过和实验照片的对照可以直观的检验数值方法的准确性。

图4 高速未燃火药粒子引起的激波Fig.4 Shock induced by high－speed propellant particle

图5 实验阴影照片和计算阴影图的对比Fig.5 Comparison of experimental and computational shadowgraphs

3 结 论

针对小口径武器膛口流场的特点，采用直接阴影法对膛口流场进行了可视化实验，获得了高分辨率实验照片。这些照片对膛口流场机理研究具有重要的价值，同时可为膛口流场的数值研究提供可参照的实验对比，具有重要的参考意义。

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