气室装置对变威力发射影响分析

兰慧，赫雷，周克栋

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

气室装置对变威力发射影响分析

兰慧，赫雷，周克栋

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

身管开孔泄气可以有效地调节弹丸初速实现变威力发射，身管开孔后通常加装气室装置对火药气体进行密闭或者通过气室装置引导火药气体排入大气。针对气室装置结构的不同，根据经典内弹道理论及气体动力学原理，建立了变威力发射过程的数学模型，通过数值仿真分析比较了两种不同变威力发射方案调速效果，得出了不同泄气孔面积对气室压力的影响规律，并研究了气室孔面积大小对初速的影响，研究结果对外置气室装置式变威力发射武器研制具有重要的指导意义。

气室装置；变威力发射；内弹道

0 引言

身管开孔泄气是调节弹丸初速的一种有效方法，身管开孔后通常采用外接气室装置对火药气体进行存储，或者通过气室引导火药气体排入大气，气室装置是变威力发射武器上的关键部件之一，气室装置结构的不同间接影响变威力发射调速效果[1-3]。文中在建立变威力发射内弹道数学模型的基础上，重点分析了两种变威力发射方案，即密闭气室泄气变威力发射与非密闭气室泄气变威力发射，对比研究了两种方案在不同泄气孔面积时的初速变化，探讨了气室装置对初速的影响机理，并分析了不同泄气孔面积对气室内相关参数的影响规律。

1 变威力发射方案原理

变威力发射的基本原理是在身管上开泄气孔释放部分火药气体以减小膛压实现枪械变威力发射。为了便于研究气室装置对变威力发射的影响规律，从气室结构不同的角度出发，首先研究两种变威力发射方案：非密闭气室泄气变威力方案、密闭气室泄气变威力发射方案，将两种方案与无泄气正常发射状态进行比较分析。

1) 密闭气室泄气变威力发射。即气室装置采用密闭式，部分火药气体从枪膛流出后被存储在气室内，火药气体并不会从气室内排出到大气中，而只是在枪膛和气室之间有相对流动。

2) 非密闭气室泄气变威力发射。即气室装置上开了一个气室孔，用于将火药气体从气室排入大气，非密闭气室相当于起到容纳火药燃气使身管内火药燃气降压并将气室内火药气体排出的作用。

两种变威力发射方案与无泄气正常发射结构示意图如图1、图2和图3所示。

图1 密闭气室变威力发射结构示意图

图2 非密闭气室变威力发射结构示意图

图3 无泄气正常发射结构示意图

根据以上变威力发射内弹道的特点，为了既能简化问题，又能使建立的模型充分接近真实的物理过程，对身管侧孔泄气变威力发射过程提出以下基本假设[4]：

a)内弹道过程采用修正的经典内弹道模型描述。

b)膛内流动过程是一个变质量热力学过程。

c)忽略火药气体与枪管、气室的热量交换。

d)火药燃烧的稳定性不受流出的火药气体的影响。

e)忽略泄气孔对弹丸内弹道特性产生的影响。

f)气室内气体流动的假设：

1) 不考虑气室内气流参数的空间分布，即将气室内气体的压力、密度、温度都取为平均参数。

2) 导气孔道的散热忽略不计，气室散热忽略不计。

3) 气室内气流满足理想气体状态方程。

2 数学模型

2.1 非密闭气室式变威力发射内弹道方程

1) 膛内压力随时间变化方程[5-7]

式中：θ=γ-1；γ、p、f、S、lψ、l、ω、ψ、qmb、v、W0、Δ、δm、α分别为绝热指数、膛内压力、火药力、枪膛横断面积、药室自由容积缩径长、弹头运动位移、装药量、火药已燃百分数、流出膛内的火药气体量、弹丸运动速度、药室容积、火药装填密度、火药密度、火药气体余容。

2) 弹丸位移方程

3) 弹丸运动方程

4) 几何燃烧定律

5) 膛内火药燃气密度方程

式中：ρg、η1分别为膛内火药燃气密度、膛内流出的火药气体质量。

6) 质量流量方程

qmb=

7) 气室内气体比内能uq方程及膛内气体比内能ui方程

式中：uq、ui分别为气室内气体比内能、膛内气体比内能。

8) 气室内气体压力随时间的变化方程

9) 气室流入大气的流量方程

式中：η2为从气室排到大气的火药气体质量；Sq为气室流入大气的开孔面积。

10) 气室内气体密度方程

ρq=ρ0+(η1-η2)/Vq

式中：ρ0为大气密度。

2.2 密闭气室式变威力发射内弹道方程

对于密闭气室式，只需令式(9)中的Sq=0，其余相同。

2.3 无泄气正常发射内弹道方程

对于无泄气正常发射，省略掉气室内方程，同时将枪膛流入气室的开孔面积Sb，定义为Sb=0，即为普通内弹道过程。

3 计算结果分析

3.1 两种变威力发射方案比较

现讨论5种泄气孔开孔面积：30 mm2，60 mm2，90 mm2，120 mm2，150 mm2，气室与大气通孔直径12 mm，气室容积为60 cm3，泄气孔距弹底距离为40 mm，气室孔面积为100 mm2。通过对两种变威力发射方案与无泄气正常发射状态进行数值计算，得到弹丸初速值如表1和图4所示。

表1 两种变威力发射方案与无泄气状态发射初速对比表

图4 两种变威力发射方案初速与无泄气初速对比

从表1和图4可以看出，两种变威力发射方案中，随着泄气孔面积的增大，非密闭气室泄气变威力发射方案的初速降低效果更好，非密闭气室泄气变威力发射速度降低幅度比密闭气室泄气变威力发射初速降低幅度大，说明了气室孔对弹丸初速有影响(前者是气室孔面积为100mm2，后者是气室孔面积为0)，气室孔面积越大，初速降低越明显。

当泄气孔面积为150 mm2时，两种变威力发射方案及无泄气发射方案的膛压-时间曲线和弹丸位移-时间曲线分别如图5和图6所示。

图5 膛压-时间曲线

图6 速度-时间曲线

通过图5和图6可以看出：气室作为大气和枪膛的中间过渡空间，在弹丸出膛口的极短时间内，能够暂时存储部分火药气体。对于相同的泄气孔面积，非密闭气室泄气膛压下降幅度大，速度降低明显，密闭气室比非密闭气室存储的火药气体更多，气室压力也更大，枪膛和气室压差更小，枪膛内的气体流入气室的流量小，所以密闭气室弹丸速度变化比非密闭气室更不明显。

3.2 气室孔面积对初速的影响

气室孔即是气室内火药气体流向大气的通孔,通过内弹道仿真计算程序，在泄气孔面积150mm2状态下，改变气室孔面积的大小，得到气室孔面积与初速对应关系如图7所示。

图7 气室孔面积与初速对应关系

从图7可以看出，气室孔面积变化对初速的改变量不大，当气室孔面积为0～600 mm2之间时，随着气室孔面积增大，初速降低较快，因为当气室孔面积较小时，气室孔面积的改变对气室压力的影响比较大，相应地间接对弹丸初速的影响也比较大；当面积超过600 mm2之后初速变化不大，因为随着气室孔面积达到较大值后，气室孔面积的改变对气室压力的影响也更微弱，那么相应的就对弹丸初速影响减弱。

3.3 气室孔面积对气室压力的影响

保持初始参量(泄气孔位置、面积，气室容积)不变，在泄气孔面积150 mm2状态下，讨论6种气室孔面积时的气室压力随时间的变化规律：0 mm2，30 mm2，60 mm2，90 mm2，120 mm2，150 mm2，数值仿真得到结果如图8所示。

图8 不同气室孔面积时的气室压力-时间曲线

由图8可以看出，气室孔面积为0时，气室压力上升速度最快，气室压力最大值也最大，因为气室孔面积为0时，气室密闭，相当于是密闭气室泄气变威力发射，气室内火药气体不会直接流入大气，相同条件下储存的火药气体最多；随着气室孔面积的增大，气室流出到大气的流量增加，气室压力值上升得也越慢，最大气室压力值也越低。过了最大气室压力点后，气室压力下降速率也越快，气室压力值就越低。

3.4 几种泄气状态下的气室压力变化规律

a) 非密闭气室

保持初始参量(泄气孔位置，气室容积，气室孔面积)不变，讨论5种泄气孔面积时的气室压力随时间的变化规律：30 mm2，60 mm2，90 mm2，120 mm2，150 mm2，数值仿真得到结果如图9所示。

图9 非密闭气室不同泄气孔面积时气室 压力随时间变化曲线

由图9可以看出，在泄气孔面积分别为30 mm2、60 mm2、90 mm2、120 mm2、150 mm2时，气室内对应的最大压力值分别为：3.51 MPa、5.43 MPa、6.18 MPa、6.54 MPa、6.72 MPa。泄气孔面积越大，气室内气体压力增长的速度越快，达到最大压力点的时间越短，气体压力最大值也越大；泄气孔面积越小，气室内气压变化越平缓。泄气孔面积较小时，泄气孔面积的改变量对气室压力的变化比较敏感，泄气孔面积较大时，泄气孔面积的改变对气室压力的变化不敏感。

b) 密闭气室

同样保持初始参量不变，讨论五种泄气孔面积时的气室压力随时间的变化规律：30 mm2，60 mm2，90 mm2，120 mm2，150 mm2，数值仿真得到结果如图10所示。

图10 密闭气室不同泄气孔面积时气室 压力随时间变化曲线

由图10可以看出，在泄气孔面积分别为30 mm2、60 mm2、90 mm2、120 mm2、150 mm2时，气室内对应的最大压力值分别为：5.51 MPa、6.60 MPa、6.95 MPa、7.10 MPa、7.19 MPa。与非密闭气室类似，泄气孔面积越大，气室内气体压力增长的速度越快，达到最大压力点的时间越短，气体压力最大值也越大。对于密闭气室状态，气室压力达到最大压力点后，火药气体开始反流，即从气室反流入枪膛内，泄气孔面积越大，反流的火药气体量也越多，气室压力下降的速度也越快，泄气孔面积越小，气室压力变化越平缓。泄气孔面积较小时，泄气孔面积的改变量对气室压力的变化比较敏感，泄气孔面积较大时，泄气孔面积的改变对气室压力的变化不敏感。

4 结语

1) 为全面真实反映身管侧向开孔变威力发射的内弹道机理，利用经典内弹道理论，结合气体动力学原理，建立了气室有、无气室孔的两种变威力发射内弹道数学模型。

2) 分析对比了密闭气室、非密闭气室两种变威力发射方案，得出：泄气孔距离、面积以及气室容积参数相同的情况下，密闭气室式变威力方案的调速效果不如非密闭气室式。

3) 不仅仅气室容积大小能够影响弹丸初速，气室上是否开孔以及气室孔面积的大小也会影响弹丸初速。气室孔面积较小时，气室孔面积的改变对初速变化更为敏感。

4) 密闭气室与非密闭气室式变威力发射，弹丸出膛口前气室装置能够存储部分火药气体，泄气孔面积大小对气室压力影响较大，泄气孔面积越大，气室内气室压力增长的速度越快，气室压力最大值也越大；泄气孔面积越小，气室压力变化越平缓。

5) 文中建立的变威力内弹道模型可以定量求解在不同发射状态时的初速、膛压值，为变威力武器研究提供参考。

[1] 袁光林. 身管武器变初速发射机理与控制技术研究[D]. 南京：南京理工大学，2007，6.

[2] 冉景禄，徐诚，牛福强. 定效非致命杀伤变初速发射原理[J]. 南京：南京理工大学学报，2010：766-769.

[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.

[4] 鲍廷钰，邱文坚. 内弹道学[M]. 北京：北京理工大学出版社，1995.

[5] 陆家鹏，谭兴良，雷志义. 自动武器气体动力学[M]. 北京：北京理工大学出版社，1991.

[6] 廖振强，王涛，余世海. 武器气体动力学数值计算方法[M]. 北京：国防工业出版社，2005.

[7] 冉景禄，徐诚，赵彦俊. 导气式自动武器变质量热力学计算模型研究[J]. 兵工学报，2011：408-413.

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

兰慧(1986-)，男，江西新余人，硕士研究生，研究方向为兵器科学与技术。

TJ012.1

B

1671-5276(2015)05-0036-04

2014-03-07