可燃容器对小号模块装药压力波影响的研究

王育维，郭映华，董彦诚，张洪汉

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳　712099)



可燃容器对小号模块装药压力波影响的研究

王育维，郭映华，董彦诚，张洪汉

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳712099)

分析了双元模块装药小号装药的结构特点，针对小号装药的2号装药压力波现象较为突出的问题，建立了双一维多相流内弹道模型，给出了可燃容器燃烧规律，分析了可燃容器能量参数对压力波的影响。通过对可燃容器不同能量参数的对比试验研究及利用多相流内弹道理论仿真分析，得到了可燃容器能量特性对2号装药压力波的影响规律，理论仿真结果与试验结果一致，为分析小号装药压力波现象及可燃容器参数优化设计提供一定参考。

可燃容器；模块装药； 压力波；小号装药

大口径压制火炮采用模块化组合发射装药(简称模块装药)技术可较好地适应火炮自动或半自动装填，以满足高射速发射要求。同时，模块装药实现了发射装药的刚性化，简化了装药种类，对简化勤务性、提高装药低易损性带来明显优势。目前，世界上许多国家相应地开发研制大口径压制火炮的模块装药技术。特别是美国、德国、南非等国家在模块装药的研制和应用方面已经走向成熟，部分国家的模块装药系统已经装备部队。国外比较成熟的模块装药系统大都采用双元模块装药[1-3]。

一般1块或2块小号装药模块分别构成1号或2号装药。1号、2号装药的内弹道性能不要求很高的初速，但要求膛内具有良好的燃烬性；同时，1号装药膛压不能太小，需满足一定要求。因此，在这种需求下，小号装药模块一般采用能量较高的可燃容器与弧厚较小的发射药相匹配，来实现在一定膛压、初速下膛内发射装药燃烧完全、无残留物或污染物。由于小号装药采用的可燃容器能量较高、发射药的弧厚较小，内弹道过程中反映出起始阶段气体生成率较大、膛压上升较快。该特点给2号装药膛内压力波动带来不利影响,特别是模块装药采用非插接方式条件下，2号装药的2个装药模块相互独立，内弹道过程会发生分离现象，更易产生膛内压力波动现象。一直以来，国内外都把解决双元模块装药小号装药压力波作为一个重要研究内容。

1　双元模块装药小号装药的内弹道特点

双元模块装药系统的小号装药一般针对近射程的发射需求，膛压与初速都较低，在使用过程中重点解决发射过程中的燃烬性问题。该装药结构在设计过程中对可燃容器、发射药及点传火系统等关键部件参数的设计都需重点围绕燃烬性问题。因此，小号装药的内弹道特点是：可燃容器选择相对较高能量参数，发射药选择较小的弧厚，内弹道前期膛压上升速率大等。同时，小号装药装填发射过程中，由于装药量少，弹后空间较大，装药在内弹道前期过程中膛内运动较明显，不利于内弹道性能的稳定性。

1.1物理模型及基本假设

针对小号装药使用中存在2号装药膛内压力波较明显的问题，对非插接式2号装药的内弹道过程中建立了多相流内弹道数学模型。该模型认为2号装药内弹道过程主要包含2个过程:模块破裂前阶段和破裂后阶段。在破裂前阶段2号装药的2个装药模块可独立运动，当模块内部压力达到一定值后模块破裂，发射药散开并按一定指数规律分布，进入破裂后阶段。该阶段发射药与可燃容器视为连续固体相介质，用多相流方程描述其变化过程。图1为2号装药装填示意图[4-6〗。

为了便于多相流内弹道数学模型描述2号装药的内弹道过程，认为整个流场分2个求解区域：主装药区和传火管区。主装药区采用一维变截面两相流方程组描述；传火管区采用一维等截面两相流方程组描述。针对2号装药的特点做以下假定：每个模块破裂前的运动状态由端部压力差决定；考虑模块破裂后固体药粒与气体相互作用(相间阻力)；不考虑径向空隙；可燃容器燃烧的气体得到当地气体速度；内弹道计算区域满足连续介质理论；假定弹丸为平底弹，即不考虑弹丸尾部形状的影响；气体状态符合阿贝尔状态方程；火药按几何燃烧规律燃烧。

1.2主要方程

为描述2号装药的内弹道过程，建立了双一维多相流内弹道模型。针对该模型建立了相应的气体与固体(含发射药与可燃容器)质量守恒方程、动量守恒方程以及能量方程。具体方程为

(1)

为研究小号装药可燃容器的能量特性与燃烧特性对内弹道性能的影响，给出了可燃容器燃烧规律方程如下：

(2)

式中:ψ为可燃容器相对燃烧量;M1、M2为可燃容器燃速计算系数，分别为

M1=3.33×10-6， M2=-2.36×10-9

弹底网格作专用网格处理，其速度方程即为弹丸运动方程：

(3)

式中：mq为弹丸质量；φ为次要功系数；f为发射药火药力，v为弹丸运动速度。

2　试验结果与分析

2.1膛压对比试验

为了掌握可燃容器能量对小号装药的2号装药膛内压力波的影响，开展了试验对比研究。试验采用52倍口径身管长155 mm火炮，在使用相同的发射药、点传火系统及装药结构条件下，只变化可燃容器能量，考查了不同能量的可燃容器及不同温度条件下(常温21℃、高温55℃)，2号装药的内弹道性能。具体试验对比方案如表1所示，其中高能量可燃容器火药力比低能量可燃容器高41%。

表1　试验对比方案

图2～5给出了不同方案下射击试验过程的膛底压力与时间关系曲线对比图。从图2～5可以看出，在其他条件相同情况下，变化可燃容器能量参数对2号装药内弹道膛压曲线影响较明显，在高温条件下更明显。

图2给出了在常温条件下，高、低能量可燃容器膛压曲线对比。

从图2可以看出，使用高能量可燃容器时，最大膛压较高，膛压曲线在最大值附近存在平台，说明在常温条件下高能量可燃容器已经使膛压曲线向不光滑的方向发展。

在高温条件下，高、低能量可燃容器膛压曲线对比如图3所示。

从图3可以看出，由于高温条件下可燃容器燃速增加，在使用高能量可燃容器时，最大膛压明显增加，膛压曲线出现明显的波动，在弹道前期(约60 MPa之前)膛压上升速率明显较快，这与可燃容器在高温条件下燃速增加相关；在使用低能量可燃容器时，最大膛压与膛压曲线波动情况都比高能量可燃容器时减小。说明采用低能量可燃容器对膛内压力波具有抑制作用。

低能量可燃容器在常温、高温条件下膛压曲线对比如图4所示。

从图4中可以看出，低能量可燃容器在高温条件下燃速增加，提高了弹道前期气体生成速率，膛压上升速率加快，在最大膛压值附近膛压曲线出现一定波动，但波动不明显。

高能量可燃容器在常温、高温条件下膛压曲线对比如图5所示。

从图5中可以看出，高能量可燃容器在常温条件下，膛压曲线在最大膛压值附近出现平台，已经向不光滑的方向发展。在高温条件下由于可燃容器燃速进一步加快，导致弹道前期膛压上升速率进一步加快，最终在最大膛压值附近出现明显的双峰波动现象。

从火炮射击试验可以看出，选择能量相对较低的可燃容器，相应地具有较慢的燃速，能够降低内弹道前期膛压上升速率，对膛压曲线在最大膛压附近的波动具有较明显的抑制作用。

2.2爆发器试验

为了分析不同能量可燃容器的燃速及燃烧规律，对不同能量的可燃容器进行了爆发器试验研究。获得了可燃容器定容燃烧条件下的压力时间曲线p-t曲线，如图6所示。利用p-t曲线计算出表达燃速快慢的活性度L与压力比B之间的关系曲线，如图7所示。

从图6可以看出，高能量可燃容器压力上升速率明显大于低能量可燃容器，说明燃速也快很多。从图7可以看出，高能量与低能量可燃容器活性度最大值分别为0.018、0.006(MPa·s)-1，由此可见，高能量可燃容器的燃速几乎是低能量可燃容器的3倍。

通过密闭爆发器试验可以看出，不同能量的可燃容器其燃速相差较大。本文中的高能量可燃容器火药力比低能量可燃容器高41%，但燃速是低能量可燃容器的3倍。燃速的增大会对内弹道膛压曲线造成不利影响，使膛压曲线出现波动。在高温条件下，可燃容器燃速将进一步增大，必然会促使膛压曲线波动进一步加大，造成内弹道性能出现恶劣现象。因此，合理选择可燃容器能量是抑制2号装药膛内压力波的重要手段。

3　数值模拟结果与分析

在可燃容器能量参数对2号装药压力波影响的试验研究、理论分析与建模基础上，进行2号装药不同可燃容器与不同温度条件下的多相流内弹道过程数值模拟。可燃容器能量参数主要考虑火药力与燃速，其中高能量可燃容器火药力比低能量可燃容器高41%；燃速变化参数是式(2)中的系数M1，该系数在燃速公式中发挥主要作用。M1系数的大小是通过可燃容器爆发器试验得到，并利用火炮射击试验得到的p-t曲线进行修正。通过多相流内弹道数值模拟，对发射药、可燃容器的火药力与燃速进行修正，数值模拟p-t曲线结果与试验结果吻合较好。图8～10分别给出了高能量可燃容器常温、高温及低能量可燃容器高温条件下的数值模拟p-t曲线结果与试验结果对比。

从图8～10可以看出，通过修正内弹道参数，数值计算膛压时间曲线与试验结果吻合较好，曲线上主要特征点如：膛压曲线前期50～60 MPa之间存在明显拐点、膛压曲线最大值附近出现双峰点以及膛压曲线下降段约90 MPa处存在拐点等计算结果与试验结果都能保持一致。计算结果表明：数值模拟的膛压曲线能够反映火炮实际内弹道膛压的变化过程，也说明本文建立的多相流内弹道模型合理，形成的模拟参数变化规律可以作为定量反映不同可燃容器、不同温度条件对压力波的影响规律。表2给出了不同条件下可燃容器燃速系数拟合值。从表中可以看出，高能量可燃容器燃速系数M1是低能量可燃容器的3倍，这与爆发器试验获得的燃速关系相同。说明该燃速关系可作为定量分析可燃容器能量与燃速之间的变化规律。同时可以看出，在不同温度条件下，相同能量可燃容器燃速也发生变化，高温燃速比常温高约20%。

表2　不同条件下M1系数

通过仿真计算可以看出，2号装药内弹道性能受可燃容器参数影响较敏感，当可燃容器能量提高时，燃速将快速上升，引起膛内压力波动加剧，影响内弹道性能，特别是在高温条件下，情况更为严重。因此，在双元模块装药的小号装药设计中可燃容器能量参数的选择首先考虑可燃容器的燃烬性，在此基础上需合理选择可燃容器能量并控制其燃速，避免在弹道前期因可燃容器燃速较快，造成膛内压力波动，形成明显膛压曲线双峰现象。

4　结论

笔者分析了双元模块装药小号装药的结构特点，针对小号装药的2号装药压力波现象较为突出的问题，建立了双一维多相流内弹道模型，通过对可燃容器不同能量参数的对比试验研究及利用多相流内弹道理论仿真分析，得到以下结论：

1)高能量可燃容器由于燃速较快会引起2号装药内弹道过程出现明显压力波，膛压曲线存在明显双峰现象，高温条件下情况更恶劣。

2)可燃容器能量增加40%左右时，燃速将增加3倍，可见可燃容器能量对燃速影响较明显。

3)高温条件下可燃容器燃速比常温增加约20%。

4)建立的双一维多相流内弹道模型合理，数值仿真结果与试验结果吻合一致，可用于定量分析可燃容器能量参数对小号装药压力波影响的分析及小号装药可燃容器参数优化设计。

References)

[1]陆中兵，周彦煌，王育维. 短管炮模块装药两相流内弹道模拟[J]. 南京理工大学学报，1999，23(2):105- 108.

LU Zhongbing, ZHOU Yanhuang, WANG Yuwei. Two phase flow interior ballistic simulation of the short-barrel gun with modular charges[J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology, 1999, 23(2):105-108.(in Chinese)

[2]王育维，魏建国，郭映华，等. 模块装药压力波数值模拟[J].火炮发射与控制学报， 2000(4):1-5.

WANG Yuwei,WEI Jianguo,GUO Yinghua,et al. Simulation of pressure wave in modular charge system[J].Journal of Gun Launch & Control, 2000(4):1-5.(in Chinese)

[3]陈建中，王浩. 可燃药筒对膛内压力波的影响[J]. 弹道学报,1990(4):84-88.

CHEN Jianzhong, WANG Hao. Influence of combustible case for pressure wave in guns[J]. Journal of Ballistics, 1990(4):84-88. (in Chinese)

[4]周彦煌，王升晨. 实用两相流内弹道学[M]. 北京：兵器工业出版社，1990.

ZHOU Yanhuang,WANG Shengchen.Practical two-phase flow in ballistics[M]. Beijing:The publishing House of Ordance Industry, 1990. (in Chinese)

[5]王升晨，周彦煌，刘千里，等. 膛内多相燃烧理论及应用[M]. 北京：兵器工业出版社， 1994.

WANG Shengchen, ZHOU Yanhuang, LIU Qianli, et al. Theory and application of multi-phase combustion in chamber[M]. Beijing:The publishing House of Ordance Industry, 1994. (in Chinese)

[6]车得福，李会雄. 多相流及其应用[M]. 西安:西安交通大学出版社， 2007.

CHE Defu, LI Huixiong. Multiphase fluid and its application [M]. Xi’an： Xi’an Jiaotong University Press, 2007. (in Chinese)

Study of Combustible Case Effects on Pressure Waves for Low-zone of Bi-modular Charge

WANG Yuwei，GUO Yinghua，DONG Yancheng，ZHANG Honghan

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang712099, Shaanxi, China)

An analysis is made of the interior ballistics structural characteristics of low-zone in Bi-modular charge. In response to the problem of much more prominent pressure wave of zone 2, a two-phase and one-dimensional model of interior ballistics was built with combustible case combustion law provided. An analysis is made of the effects of combustible case energy parameter on pressure waves. Through the comparative experimental study of different energy combustible cases and theoretical simulation analysis of interior ballistics multiphase flow, the effect laws of combustible case energy parameter on zone 2 pressure waves was obtained. Great agreement is shown between model and experimental measurements. The study results can serve as a guideline for pressure wave and optimizing combustible case energy parameter of zone 2 in Bi-modular charge.

combustible case; modular charge; pressure wave; low-zone of Bi-modular charge

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.02.007

2015-07-18

王育维(1973—)，男，研究员级高级工程师，主要从事火炮内弹道与发射装药技术研究。E-mail：wywwyd@163.com

TJ012

A

1673-6524(2016)02-0031-05