大口径高速平衡炮点火具系统点火试验及理论研究

蒋淑园,王　浩,林长津,王金龙

(南京理工大学 能源与动力工程学院,南京 210094)



大口径高速平衡炮点火具系统点火试验及理论研究

蒋淑园,王浩,林长津,王金龙

(南京理工大学 能源与动力工程学院,南京 210094)

为了了解点火导线型号的不同对多点点传火系统一致性的影响,也为大口径高速平衡炮选择合适的点火导线提供参考,该文对常用的2种点火导线进行了多点点传火具的发火试验,试验结果表明:多根导线并联降阻,减小连接线长度,可以有效减小导线电阻对点火时间延迟的影响。在试验的基础上,对多点点传火管进一步进行数值模拟,验证了试验中所用24 m、10 mm2铜导线可以有效发挥点火同步性,减小压力波强度,满足了480 mm大口径高速平衡炮对多点点传火系统性能的需求。该研究为相关大口径火炮的点传火系统设计提供了理论和试验依据。

平衡炮;多点点火;点传火试验;数值模拟

点火过程是火炮发射重要的起始过程。点火的均匀性、瞬时性是检验一个点火过程好坏的标准。不均匀的局部点火容易产生大振幅的压力波,严重的情况下可能引起膛炸。在火炮及一些发射装置的设计中,良好而可靠的点传火系统对弹道稳定性和射击安全性尤其重要,点火系统的合理性关系到弹药系统能否安全、可靠地作用,直接影响着发射药点火与燃烧的一致性、膛内压力波的产生情况及膛压与初速的稳定性等[1-6]。

大口径火炮[7-9]普遍存在点火延迟和局部点火现象,这会使得反常压力波生成的概率增加。本文研究的480 mm平衡炮[7]药室长,装药量大,因此设计选用多点点火系统进行点火。多点点火系统点火头数目多,对各点火具的发火一致性有较高的要求。文献[10]对多点点火系统的点火头进行了深入的研究,通过试验选取了点火一致性较好的点火头。而点火头是通过导线与点火电源相连的。一般情况下,点火的导线对点火一致性的影响较小,可以忽略,但是,对大口径480 mm高速平衡炮而言,炮口冲击波等安全性因素要求导线具有较长的长度,一般为几十米。在这种条件下,导线的电阻值对点火一致性的影响就不容忽视了。为了研究多点点火具系统在点火电源作用下同步点火的一致性,本文进行了多点点火具系统发火试验,研究导线电阻对点火一致性的影响规律,为最大程度发挥多点点火优势,保证大口径高速平衡炮的点火均匀性以及发射安全性提供依据。

1　多点点火具系统结构

如图1所示,多点点火具点火网络系统结构主要包括点火线、引接线、装药模块并联线和点火具等部分。其中点火线由平衡体内点火线和平衡体外点火线两部分组成,平衡体内点火线长9 m。点火线使用聚氯乙烯薄膜绕包导线。引接线和装药模块并联线使用聚四氟乙烯薄膜绕包绝缘导线。引接线长度为5 m。根据大口径480 mm平衡炮的药室长度,设计的点火系统由9节50 cm的点火管串联组成。每节点火管的两端设置点火头,因此设计的点火系统中共并联有18个点火具。点火具排布实物图如图2所示。

图2　点火具排布图

2　多点点火具发火试验内容

多点点传火系统的好坏与导线的选取有着密切的联系。因此,拟通过选取相同的点火头并联,在同一点火电源产生的相同点火电压下点火,测试选取不同导线点火头被点燃的时间,来测得多点点火系统的发火延迟时间。试验内容包括以下2个方面:

①采用45 m点火线进行点火试验。按点火线(含平衡体内部连接线和外部连接线)长45 m进行2发点火试验。其中,点火线为6 mm2,未采取并联降阻。5 m引接线也未采取并联降阻。点火电源电流设置为90 A,电压设置为34 V。

②采用24 m点火线进行点火试验。使用24 m点火线进行试验,其中平衡体外点火线由2根10 mm2导线并联组成,平衡体内点火线使用单根10 mm2导线。5 m长引接线由3根聚四氟乙烯薄膜绕包绝缘导线并联而成。经测量,整个点火回路电阻为0.4 Ω。点火电源电流设置为90 A,电压设置为34 V。

试验步骤如下:

①将多点电点火具按顺序摆放于试验杆上并用胶带固定,如图2所示。

②连接铜导线与电点火具连接端,点火具连接端位于中部。

③将铜导线另外一端按要求连接于点火电源。

④布置高速录像系统与合适位置,确保所有点火具处于高速录像视场之内;调整高速录像至合焦状态,将拍摄频率置于20 000 s-1;设置高速录像于待触发状态。

⑤在确认高速录像系统准备就绪后发布点火指令,高速录像系统记录点火过程。

⑥判读高速录像结果,判断点火过程持续时间。

3　多点点火具发火试验结果

按要求共进行了2发使用45 m点火线的多点点火具发火试验和1发使用24 m点火线的点火试验。试验结果如下。

1)45 m点火线试验。

进行了2发使用45 m点火线的多点点火具发火试验。第1发点火试验中高速录像所得照片如图3所示。第1个被点燃的点火具于-9 101幅被点燃,位于中部。此后其余点火具分别被点燃,点燃次序总体来看是由中间向两端扩展的。最后被点燃的点火具位于最右端,于-8 893幅被点燃。由此可知,整个点火过程持续208幅。由于拍摄频率为20 000 s-1,故整个发火过程持续10.4 ms。

图3　45 m点火线第1发高速录像图

图4为第2发45 m点火线发火试验中高速录像所得照片。

图4　45 m连接线第2发高速录像图

从图4中可以看出,第1个被点燃的点火具于-8 944幅被点燃,位于中部。此后中间约4～5个点火具分别被点燃。约5.9 ms(118幅)后两侧点火具才被迅速点燃。点燃次序仍然是由中间向两端扩展。最后被点燃的几个点火具位于最右端,于-8 750幅被点燃。由此可知,整个点火过程持续194幅,整个发火过程持续9.7 ms。

根据2发试验结果,点火过程持续约10 ms,点火具点燃的次序遵循由中间向两侧的趋势。

2)24 m点火线试验。

进行了1发使用24 m点火线的多点点火具点火试验,高速录像所得照片如图5所示。由图可见,在97幅时没有点火具被点燃。在98幅时点火网络中部有5个点火具发火。在99幅时点火网络中部有9个点火具已经发火。在100幅时最左侧5个点火具、最右侧3个点火具和中部一个点火具也已经发火,至此,所有18个点火具均已发火。整个发火过程持续4幅,计0.2 ms。点火具发火次序基本遵循从中间向两端移动的规律。

图5　24 m连接线高速录像图

4　试验结果分析

从上述的试验结果可以看出,导线的电阻对点火完成时间影响较大,在采用45 m、6 mm2铜导线时完成发火需要约10 ms,而采用24 m、10 mm2铜导线(含并联)时完成发火仅需0.2 ms。试验中还发现,不论选用哪种导线,发火过程几乎都遵循了从中间往两端逐渐点燃的趋势。因此,为了进一步研究导线电阻造成的点火头点火延迟对大口径高速平衡炮点传火过程的影响,取2发点火耗时分别为0.2 ms和10 ms的结果。理论上假设18个点火头从中间向两边逐渐被点燃,数值模拟导线电阻不同对点火性能的影响。图6为大口径高速平衡炮采用的9节点火管串联的多点点传火系统结构示意图。每节点火管两端设计有点火药盒,通过0～17共18个点火头进行点火。

图6　多点点传火系统结构示意图

4.1数学模型

文献[7]详细叙述了多点点传火管内的一维两相流建模和数值模拟方法,这里不再赘述。

建立点传火系统数学模型。

1)连续方程。

气相连续方程:

(1)

固相连续方程:

(2)

2)动量方程。

气相动量方程:

(3)

固相动量方程:

(4)

式中:Fs为相间阻力,N;σp为颗粒间应力,Pa;uI为点火头内燃烧喷射进入黑火药时的气体速度,m/s。

3)气相能量方程。

(5)

式中:Qp为相间传热,J·m-3·s-1;ep为固相比内能J·kg-1;eg为气相比内能J·kg-1;eI为点火头内火药燃烧释放出的化学能J·kg-1。

4)辅助方程。

辅助方程包括相间阻力方程、相间热交换方程、状态方程以及火药燃烧速率、形状函数、颗粒间应力和火药表面温度的方程,具体参见文献[11]。

4.2仿真结果分析

采用MarcCormack差分格式对上述模型进行数值模拟,编制相应程序。根据试验结果,首先选择点火头总发火时间为10 ms左右(情况1),由中间向两边将不同点火药盒中的能量以一定时间差加入到点火管中,即首先8#、9#点火头点火,1.25 ms左右,7#、10#点火头点火,点火药盒的能量加入点火管中,再过1.25 ms,6#、11#点火头点火,依次类推,得到多点点传火管内的压力如图7(a)所示。同理,选择点火头总发火时间0.2 ms(情况2),由中间向两边依次点火,得到点传火管内的压力曲线如图7(b)所示。由图7(a)可以看出,当从中间至两端全部点火头都被点燃的时间为10 ms时,点火系统内的压力也表现出从中间到两端逐渐上升的趋势,点火管全面被点火,压力整体开始上升的时间在5 ms左右。由图7(b)可以看出,当点火时间差最大为0.2 ms时,点火管压力上升都较迅速,几乎是瞬间全面点燃。点火管各位置处的压力上升也较为均匀一致。图8、图9分别为2种情况下时间为1.0 ms和7.0 ms的空隙率沿轴向的分布曲线。图7(a)为1.0 ms时的压力曲线,由于导线电阻影响导致点火头发火不一致,所以1.0 ms时,情况1的点火头才被点燃2个,点火头附近的空隙率上升。而情况2的点火管1.0 ms都已经被点燃,使得整个点火管内点火头附近的空隙率都已经上升,差距较小。2种情况下的锯齿都是由于点火头附近气体被点燃,推动火药往传火管中间移动,因此中间空隙率略有下降,但是并未严重堆积。图9为7.0 ms的空隙率分布。由图9(b)可以看出,虽然依然有锯齿形态出现,但空隙率在稳步上升。这个锯齿一部分是受之前的影响,一部分是由于传火孔中气体不断地喷出,有传火孔的地方和没有传火孔的地方会有区别。但是根据图9(a)中情况1的空隙率分布曲线,点火系统中间部分的空隙率上升,但是两端空隙率却大大下降,产生了堆积,这对于点火安全一致性是不利的。综上可以看出,采用24 m、10 mm2铜导线(含并联)时，总发火时间为0.2 ms,多点点传火系统能够保持较好的均匀一致性,能够发挥多点点传火结构的优越性。

图8　1.0 ms时的空隙率分布曲线

图9　7.0 ms时的空隙率分布曲线

5　结论

①选取不同规格的导线,进行了3发多点点火系统的点火试验,各点火头都顺利点火,说明设计的多点点火结构可行,工作安全可靠。

②通过试验对比发现,24 m、10 mm2铜导线(含并联)完成发火的时间远小于45 m、6 mm2铜导线完成发火的时间，这说明选取多根导线并联降阻,减小连接线长度,可以有效减小导线电阻对点火时间延迟的影响。值得一提的是,减小导线长度意味着点火电源将离炮口更近,炮口冲击波对电源的冲击作用将会更为严重,这对电源的防护提出了更高的要求。在实际应用中应当根据可以满足要求的点火延迟时间来选择合适的点火网络电阻值。

③在试验所得24 m、10 mm2铜导线发火时间较短的基础上,利用两相流理论对点传火管内的压力分布情况进行了数值仿真分析,得到膛内压力分布一致性较高,可以有效发挥多点点火优越性的结论。本文为大口径480 mm高速平衡炮的点传火设计提供了有效的理论和试验基础,同时对相关大口径火炮的装药设计具有一定的指导意义。

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JI Xiao-song,WANG Hao,FENG Guo-zeng.Experimental study on technology of multi-point ignition in long-chamber charge[J].Chinese Journal of Energetic Materials,2011,19(1):60-64.(in Chinese)

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

蒋淑园(1988- ),女,博士研究生,研究方向为现代发射理论与技术。E-mail:jiangshuyuan910@126.com。

TJ55

A

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