气体炮弹丸初速的影响因素分析*

苏红星,赵俊利,彭双志

(中北大学机电工程学院,太原 030051)

0 引言

气体炮是一种通用的高过载模拟试验设备。它使用压缩气体代替火药燃烧产生的高压气体来完成弹丸的发射。气体炮与传统火炮相比较具有安全可靠、发射稳定性高的特点。其发射气体主要为轻质气体或空气,发射污染小,发射过程中不存在高温特性,使用寿命长,能够满足大部分高过载模拟试验的要求,现已经成为非常有用和实用的各种高过载试验的设备[1-3]。

气体炮弹丸初速是气体炮性能的一个重要指标。弹丸初速值决定了气体炮试验系统所能模拟的载荷上限。弹丸最大初速值越大,弹丸初速的可调范围就越广,气体炮试验系统所能模拟的载荷范围也就越广。气体炮的弹丸初速是由气体炮内弹道决定的。气体炮的内弹道比较复杂,含有多个参数,各个参数对弹丸的初始速度都有一定的影响[4]。

文中针对如何合理的提高气体炮弹丸初速的问题,对气体炮内弹道方程中影响弹丸初速的气室容积、气室初始压力和发射管长度3个参数分别进行了计算,分析对比了这3个参数对气体炮弹丸初速的影响。为气体炮的设计和优化提供了一定的理论基础。

1 气体炮发射原理

气体炮发射原理如图1所示。发射前关闭控制阀,预先给气室充气至指定压强;发射时,启动控制阀,释放气室内的高压气体进入发射管,推动弹丸沿发射管向前运动,直至飞出炮口,完成气体炮发射过程。

2 计算模型建立

气体炮的工作气体主要为空气。由于空气复杂的流体特性以及气体炮发射时间的瞬态性,建立准确的气体炮理论计算模型是比较困难的。在实际工程设计计算中,通常提出了简化的计算模型[5-7]。

2.1 基本假设

气体炮的计算模型的建立基于以下基本假设:

1)气室内的气体视为理想气体,满足气体状态方程。

PV=nRT

(1)

2)弹丸在气体作用下向前运动时膛内压力均匀一致。

3)由于发射过程时间很短,气体膨胀认为是等熵绝热过程。

4)引入次要功系数来考虑弹丸在运动过程中摩擦力做功以及其他能量损失。

5)忽略气体压力在发射过程中的损失。

6)弹丸发射过程中不存在漏气的现象。

2.2 气体炮内弹道方程

气体炮内弹道在气体炮的设计过程中非常重要,是气体炮设计的基础。因此需要建立较为准确的气体炮内弹道模型以满足实际设计计算需求。

根据基本假设,建立气体炮内弹道方程组:

(2)

式中:l为弹丸行程;v为弹丸速度;P为膛压;P0为气室初始压力;V为气室容积;t为发射时间;S为炮膛横截面积;m为弹丸质量;φ为次要功系数;γ为气体多方指数。

2.3 影响因素计算模型

为了研究发射管长度、气室容积、气室初始压力对弹丸初速的影响。从能量角度出发,分析了气体炮发射时气体压力对弹丸做功的过程,建立了气体炮气室容积,气室初始压力,发射管长度与弹丸初速的关系。

根据发射过程中气体对弹丸所做功等于弹丸达到指定初速所需要的总动能可以得到气室容积、气室初始压力、发射管长度与弹丸初速的关系式。

(3)

式中:L0为炮管长度;E弹丸出炮口时的动能。

式(3)中,通过给定气室容积V、发射管长度L0以及气室初始压力P03个参数中的两个参数值,求解出剩余的一个参数与弹丸初速关系,进而确定不同参数对弹丸初速的影响。

3 初始计算

3.1 内弹道初始计算

气体炮的气室初始压力值取15 MPa,气室容积的值取50 L。内弹道计算的其它数据分别为弹丸质量5 kg,口径100 mm,弹丸行程长5 m,发射气体为空气,多方指数取1.2,次要功系数取1.05。利用Matlab软件,采用经典R-K法编写计算内弹道方程的程序。计算气体炮内弹道方程。计算结果如图2所示。

由图2的计算结果可以得到,当气室容积取50 L时,发射管长度取5 m,初始压力值取15 MPa时可以使气体炮的弹丸初速达到395.436 6 m/s。内弹道结束时炮口压力为7.48 MPa。

在相同条件下,内弹道结束时的炮口压力值越大,炮口试验装置受到气流的冲击力也就越大,容易损坏测试仪器,因此气体炮的发射安全稳定性也就越差。基于上述分析,内弹道结束时的炮口压力值应尽可能的减小,以保证气体炮系统的发射安全稳定性。

3.2 影响因素模型验证

将气室容积、气室初始压力和发射管长度3项计算数据代入式(3)中,计算求得弹丸初速为395.439 9 m/s。影响因素计算模型计算得到的弹丸初速与内弹道计算得到的弹丸初速结果相差0.003 3 m/s。可以看出利用能量法得到的影响因素计算模型是较为准确可靠的。

4 影响因素计算分析

为了确定气体炮的各项因素对弹丸初速的影响,在对气体炮内弹道进行了初步计算后,利用式(3),对气室容积、初始压力、弹丸速度这三个初始参数中的两个取定值,另一个做变量进行各项影响因素的对比计算。

4.1 不同容积计算分析

为了研究不同容积对弹丸速度的影响,将气室压力,发射管长度取为定值。气室的初始压力取为15 MPa,发射管长度取为5 m。对气室容积取不同值。计算得到速度与气室容积曲线如图3所示。

由图3所示结果可以看出。气室初始压力和发射管长度一定时,弹丸初速随着气室容积的增大而增大。但增大气室容积对弹丸初速的提升效率较低。气室容积对弹丸初速的影响较小。考虑到较大的气室容积在气体炮安装时需要占用更多的空间,在气室的加工以及承压方面也都有较为严格的要求,一般将气室容积控制在200 L以内。根据上述分析,对气室容积分别取值50 L,100 L,200 L,进行内弹道对比计算。计算得出不同气室容积值下的速度和压力曲线如图4所示,压力与速度值如表1所示。

表1 不同气室容积下内弹道计算结果

由图4和表1可以看出,气室容积的增大对弹丸初速的提升效率较低且炮口压力值也随着气室容积值的增大而增大。

4.2 不同气室初始压力计算分析

为了研究不同气室压力对弹丸速度的影响,将发射管长度,气室容积取为定值。气室容积取为50 L,发射管长度取为5 m。便于结果对比分析。对气室初始压力取不同值。计算得到速度与气室压力的曲线如图5所示。

由图5所示结果可以看出气室初始压力对弹丸初速的影响较大。弹丸初速随着气室初始压力值的增大而增大。提高气室初始压力能够有效提高弹丸初速。考虑到现有空气压缩机性能以及气室的承压能力,气室初始压力值不宜过大,一般限制在20 MPa以内。因此对气室初始压力分别取5 MPa,10 MPa,15 MPa进行内弹道计算。计算得出不同气室初始压力值下速度与压力曲线如图6所示。压力与速度值如表2所示。

表2 不同气室初始压力下的内弹道计算结果

根据图6与表2可以看出,当气室初始压力从5 MPa增加到15 MPa时,弹丸初速提升了133 m/s。炮口压力也增长了5 MPa。可以看出增加气室初始压力对弹丸速度的提升效率较高。气室初始压力的增大,使得炮口压力值也开始增大。

4.3 不同发射管长度计算分析

为了研究不同发射管长度对弹丸速度的影响,将气室压力,气室容积取为定值。气室的初始压力取为15 MPa,气室容积取为50 L。对发射管长度取不同值。计算得到弹丸初速随发射管长度变化的曲线图。如图7所示。

图7所示的关系曲线图可以看出,发射管长度对弹丸初速的影响较大。弹丸初速随着发射管长度的增加而增加。这是由于在内弹道时期,弹丸在发射管内的行程变长,对应加速弹丸的时间变长,弹丸速度也随之提高。可以得到增长发射管长度能够有效的提高弹丸初速。考虑到试验设备场地的限制,对发射管长度分别取5 m,10 m,15 m进行内弹道计算。计算得出不同发射管长度值下的速度与压力曲线如图8所示,压力与速度值如表3所示。

表3 不同发射管长度下的内弹道计算结果

发射管长度/m弹丸初速/(m/s)炮口压力/MPa53957.48104954.83155543.50

根据图8与表3可以得出,当气室容积与气室初始压力一定的情况下,不同发射管长度对应的内弹道速度曲线与压力曲线是重合的。当发射管长度从5 m增加到15 m时,弹丸速度提升了159 m/s。可见增长发射管长度对弹丸初速的提升效率较高。随着发射管长度的增加,炮口压力值在不断减小。这使得炮口试验装置所受到的气流冲击力更小。气体炮在发射过程中也相对更为安全稳定。

5 结论

文中利用气体炮内弹道模型,计算分析了气体炮的气室容积,气室初始压力以及发射管长度对弹丸初速的影响。对比计算结果,可以得到如下结论:

1)增大气室容积对弹丸速度的提升效率较低;

2)增大气室初始压力对弹丸初速的提升效率较高;

4)增大气室容积和气室初始压力会使炮口压力值增大,降低气体炮系统的发射稳定性;

5)增长发射管长度不仅可以有效地提高弹丸初速,还可以降低炮口压力值,从而提高气体炮系统的发射稳定性。