压缩空气弹射内弹道影响因素作用规律研究

谢 磊，高钦和，邵亚军

（火箭军工程大学，西安 710025）

0 引言

垂直弹射技术被广泛应用于防空武器系统中，与自力弹射相比，它具有结构简单、发射时间短、能量利用率高等优点[1]。在弹射过程中，对导弹运动规律、气体流动规律及弹射装置高、低压室压力变化规律等内弹道特性的研究十分重要，尤其是对于其影响因素作用规律的分析[2]。

目前，有关弹射装置内弹道性能的研究多集中在燃气弹射方式上，李仁凤[3]等建立初容室二次燃烧流动模型，研究了燃烧产物特性对燃气弹射内弹道的影响；王天辉[4]等对燃气发生器进行了装药设计，分析了装药增面比对内弹道性能的影响；空气弹射方面，芮守祯[5]对不同弹射动力方式的内弹道特性进行了分析比较，得出高压空气弹射温度、压强变化更平稳；杨风波[6]等针对气缸式弹射器，构建了考虑真实气体效应的弹射内弹道数学模型，论证了真实气体效应研究的必要性[7]。

在诸多弹射方式中，压缩空气弹射由于具有避免排焰、冲击振动、烧蚀及降低红外特征等优点，目前正被广泛研究。为了研究压缩空气弹射装置性能，可运用CFD技术，通过数值模拟方法对网格模型进行仿真计算。本文即采用FLUENT软件，对弹射装置内部流场进行数值模拟，分析了控制阀直径、发射筒径及初始温度对内弹道特性的影响规律，为装置的优化设计提供了参考。

1 压缩空气弹射装置结构简图及原理

某直筒式压缩空气弹射装置结构简图如图1所示。

空气压缩机与高压气室之间通过导气管连接。空气压缩机不断把外部空气抽入并进行压缩过滤。压缩空气通过控制阀，经导气管流入发射筒底部的高压气室。当高压气室内压缩空气压强与外界压强形成的总推力大于弹体重力、摩擦力等阻力时，高压气体推动弹托带动弹体向上运动，完成弹射。

2 压缩空气弹射FLUENT建模

2.1 边界条件及初始条件设置

由于装置的轴对称结构，同时为简化分析，此处采用1/4网格模型进行计算分析。入口采用质量流量边界条件，质量流量设置为4 kg/s；弹体底部采用WALL边界条件；筒壁采用标准壁面函数，材料选择铁；以压缩空气作为流体介质。

2.2 动网格设置

网格更新方式采用Smoothing和Layering法，设置弹体底部区域为动网格运动区域，并编写UDF定义其运动[8-9]。

弹底运动的主要程序编制如下。

2.3 网格无关性验证

在FLUENT中分别对网格数为20.4，40.2，60.2和80.6万的网格模型进行计算，时长为0.1 s，取差异较大的前0.03 s进行分析，得出不同网格数下弹体底部压力变化曲线如图2所示。

图2 弹体底部压力情况比较

由图2可以看出网格数为60.2万时前0.03 s计算结果和网格数为80.6万时，前0.03 s的计算结果差异极小，为简化计算提高运算速度，故本模型采用网格数为60.2万的模型。

3 压缩空气弹射内弹道影响因素分析

3.1 控制阀直径影响分析

通过对不同控制阀直径0.058 m、0.06 m、0.062 m和0.064 m下网格模型的计算，得出不同条件下弹体底部压力变化曲线和弹体速度曲线分别如图3、图4所示。

图3 不同阀径下弹底压力变化曲线

图4 不同阀径下弹体速度曲线

从图3可看到，初始阶段低压室压力上升较快并逐渐形成压力峰，之后压力以较快速度降低，最终趋于平稳。原因在于，起初弹体速度和行程都较小，容积增加量与初容室体积相比为小量，影响低压室压力上升快慢的主要因素是初容室体积，而本文初容室体积较小，故上升快；弹体运动使低压室容积较快增加，超过了工质气体的供应，低压室压力较快下降。控制阀直径对弹底压力造成的影响主要存在于初始建压阶段。可以看出控制阀直径不同对压力变化的影响较大。当控制阀直径为0.062 m时，弹底压力变化最平稳，压力稳步上升，峰值也相对更高；而控制阀直径为0.06 m时，初始阶段压力上升最剧烈，对弹底的冲击较大。证明选择合适尺寸的控制阀可在一定程度上减少建压阶段对弹体底部的冲击，利于低压室压力的平稳上升。

由图4可看到弹体速度变化趋势：初始阶段，弹体速度在短时间内较快增长，随后增长速度放缓。控制阀尺寸增大在一定程度上使弹体速度增长率加快，速率增大，但影响较小可基本忽略。

3.2 弹射筒径影响分析

通过对不同弹射筒直径0.79 m，0.82 m，0.85 m和0.88 m下网格模型的计算，得出不同条件下弹体底部压力变化曲线和弹体速度曲线分别如图5、图6所示。

从图5可看到低压室压力整体变化趋势为先增大后减小，最终趋于稳定。筒径增大使弹底压力到达峰值的时间更慢，且峰值更小，但峰值往后的下降段压力值更大，即压力变化更平稳。证明合理的筒径利于弹体弹射。筒径太小，气体压力变化剧烈，对弹射装置低压室内壁造成一定冲击；筒径太大，则难以形成足够的推力来维持弹体的运动。

图5 不同筒径下弹底压力变化曲线

图6 不同筒径下弹体速度曲线

从图6可以看出随着筒径增大，速度变化更平缓；同时在气源压力充足的情况下、出筒速度变化不大。

3.3 初始温度影响分析

通过对不同温度260 K、300 K、340 K和380 K下网格模型的计算，得出不同条件下弹体底部压力变化曲线和弹体速度曲线分别如图7、图8所示。

图7 不同温度下弹底压力变化曲线

图8 不同温度下弹体速度曲线

从图7可看到弹体底部压力先以较快速度增大，此阶段发射筒底部空间在不断建立压力；其后弹底压力慢速减小，此阶段气体不断流入低压室推动弹体运动，在弹体影响下发生此变化。可看到初始温度对弹底压力变化曲线的影响极大。初始温度升高直接导致弹底压力整体上升，同时峰值更大，到达峰值的时间有所缩短。

从图8可看到弹体速度变化趋势：初始阶段，弹体速度在极短时间内迅速增大，随后增长速度放缓。温度升高对弹体速度增长率的影响效果明显。证明初始温度影响弹射器整体弹射性能，综合考虑其他因素的前提下，可适当控制试验初始温度以促进装置弹射性能。

4 结论

本文以压缩空气弹射装置为研究对象，考虑到装置的轴对称结构，建立了压缩空气弹射装置1/4网格模型进行仿真模拟；通过网格无关性验证，选择出合适网格数的模型；仿真分析了不同阀径，发射筒径和初始温度条件下弹底压力及弹体速度的变化情况。得到以下结论：

1）一定范围内，控制阀尺寸增大对弹体弹射速度的影响较小。控制阀尺寸造成的影响主要体现在对弹底压力变化的差异上。合适的控制阀尺寸使弹底压力在初始建压阶段上升更平稳，有利于减小对弹体底部的冲击，可见合适的控制阀尺寸对提升装置性能影响较大。

2）筒径增大使弹底压力变化更平缓，同时峰值更小。综合考虑筒内低压室气体对弹体底部的冲击和推力的实现，选择合适的发射筒径达到对装置结构优化设计的目的。

3）在气源总体压力一定的情况下，气室初始温度直接影响了弹体底部所受压力整体水平的高低。一定范围内，温度越高，弹底所受整体压力越大；同时，较高的初始温度可促进弹体速度的增长。