内弹道学发展与展望

随着作战目标本身防御能力的增强,对武器性能的要求越来越高。内弹道性能的优劣直接影响到火力系统的作战效能。因此,内弹道学的研究,不仅在过去、现在,而且在未来仍将是兵器研究中的热点。它的发展与武器的总体设计、工程研制、生产定型、作战使用等密切相关。科学而全面地认识内弹道过程中的多物理场耦合机理、武器发射安全性、超高速武器发射可行性等问题,逐渐成为当前内弹道学领域基础与应用研究的重要课题。为此,该文回顾了内弹道学的发展历史,讨论了内弹道学理论模型与数值仿真技术,探究了内弹道学在新概念发射技术研发中的关键作用,强调了内弹道性能优化研究的必要性等。此外,针对我国国情,讨论了未来内弹道学的发展方向,为今后的研究提出了建议。

水压驱动两级提拉式水下发射装置内弹道建模

针对大深度环境水下发射技术需求,提出一种利用水压驱动两级提拉式水下新型发射方案。利用大深度环境高压水驱动两级活塞实现武器快速发射。建立武器出管过程动力学模型,开展高压水驱动方案原理验证试验,并与高压气体驱动方案进行了对比分析。研究结果表明:水压驱动与气体驱动方案的内弹道结果基本一致,高压水发射方案在大深度环境具有显著优势;加速度峰值出现在发射瞬时和级间转换过程,级间转换过程武器加速度存在显著的陡变现象;水下发射武器出管过程弹道预报结果得出,在发射水深100~500 m条件下,武器出管过程最大速度范围为7.4~15.3 m/s,最大加速度小于100 m/s 2;研究结果验证了水压驱动两级活塞式发射方案的可行性,为装置的进一步研制开发提供了设计依据。

现代火炮内弹道面临的问题与对策

从现代火炮及弹药技术的发展趋势,分析了火炮内弹道面临的问题,阐述了火炮内弹道理论与技术的发展方向,集中体现在三个方面,一是提高常规固体发射药火炮的作战效能;二是发展与制导弹药等特种弹药发射方式相适应的内弹道理论与控制技术;三是研究新能源火炮的内弹道理论与控制技术。在此基础上,结合国内外研究状况,对若干重点问题进行了述评,并提出了研究对策。

固体火箭发动机零维内弹道点火模型与计算

点火过程是内弹道的初始阶段,但由于点火过程的复杂性以及点火机理仍然不完善,点火过程始终不能与内弹道有机结合,使得目前工程上的内弹道计算只能忽略点火过程而直接选择点火压强作为计算初始点。以零维内弹道理论为基础,建立了点火过程3个阶段,即点火诱导期、火焰传播期和充气期的简化理论模型,可以与零维内弹道有机结合,从而完成了内弹道从环境压强(而不是点火压强)开始计算的完整过程。通过实例计算与验证,该模型能够很好展示在点火阶段燃烧室压强的建立过程,并可以计算得到点火延迟时间、火焰传播时间、点火药流量等点火参数,具有较高的预示精度,满足工程计算要求。研究表明,建立的点火过程理论模型与传统零维内弹道一样计算简便快捷,并具有较好精度的工程应用化特点。研究结果对于完善固体火箭发动机内弹道理论、提高固体火箭发动机内弹道预示精度,均具有重要的实际应用意义。由于采用了简化的点火过程理论模型,该结果不能直接用于点火性能的研究,只能用于零维内弹道性能的预估与计算。

动力型红外诱饵的能量特性及内弹道研究(特邀)

基于热力学和内弹道理论,对动力型红外诱饵的能量特性及内弹道进行了分析,并建立了动力型红外诱饵能量特性和内弹道的数学模型。以AP-PTFE-Mg-Al为装药的动力型红外诱饵为例,进行了具体的计算和分析,得到了该动力型红外诱饵药剂的燃烧热、产物总焓和总熵,以及发动机的理论比冲和特征速度。采用龙格-库塔法,通过自编程序,得到了发动机不同工作阶段压强随时间变化的曲线,为动力型红外诱饵的设计提供了方法和理论参考。

高过载软回收系统内弹道双向耦合特性分析

为探究高过载软回收系统中弹前压力对内弹道的影响,在20000 g过载指标要求下,建立了弹前具有高压缓冲气体作用下的双向耦合内弹道仿真模型,采用FLUENT软件计算弹前压力,并利用UDF将弹前压力与经典内弹道进行双向耦合仿真分析。在5.51 kg装药情况下,对质量为90 kg的弹仓进行高过载仿真,结果表明:2 MPa的弹前预充气体压力会造成膛内最大压力增大2.32%;预充气体为5、8、10 MPa的情况下,弹仓的最大速度分别降低7.32%、12.36%和15.61%;弹仓质量为70 kg和80 kg时,弹仓最大速度分别增大9.63%和4.56%;气体介质种类不同对弹前压力造成影响较小,选择空气作为缓冲介质最优。以弹前压力与内弹道之间的双向耦合模型为基础,分析预充气压、弹仓质量、预充气体介质对内弹道特性的影响,为空气阻尼软回收试验的内弹道研究提供了理论参考。

脉冲触发对固体火箭发动机内弹道压强抬升的影响

为了解固体火箭发动机在脉冲触发激励下的工作性能,设计了一种脉冲触发实验系统并开展实验研究,建立了脉冲触发内弹道模型。结果表明,实验系统压强抬升响应时间在25 ms以内,相较于延长段位置,发动机头部的压强扰动更大,扰动传播速度为1259 m/s;脉冲触发器峰值压强与发动机压强抬升预示误差均小于6%;延长段越长,脉冲触发产生的压强抬升越小;脉冲药量越大,压强抬升越大,脉冲药量与压强抬升呈近线性关系,药量从3 g增加到8 g,发动机压强抬升率从8.142%提升到31.594%;发动机压强抬升随脉冲触发器节流孔径的提升显著增大,孔径从1 mm增大到4 mm,压强抬升率从1.656%提升到了27.448%,壅塞作用导致1 mm的节流孔径无法达到脉冲触发效果;发动机压强抬升随着发动机喉径的增大而减小,喉径从12.50 mm提升到14.00 mm,压强抬升率从19.204%降低到了14.771%;对于本实验系统,触发时刻对发动机压强抬升影响小。

非均匀装药的复杂燃面退移与内弹道性能预示

非均匀装药的复杂燃面退移与内弹道性能预示是固体火箭发动机设计的核心问题。建立非均匀装药燃烧的燃面退移数学模型,提出一种采用有限元法通过求解泊松方程逼近程函方程黏滞解的新方法(PEF)。所提方法可将燃面退移问题转化为特殊的稳态热传导问题,实现对几何形状不规则且燃速分布复杂的三维装药燃面退移的计算。考虑燃烧室压力变化等实际因素,在平衡压力假设下,形成了内弹道性能预示的4种计算模型。完成了二维星型装药、三维翼柱型装药和含金属丝的双推进剂装药的计算。计算结果表明:所提方法不仅可以高精度地适应多种推进剂构成的复杂交界面,而且可以直接在商业有限元软件的稳态热传导模块上应用和求解,充分利用商业有限元软件成熟的计算机辅助设计(CAD)建模、前处理、后处理及二次开发能力,实现了复杂燃面退移与内弹道性能预示方法的通用化和实用化。

超临界气体炮发射装置内弹道建模与数值分析

超临界二氧化碳相变发射是当前武器发射领域研究热点之一,为进一步扩展超临界气体炮发射的研究,基于高压发射技术和气体炮的基本原理,确立超临界相变发射装置的总体方案,对超临界态二氧化碳与火药燃气的换热过程进行拟合。以弹体发射速度为目标,根据热力学方程与内弹道方程,得到初始压力变化规律,建立了超临界相变气体炮发射模型。基于Fluent对超临界相变发射流场变化进行了研究,分析了相变发射装置内气流速度变化,得到了初始压力和弹体质量对弹体出口速度的影响规律以及弹体在不同运动时刻周边流体域的变化情况,总结了经验公式。与实验结果对比表明:设计的超临界相变发射方案符合弹体预定的发射指标,流体仿真模型可靠。

低温破碎及装药结构对内弹道性能影响的数值分析

以大口径火炮密实装药发射安全性为背景,对火药颗粒低温破碎及装药结构对内弹道特性的影响进行了数学建模和仿真分析。针对中心点传火管结构的大口径火炮密实装药,建立传火管及装药床的双一维两相流数学模型,结合膛内火药颗粒应力及破碎度函数,采用数值差分方法对内弹道过程进行数值仿真,研究火药温度及混合装药方案对火药颗粒破碎度及火炮内弹道性能的影响。结果表明,在低温条件下,单一装药结构火药颗粒将发生破碎,且破碎度随温度降低而增大,在-20℃和-40℃条件下,最大破碎度分别达到1.896和2.487,膛内压力分别为690.32MPa和803.64MPa,增幅达到16.4%;在总装药质量6.25kg不变的条件下,小颗粒药装药质量从0增至0.4kg,最大破碎度从2.487减至1.803,膛内压力从803.64MPa减至740.81MPa,由此可见混合装药结构可以有效避免火药颗粒的破碎。

装填参数对水下新型气幕式发射内弹道性能的影响

为降低水下全淹没发射过程中射弹的附加质量,提高射弹初速,基于水下气幕式发射原理,提出了一种气幕的新型形成方式,即通过在发射管内壁开设沟槽,引导射弹后的火药燃气在发射管内汇聚形成气幕;建立了气幕式发射流体动力学模型,对该气幕形成方式下的发射过程进行了数值模拟,分析了装填参数对发射内弹道性能的影响。结果表明,与全淹没式发射相比,气幕式发射可将最大膛压降低89.4%,射弹初速提高53.3%;推进用包覆火药的包覆层燃速指数从0.75增大到0.78时,气幕排水时间缩短,弹丸启动时管内燃气体积分数大幅降低,弹丸初速降低,但内弹道全过程大幅缩短,发射频率提高;包覆层厚度的微小变化对内弹道性能影响较小。

基于鲸鱼算法的内弹道性能优化

针对某航炮对最大炮口初速越来越高的要求,以提高最大炮口初速为优化设计目标,对弧厚和发射药药量进行优化设计。选用具有操作简单、跳出局部最优的能力强等优点的鲸鱼算法,将鲸鱼算法与该炮内弹道数学模型相结合,对内弹道性能进行优化。结果表明:该方法优化效果较好,最大炮口初速得到了有效提升,所采用的鲸鱼算法与内弹道相结合是可行的,为后续其他类型火炮内弹道设计提供了一定参考。

内弹道加速度信号误差优化方法研究

在使用弹载存储式加速度传感器系统进行火炮内弹道的运动参数获取时,由于其内部电源纹波与传感器自身所携带干扰等原因,采集到的加速度信号携带多种噪声,导致加速度解算误差变大。为了减小加速度的解算误差,提出了基于改进自适应噪声的完备集成经验模态分解(ICEEMDAN)的加速度信号处理方法,并根据Spearman相关系数与模糊熵值的综合评价方式对模态分量进行降噪处理,使用处理后的模态分量进行加速度信号重构。对重构前后的加速度信号进行时频域分析和多种算法滤波效果对比,结果表明,信号中的噪声被有效滤除,相对于数字滤波、平滑滤波、EMD等算法,ICEEMDAN算法处理后的加速度信号的信噪比有明显提高;处理后的加速度信号解算的平均相对误差率为2.67%,相比于直接对原始信号速度解算,平均相对误差率减小了9.43%。因此在对内弹道加速度信号进行解算时,使用ICEEMDAN算法进行信号处理可以有效降低积分解算误差。

基于氧耗散模型的燃气弹射内弹道仿真方法及验证

在低温燃气弹射内弹道数值仿真中,由于经典零维模型未考虑一次富燃燃气在低压室内的二次燃烧,导致预示结果相比试验结果有较大偏差。针对上述问题,引入氧耗散模型描述低压室内一次燃气二次燃烧效应,建立了考虑二次燃烧影响的燃气弹射内弹道零维预示模型,对不同工况下燃气弹射内弹道过程进行数值仿真分析,并结合有限速率/涡耗散模型CFD仿真结果及试验测试结果进行对比分析。结果表明:富燃气体进入低压室后迅速与空气掺混发生二次燃烧,在涡流的卷吸作用下二次燃烧反应剧烈,0.2 t_(0)时刻低压室内O_(2)消耗殆尽,二次燃烧反应结束。基于氧耗散模型的零维弹射内弹道计算方法可以表征弹射过程中低压室压力变化规律,具有计算量小、时间短的优势,能够对不同结构及工况下的弹射过程进行较好的预示,仿真计算误差小于4.5%,为燃气式弹射内弹道设计提供了一种新的便捷式迭代计算方法。

无人机载无后坐力枪内弹道性能数值模拟

为降低枪械武器的发射后坐力,建立基于全可燃药筒、尾喷气体式无后坐力发射系统内弹道数值计算模型。分析尾喷气体式无后坐力发射系统工作原理与发射过程,建立发射过程中的内弹道模型,进行弹道系统参数设计与内弹道数值仿真。设计无后坐力发射弹道系统验证方案,进行内弹道试验,并将数值模拟结果与试验结果进行对比分析。结果表明,该模型能正确模拟发射过程中膛压变化。

火炮内弹道挤进过程导转侧力特性

为研究弹丸挤进过程膛线导转侧与弹带的力学响应,基于能量法推导弹丸挤进过程弹带运动、变形及其与膛线相互作用的力学机理,根据经典内弹道理论分析了弹带挤进后与膛线导转侧受力关系,分别得到挤进过程和挤进后导转侧受力的一般表达式,并分析了挤进过程及挤进后导转侧受力的主要影响因素。采用弹塑性有限元方法模拟弹丸膛内运动过程,获取多种工况下导转侧受力动态响应,分析导转侧受力变化特性,以及挤进过程中导转侧力受挤进速度和坡膛角的影响规律。研究表明:弹丸挤进过程导转侧受力与挤进速度、坡膛角正相关,挤进后导转侧受力与弹底压力变化趋势一致;在一定速度范围内,弹丸挤进过程的导转侧受力远大于最大膛压时刻,且随着速度增加,挤进过程导转侧受力与最大膛压时刻的比值有明显增大的趋势;对于弹丸启动后自由行程较长的埋头弹火炮,挤进过程受力更为恶劣,需加强装药结构及优化坡膛结构为提高身管寿命创造条件。研究结果可为弹丸结构设计及弹炮匹配性分析提供理论参考。

气液混合作动装置内弹道设计与试验研究

为提升某大型起竖-翻转设备的快速响应能力,开发了一种新型燃气-液压混合作动装置,针对该新型混合动力装置,建立了变构型燃烧“凹型”药柱燃面推移变化数学模型及气液混合作动装置内弹道数值计算模型,完成了样机研制和空放试验研究,通过变构型燃烧“凹型”药柱的燃面匹配设计,实现了对不同燃烧阶段作动装置的快速建压和流量的稳定输出控制,验证了本文所建立的内弹道数值计算模型的准确性及该混合作动装置系统设计的可靠性。在此基础上,分析了“凹型”药柱设计参数对作动装置工作性能的影响,计算结果表明:作动装置输出流量的大小和响应时间的快慢主要与“凹型”药柱初始燃面及增面燃烧阶段肉厚的大小相关,药柱整体高度则决定了作动装置系统工作时间;在本文计算工况下,凹槽直径和药柱高度每增加10 mm,作动装置响应速度、平均输出流量和工作时间分别提升0.09 s、13 L/min和0.2 s左右。研究结果可为大型起竖装置的快速展开提供一种新的动力源及内弹道设计方法。

基于LSTM网络的内弹道性能预示方法

零维内弹道分析计算简便、高效,是一种常用的内弹道性能分析方法,但其常采用将喉径变化视为线性烧蚀的方法对喉部面积进行简化处理,而大量的试验表明喉径烧蚀并非线性,喉衬烧蚀主要发生在发动机工作的中后期。为此,文中提出了一种基于遗传算法和LSTM神经网络的内弹道性能预示方法,首先利用遗传算法和零维内弹道计算方程,从试验所得的压强数据中对喉径变化曲线进行辨识;然后利用LSTM神经网络建立喉径变化预示模型,实现对发动机喉径变化曲线的预示,并以此为基础对工作段内弹道性能进行预示;最后以实际案例对该方法进行验证,预示曲线与实际曲线的均方误差为0.118 MPa,相对误差为1.35%,结果表明该方法可以较为准确的预示固体火箭发动机的压强变化曲线。

气动灭火炮内弹道仿真与发射效率评估

针对压缩空气驱动灭火弹的发射过程,建立了内弹道仿真计算模型和发射效率评估模型。基于C++平台开发了仿真计算程序,并研究了驱动压力和装填条件对发射初速和发射效率的影响。研究结果表明,模型和程序能够有效模拟压缩空气驱动灭火弹的发射过程。初始气体压力的增大,会导致灭火弹的发射初速也增大,但压缩气体的能量转换效率降低。随着装填位置的增大,灭火弹的发射初速和压缩气体的能量转换效率均小幅度减小。灭火弹的质量仅影响其发射初速,而与压缩气体的能量转换效率无关。研究结果能够为确定压缩空气灭火炮的工作参数提供一定的理论指导。

耦合稳定结构特性的图像末制导炮弹内弹道性能研究

针对线膛火炮发射的图像末制导炮弹多采用“滑动弹带+气缸张开式尾翼”稳定结构特点,对末制导炮弹发射过程、滑动弹带膛内作用过程和气缸张开式尾翼气缸膛内充放气过程进行分析,建立了耦合“滑动弹带+气缸张开式尾翼”稳定结构特性的图像末制导炮弹内弹道模型,并以某图像末制导炮弹为例进行了数值仿真研究,得到了弹丸发射时膛内火药燃气压力和气缸内部压力、弹丸膛内运动速度以及弹体自转角速度等内弹道性能随时间的变化规律。从仿真结果来看,仿真模型计算精度较高,并且相关曲线与该图像末制导炮弹实际发射时的变化规律相一致,验证了模型合理性。在此基础上,从装备设计研制的角度重点分析了气孔直径和弹体与弹带环后端面之间摩擦系数的变化对气缸内外压差、弹体炮口转速等的影响规律。相关研究成果可为图像末制导炮弹结构的优化设计、弹载器件失效与抗过载机理以及其他类型制导炮弹在线膛火炮发射平台上的应用研究提供一定的理论基础与数据支撑。