新型HAN基液体推进剂EMP⁃01液滴电点火特性

为探究新型硝酸羟胺(HAN)基液体推进剂EMP‑01液滴点火特性,搭建了通过将液滴静置在半球形凹槽内并插入电极的液滴电点火实验平台,在液滴直径6.5 mm、电极间距0.5 mm、电压加载速率为86.31 V∙s-1的工况下,研究了EMP‑01液滴的电点火燃烧特性,确定了着火延迟时间;同时,不改变液滴直径以及电极间距,研究了电压加载速率为34.20~246.37 V∙s^(-1)时液滴着火延迟时间与燃烧过程的变化规律。结果表明,电点火燃烧中,EMP‑01液滴分依次经历为加热、热分解、燃烧3个阶段,并且在热分解阶段会产生周期性的膨胀收缩。电压加载速率为34.20 V∙s^(-1)时,EMP‑01液滴无法成功点火;电压加载速率为49.49~246.37 V∙s^(-1)时,随着电压加载速率增加,EMP‑01液滴着火延迟时间不断减小,且减小速率逐渐变缓。

直沟槽与螺旋沟槽排水结构对水下炮气幕演化特性的影响分析

为了降低水下炮的发射阻力,基于气幕式发射原理设计了一种带螺旋沟槽结构的新型火炮身管,通过身管内壁上开设的4条螺旋沟槽实现水下炮低阻高速发射。建立了水下炮气幕式发射排水过程的非稳态三维两相流模型,并验证了模型的合理性,在此基础上,开展螺旋沟槽结构排水过程的数值模拟,并对比分析了直沟槽和螺旋沟槽结构对气幕排水的影响。结果表明:在扩展初期,4股燃气射流沿螺旋沟槽结构进行周向旋转和径向快速扩展;随后射流间相互干涉,逐渐汇聚;最后,4股射流形成柱状气幕,开始协同排水。气幕形成过程中,螺旋沟槽结构对射流头部扩展速度有较为复杂的影响,射流头部速度先骤减随后波动下降;柱状气幕形成后,气幕头部速度呈非线性缓慢上升。气幕头部扩展到管口时,螺旋沟槽身管的含气率相比直沟槽身管提升了9.3%,特别是弹前400 mm范围内的含气率达到100%。

装药参数对水下机枪密封式膛口流场影响的数值分析

为了研究装药参数变化对水下机枪密封式发射膛口流场特性的影响,建立了水下机枪密封式发射的数学物理模型。运用流体力学计算软件Fluent,结合用户自定义函数和动网格技术,针对12.7 mm滑膛式机枪,分别采用15.5 g、13.0 g和11.0 g装药量对其水下密封式发射膛口流场进行了数值模拟。计算结果表明:不同装药量条件下,水下机枪密封式发射时,在弹头飞离膛口截面的过程中,水对弹前初始空气和弹头轴向运动的阻碍较大,导致弹头减速、火药燃气在弹后空间聚集、膛口燃气压力升高,而火药燃气形成射流后的喷射压力衰减遵循指数衰减规律;膛口射流形态受弹头速度和燃气喷射压力的耦合影响,均逐渐由梯形空腔转变为葫芦状空腔,且射流的轴向最大位移遵循指数衰减规律,马赫盘的初步形成时间也基本一致;随着弹头初速和燃气初始喷射压力的降低,火药燃气在射流头部聚集且径向扩展明显,并伴随形成二次射流,而弹底对马赫盘形状的影响时间缩短,激波核心区结构也更快地接近于正激波。因此可见,装药量对膛口流场分布的影响具有一定的规律性。

两种中口径弹药弹带动态挤进阻力特性的实验研究

针对弹丸挤进过程中弹带在坡膛产生高应变率塑性变形及断裂问题,采用短管炮发射装置完成了两种不同弹带动态挤进过程的阻力特性实验。采用动态压力测量和高速录像系统进行了挤进过程中膛内火药燃气的压力和弹丸位移数据的测量。对膛内压力和位移数据进行计算,得到了弹带挤进变形期间的阻力特性曲线。研究结果表明,弹带材料和结构对挤进阻力的影响较为明显,紫铜弹带相对于尼龙弹带有较高的挤进启动压力和最大阻力值,相应的挤进时间较短。

水下发射对机枪膛口温度场影响的数值分析

为了解不同发射环境下机枪的膛口温度场分布特性,对12.7 mm机枪在空气和水中射击所形成的膛口温度场进行了数值模拟和对比分析。数值计算借助Fluent软件,并利用User Defined Function(UDF)和动网格技术。计算结果表明,机枪水下密封式发射时,弹丸出枪口就开始减速,火药燃气在弹后减速、聚集而温度升高,使得燃气初始喷射温度达到2653 K,比空气中发射时(2236 K)高417 K。受弹丸运动和气液界面的共同影响,在弹丸出膛70μs时形成马赫盘,而空气中发射时弹丸出膛200μs才初步形成马赫盘。与空气中发射相比,水下发射时形成的激波核心区较小,但核心区温度更高;其中压缩波中最高温度接近3200 K,比空气中发射时相应区域约高1500 K。通过拟合水下密封式发射时膛口形成的马赫盘位置随时间变化曲线,发现其位置与时间在弹丸出膛200μs内满足指数变化规律。

水深对机枪密封式膛口流场影响的数值分析

为了探究水深对水下机枪密封式膛口流场的影响,文章运用流体计算软件FLUENT,结合用户自定义函数(UDF)和动网格技术,对12.7 mm滑膛式机枪在1 m、50 m和100 m水深条件下的密封式膛口流场进行了数值分析。计算结果表明:随着水深增大,弹丸初速降低明显而膛压略有升高;弹丸膛外行程在不同水深条件下均满足指数函数规律;弹丸水下运动过程中,速度衰减随着速度降低而加快;水深越大,膛口流场激波膨胀区域越小,马赫盘位置离膛口越近,膨胀区头部温度越高而速度越低;200μs时刻,随着水深增大,燃气射流在越过马赫盘后温度出现峰值次数减少。由此可见,水深对水下机枪密封式发射内弹道结果和膛口流场的影响具有一定规律。

底火初温对能量释放特性影响的实验研究

为了研究不同初温条件下底火的能量释放特性,在考虑热散失修正的基础上,设计了专门的微型绝热密闭爆发器,分别开展了绝热效果对比试验和3种初温条件下(-20℃、28℃和50℃)底火的击发试验研究,获得了不同工况下击发底火时密闭爆发器内压力随时间的变化关系。试验结果表明:对微型密闭爆发器进行绝热处理,压力损失和损失率分别降低了0.21 MPa和8.9%,而底火药的燃烧时间差别不大;底火初温分别为-20℃、28℃和50℃时,底火击发后在微型绝热密闭爆发器中产生的最大压力依次为2.24 MPa、2.33 MPa和2.61 MPa,底火药的燃烧时间分别为1.30 ms、0.98 ms和0.78 ms,底火药燃气压力冲量分别为2.40 MPa·ms、2.29 MPa·ms和2.03 MPa·ms。由此表明,底火初温越高,底火药燃烧越猛烈,其燃烧时间越短,在密闭爆发器中产生的最大压力越高,但产生的压力冲量越小。该研究揭示了底火初温对其能量释放特性的影响规律。

枪口压力对水下发射膛口流场特性的影响

为了研究机枪水下发射枪口燃气喷射压力对膛口流场分布特性的影响,基于流体计算软件FLUENT,采用结构化网格并结合动网格技术,建立了水下枪膛口流场二维轴对称仿真模型,针对14.5 mm水下枪,分别采用30 MPa、45 MPa和60 MPa燃气喷射压力对水下密封式发射膛口流场进行了数值模拟。计算结果表明:3种枪口喷射压力条件下,火药燃气喷出膛口后都迅速形成射流膨胀区,膛口轴向压力急剧衰减,燃气扩展过程中受到水和弹丸的较大阻力,在弹后空间聚集,使得压力有不同程度的升高;燃气喷射压力在30~60 MPa范围内,膛口马赫盘初步形成的时间略有不同,约在145~152μs之间,压力越小时,马赫盘形成越早且弹丸越早脱离火药燃气的包围;3种压力条件下马赫盘距离膛口中心位置随时间的变化都呈指数分布规律。

火炮在不同介质中发射的膛口流场特性分析

为研究水下炮密封式发射膛口流场及在不同介质中的膛口流场分布特性,建立了水下密封式发射二维轴对称膛口多相流数值模型。采用VOF(volume of fluid)模型、标准k-ε湍流模型,结合用户自定义函数及动网格技术,分别对水下密封式发射与空气中发射膛口流场演化过程进行了数值模拟与对比。计算结果表明,火炮在水下发射时的膛口流场与空气中发射时有明显差异。水下密封式发射时的最大膛压与空气中基本相同,弹丸初速较空气中发射降低了32 m/s,而膛口压力与温度有明显的升高;水下密封式发射时大约在140μs初步形成马赫盘,而空气中发射时马赫盘形成较晚,约在320μs;与空气中发射相比,水下发射时的激波核心区面积更小,且弹丸头部不存在冠状冲击波。水下密封式发射时,马赫盘距离膛口轴向位移随时间变化呈指数增长;空气中发射时,马赫盘距离膛口轴向位移随时间变化呈线性增长。

圆管沟槽结构参数对气幕形成和排水特性的影响

为提高全淹没式水下火炮弹丸的发射初速,基于气幕式发射原理提出了一种气幕的新型形成方式,即通过在身管内壁开设沟槽来引导部分弹后火药燃气向弹前流动形成气幕,进行实时排水。为此建立了充液圆管内多股燃气射流排水过程的三维非稳态两相流模型,并在喷射压力10MPa恒压下进行了数值模拟。结果表明:燃气射流进入充液圆管后产生周向和径向扩展,在周向率先汇聚后开始径向汇聚,最终在管内形成柱状气幕。在射流扩展过程中,Taylor空腔内重复着在弹头斜面产生涡旋、随后涡旋尺度增大并向下游移动、产生新涡旋的过程。随着沟槽宽高比由0.71增大到1.60时,弹头表面静压增大了14.02%,射流轴向扩展速度和气幕排水速率呈非单调变化,并在宽高比1.00时达到最大。而在相同条件下增大喷射面积,虽然射流轴向扩展速度和气幕排水速率提高,但消耗的燃气增多,弹头表面静压也增大,不利于弹丸速度提高。

基于流固耦合的瞬态多相流场特性研究

为了研究水下高速射弹运动形成的瞬态多相流场演化特性,建立水下密封式发射二维非稳态膛口多相流数值模型,采用VOF多相流模型描述两相界面,Standard k-ε湍流模型描述气液湍流掺混,并通过水下发射可视化试验验证了数值模型的可行性。在此基础上,针对30 mm水下炮,设计出尖头、钝头和圆台头三种弹型,利用UDF耦合内弹道过程并结合动网格技术,对其水下密封式发射膛口瞬态流场演变规律进行数值分析。结果表明,弹丸出膛时刻,三种弹型条件下的膛口初始参数不同,尖头弹条件下的弹丸初速相对最小而膛口压力和温度最高,圆台头弹条件下的弹丸初速最大,膛口压力和温度最低,钝头弹条件下的各项膛口参数居于两者之间。钝头弹和圆台头弹条件下的马赫盘大约在150μs形成,激波核心区呈碗状结构;尖头弹条件下的马赫盘约在180μs形成,激波核心区呈“桃心”状结构。