压缩空气发射球形焰火弹仿真分析_金涌.pdf
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1、第 卷 第期 年月常州大学学报(自然科学版)():压缩空气发射球形焰火弹仿真分析金涌,张祚炜,朱健平(常州大学 石油与天然气工程学院,江苏 常州 ;北京北方车辆集团有限公司,北京 ;南京骏威创新精工机械有限公司,江苏 南京 )摘要:为改善传统焰火的燃烧随机性和提高发射稳定性,尝试利用压缩空气驱动焰火弹丸来代替传统的火药燃烧驱动发射过程。建立了压缩空气发射球形焰火弹丸的仿真模型和计算程序,模拟了高压气体驱动下球形弹丸在发射管内加速和在空气中自由飞行的过程。研究结果表明,建立的模型能够有效反映高压气体驱动球形弹丸的运动特征和规律,针对直径,质量 的球形焰火弹,可以采用 初始体积,弹丸行程的发射管,
2、设置发射角度为 ,初始气体压力分别为 和 时,焰火弹丸可达 和 预定高度。研究结果可为压缩空气驱动球形焰火弹丸发射系统的研发提供有效的理论支撑。关键词:压缩空气;球形焰火弹丸;等熵流动;弹道模拟中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,;,):,收稿日期:。基金项目:常州大学自然科学基金资助项目()。作者简介:金涌(),男,江苏江阴人,博士,讲师。:引用本文:金涌,张祚炜,朱健平压缩空气发射球形焰火弹仿真分析常州大学学报(自然科学版),():第期金涌,等:压缩空气发射球形焰火弹仿真分析 ,:;在盛大的典礼或表演中,人们经常会燃放焰火产生声光色的娱乐视听效果,烘托节日气氛。为了达到好的视觉
3、表演效果,焰火和礼花弹中填充了大量用于发射以及爆炸的固体火药。其发射方式通常采用黑火药等作为推进剂,利用火药燃烧产生的高温高压气体推动焰火弹丸升空到预定高度,再爆燃抛洒发光剂和发色剂形成预定的美丽图案。引线和固体火药受环境温湿度影响较大,其燃烧过程具有很大的不确定性,导致弹道一致性差,初速和射高均存在较大散布,不利于焰火造型和图案的稳定展现。同时,固体火药燃烧所产生的大量含硫含氮化合物还会对环境造成一定的污染。目前压缩空气驱动系统已广泛应用于海、陆、空等武器系统领域,包括鱼雷发射、导弹与火箭的冷发射、火箭弹冷发射及无人机弹射等。压缩空气驱动系统采用常温压缩空气作为工质,发射过程中避免了火工品和
4、含能发射药燃烧的弊端,具有无高温、无有毒有害气体、系统原理简单、通用性好、环境影响小、安全性高、成本低、无污染、发射时间短、能量功率密度较大、发射初始速度一致性高等优点。压缩空气驱动作用时间很短,气源压力较高,瞬时流量大。压缩空气驱动系统的总体方案选取与内弹道匹配设计是一个技术难点,关乎到整个系统的发射性能、发射安全性及发射效率等,是制约压缩空气驱动系统工程化应用的主要因素之一。因此,在压缩空气驱动过程中,针对加速物体的运动规律、气体流动规律及发射装置压力变化规律等内弹道特性的研究十分重要。文章尝试将压缩空气驱动技术应用到焰火弹发射领域,建立了压缩空气驱动球形弹丸的发射动力学模型,通过数值计算
5、分析了发射过程中的球形弹丸运动参数变化规律。装置结构及工作原理 装置结构图压缩空气驱动发射装置示意图 压缩空气驱动球形焰火弹丸发射装置结构如图所示,主要由发射身管、活塞杆、密封塞、单向阀、充气阀、泄气阀、储气罐、管路等组成。装置整体为圆柱形单开口结构。单向阀位于活塞杆上,控制气流只能由活塞杆流向高压室,防止反向流动。为了保证装置高压储气室的密封性,还有密封圈等未在图中标出。常州大学学报(自然科学版)第 卷 工作原理充气阶段:关闭泄气阀,打开充气阀,储气罐内的高压气体通过管路进入活塞杆,在高压气体的作用力下,活塞杆向右移动,当其移动到极端位置时,活塞杆前端的密封塞紧密贴合喷气口,将喷气口密封,气
6、体通过单向阀流向高压室内。当高压室内部压力平衡后,关闭充气阀。发射阶段:打开泄气阀,使得管路与外界大气连通。活塞杆内的气体迅速排出,因单向阀作用,高压气体无法通过单向阀泄放,由于压差的存在,高压气体会使活塞杆向左运动,带动密封塞左移,喷气口被迅速打开,高压气体进入发射身管推动弹丸向前运动。计算模型 内弹道计算模型膛内高压气 体 的 流 动 过 程 是 一 个 复 杂 的 变 边 界 瞬 态 过 程 。为 了 简 化 模 型,作 出 如 下假设:)发射管内的气体为理想气体,且气体状态参数在管内均匀分布,任一时刻均处于热平衡状态;)由于发射过程时间很短,忽略系统与外界的热交换,气体膨胀做功过程无摩
7、擦且绝热,则该过程为等熵过程;图压缩空气驱动球形弹丸发射计算模型 )气体沿发射管的流动为一维准定常流动,且不考虑气体射流对弹丸运动的影响。建立如图所示的计算模型,发射管内径为,弹丸质量为,初始装填位置为,弹丸行程为。简化整个内弹道过程为一定体积内初始压力的高压气体膨胀做功过程。发射管内球形弹丸后部的气体初始质量为,满足理想气体状态方程()式中:为 气 体 常 数;为 高 压 气 体 的 初 始温度。对于一个封闭系统的等熵过程,有任意时刻,系统存在关系(),()式中:为系统温度,;为系统体积,;为系统压力,;为气体绝热指数,取 ;下标表示系统初始状态。则膨胀做功()可表示为 ()采用距离来表示体
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