超高射频火炮内弹道性能参数一致性研究

发布时间：2020-09-29 15:24

　　 超高射频火炮可以在极短时间内发射大量弹丸,形成火力密度高、落点相对集中的弹幕,对于我军近程防御系统、反袭击和区域封锁武器系统的发展具有重大意义,但是超高射频火炮的发展还需要攻克一些技术难题,其中之一是"内弹道性能参数一致性技术"。本文以某小口径超高射频火炮为背景,通过理论分析和数值模拟,深入地研究了超高射频火炮弹药结构、身管内不同发射次序弹丸的行程差异、射击频率以及膛口流场对内弹道性能参数一致性的影响,得到的结论和方法可以为超高射频火炮的研制工作提供理论指导。具体内容总结如下:a)建立了弹药串联装填超高射频火炮经典内弹道模型,使用四阶Runge-Kutta算法,编制了经典内弹道计算程序,在实验数据验证计算程序模拟结果可信的基础上,计算了不同发射时间间隔、不同装填条件下的3发弹丸弹药串联装填超高射频火炮内弹道过程,得到了发射时间间隔、装填条件变化对各发弹丸内弹道性能的影响规律,结合使用内弹道计算程序和定量修正公式,较为简单方便地得到了超高射频火炮串联发射的内弹道性能参数一致性校正结果。b)建立了弹药整装式超高射频火炮的经典内弹道模型,编制了数值模拟程序,分别模拟了 3发弹丸不同发射时间间隔和装填条件下的串联发射内弹道过程,得到了发射时间间隔、装填条件变化对各发弹丸内弹道性能的影响规律,结合使用经典内弹道计算程序和定量修正公式,较为简单方便地得到弹药整装式超高射频火炮串联发射的内弹道性能参数一致性校正结果,但是整装式弹药的结构特性降低了火药气体的做功效率,浪费了发射药能量,从串联发射内弹道性能和内弹道性能参数一致性校正结果优劣的的角度来说,不是一个很好的弹药设计方案。c)分析了现有的弹药串联装填超高射频火炮弹丸定位技术及其优缺点,选择了弹药结构最接近常规弹丸的弹丸摩擦自锁定位方案进行定位性能研究。通过对弹丸自锁定位结构的静力学分析论证、有限元模拟验证了弹丸自锁定位方案的可行性,得到了最大摩擦系数、止退环结构参数等参数变化对定位性能的影响规律,确定了能够实现可靠定位的弹丸自锁定位方案弹药结构的具体尺寸参数,为弹药串联装填超高射频火炮的两相流内弹道数值模拟提供了可信的计算初始条件,减小弹药串联装填超高射频火炮两相流内弹道模型建立和数值模拟的难度和工作量。d)为了更加精确地研究弹前火药气体运动过程对弹药串联装填超高射频火炮内弹道过程的影响和极限情况下两发弹丸同时在身管内的运动过程,以得到更准确的各发弹丸内弹道性能参数一致性校正结果,建立了弹药串联装填超高射频火炮弹后膛内和弹前空间的两相流模型,两者通过弹丸运动紧密耦合,使用MacCormark差分格式,编制了两相流内弹道计算程序,在实验数据验证计算程序模拟结果可信的基础上,计算了不同发射时间间隔、不同装填条件下的3发弹丸弹药串联装填超高射频火炮内弹道过程,得到了发射时间间隔、装填条件变化对各发弹丸内弹道性能的影响规律,并且知道导致经典内弹道模型和两相流内弹道模型计算结果存在较大差异的主要原因是两种内弹道模型计算得到的弹头压力和弹前压力差异很大。结合使用两相流内弹道计算程序和定量修正公式,可以得到发射时间间隔较大时的超高射频火炮串联发射内弹道性能参数一致性校正结果,但是发射时间间隔较小时,只能校正各发弹丸炮口速度一致,并尽量降低后两发弹丸的最大膛底压力,但是后两发弹丸的最大膛底压力无法降至与第1发弹丸的最大膛底压力一致。两相流内弹道模型和经典内弹道模型计算的弹头压力和弹前压力差异较大,导致基于两种内弹道模型的一致性校正方案差异很大,其中两相流内弹道模型的计算结果更加准确。e)为了研究弹药串联装填超高射频火炮串联发射时膛口流场对各发弹丸初速一致性的影响,建立了考虑初始流场、耦合经典内弹道模型的弹药串联装填超高射频火炮弹丸串联发射膛口流场计算流体动力学模型,使用有限体积法计算了不同发射时间间隔的两发弹丸串联发射的膛口流场发展过程,发现影响弹丸出炮口后速度增加量的主要因素是弹丸的炮口压力大小,炮口压力可以作为弹丸出炮口后速度增量的判断依据,不同发射次序弹丸的炮口压力不一致,使得出炮口后的速度增加量不同,可在超高射频火炮内弹道设计时配合炮口压力予以提前修正,以尽量使不同发射次序弹丸的初速达到一致。经典内弹道模型在耦合较精确弹头阻力时能够得到与两相流内弹道模型相近的内弹道性能参数计算结果。超高射频火炮串联发射时,第1发弹丸膛口流场的消散过程和后续弹丸膛口流场的形成过程与传统火炮的膛口流场过程是不同的,随着发射时间间隔的缩短,前发弹丸的膛口流场对次发弹丸出炮口后弹头压力的影响逐渐增大,使弹头压力曲线变化幅度增大,但是第2发及后续弹丸的弹头压力在弹头出炮口后置为零对内弹道计算结果影响很小。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TJ301
【部分图文】：

逦超高射频火炮内弹道性能参数一致性研充逡逑管前就已经加工组装成整体，而图１．２所示弹丸和装药在装入身管前两者是分开的。逡逑图１．１中定位方案称为＂弹药一体首尾相接式＂定位方案，图１．１所示为最初的原理逡逑图，在之后公开的发明专利ｔｅｗＤｌ中，＂弹药一体首尾相接式＂定位方案的弹药结构设逡逑计逐渐完善并分化为若干种种类，但是基本定位原理是一致的。图１．２中定位方案称逡逑为＂弹药分装首尾相接式＂定位方案，图１．２所示为最初的原理图，主要支撑部件是逡逑－根中也杆，而在之后公开的发明专利中，＂弹药分装首尾相接式＂定位方案的弹药逡逑结构设计逐渐分化为支撑环甚至多个支撑部件串联定位ｔｎｉ等若干种种类，但是逡逑基本定位原理是一致的。逡逑恱kw腑ｍ邋阻姦壚删榦邋Ｉ壚化＇}0腑扣佭ＭｉｉＭ邋ｗｍｍｍＭｗＭ涵逡逑图１．１邋＂弹药一体首尾相接式＂定位方案逦图１．２邋＂弹药分装首尾相接式＂定位方案逡逑０’Ｄｗｙｅｒ在１９９７年公开的发明专利ｆ７３咕提出了图１．３中的＂环圈－壁槽模合式＂逡逑定位方案。弹丸的支撑部件为剖面成c坌巍⑼獗砻婊沸瓮蛊鹩肷砉鼙诿婊沸吻胁厶�合逡逑的环圈，材料为铅质等大密度金属材料。当弹丸主体受到头部火药气体压力稍微向后逡逑运动�

本文编号：2829907