某型制導(dǎo)炮彈滑動彈帶間隙對彈頭的影響

黃德隆，楊均勻

(南京理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，南京 210094)

制導(dǎo)炮彈的前部裝備有精密的制導(dǎo)部件[1]。制導(dǎo)炮彈在制造和維護(hù)的過程中，位于炮彈尾部的滑動彈帶會產(chǎn)生磨損[2]。美國從20世紀(jì)40年代開始彈帶和彈托材料及其成型工藝技術(shù)的研究工作[3]，首先采用酚醛塑料制備彈帶，以減少炮管磨損，但效果不夠理想，到80年代初，105 mm鎢合金脫殼穿甲彈采用了尼龍6整體塑料彈帶。我國從20世紀(jì)70年代初開始塑料彈帶的研究工作，現(xiàn)在主要將滑動式塑料彈帶應(yīng)用于線膛炮發(fā)射尾翼穩(wěn)定的炮彈。在炮彈運動過程中，滑動彈帶在擠進(jìn)過程中與膛線相互作用，使滑動彈帶與膛線之間存在微小的間隙，會有漏氣情況，即火藥燃?xì)庋刂g隙進(jìn)入炮彈彈丸前部。本文主要模擬仿真火藥燃?xì)庋亻g隙漏氣時彈丸前部壓力的分布，即模擬漏氣產(chǎn)生的壓力對彈丸前部制導(dǎo)部件的影響。

1 問題描述

在有關(guān)炮彈的相關(guān)試驗中，彈體前部制導(dǎo)器件位置處布置有相應(yīng)強(qiáng)度的塑料片，在彈丸發(fā)射后回收彈丸發(fā)現(xiàn)該位置處塑料片有破碎現(xiàn)象。塑料片破碎現(xiàn)象的發(fā)生意味著在彈丸發(fā)射過程中，制導(dǎo)部位置的壓力過高導(dǎo)致制導(dǎo)元器件受影響甚至損壞。檢驗發(fā)現(xiàn)，造成彈丸前部壓力過高的原因之一是滑動彈帶在擠進(jìn)過程中，與膛線存在間隙導(dǎo)致發(fā)射過程中漏氣，火藥氣體進(jìn)入彈丸前部，引起制導(dǎo)部壓力過高。

2 模型建立

以155 mm榴彈炮身管和某型衛(wèi)星制導(dǎo)炮彈為研究對象，建立相應(yīng)的線膛模型和炮彈模型。

2.1 模型分析

膛線的橫向剖面圖如圖1所示，凸起的為陽線，用a表示其寬度；凹進(jìn)去的為陰線，用b表示其寬度；陽線到身管中心的距離為半徑，用d表示其長度。陰線與陽線在半徑方向的差稱為膛線深度，用t表示。圖1(b)中1為陽線，2為陰線，3為導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)。一般而言，陰線的兩側(cè)平行于通過陰線中點的半徑。

膛線的數(shù)目稱為膛線條數(shù)，用n來表示，為了加工和測量方便，通常將膛線條數(shù)做成4的倍數(shù)，并且膛線條數(shù)的多少與陰線和陽線的寬度有關(guān)，可由下式確定

(1)

膛線是在身管內(nèi)表面與身管軸線具有一定傾斜角度的螺旋槽，如圖2所示。

膛線的種類和結(jié)構(gòu)由彈丸導(dǎo)轉(zhuǎn)部的結(jié)構(gòu)、材料、火炮的威力和身管壽命等因素確定。

制導(dǎo)炮彈的外形如圖3所示，在其彈尾部和圓柱部之間應(yīng)用滑動彈帶，滑動彈帶擠進(jìn)過程中與線膛相互作用發(fā)生變形。

2.2 簡化設(shè)計

由于間隙存在于滑動彈帶與膛線的陰線之間，將每條膛線的螺旋槽之間存在的間隙大小都假設(shè)為相同，排除間隙存在差異的情況；彈丸長度與身管全長的比值小于十分之一，身管膛線的螺旋槽相對于彈丸表面接近直線；彈丸前部到炮口的距離，在彈丸發(fā)射后壓力下降，依舊存在較長的行程?；谝陨戏治?，可以對身管與彈丸模型進(jìn)行合理簡化，取一定長度的身管，建立二維軸對稱仿真模型。二維模型即是將每條膛線單獨簡化處理，由于炮膛長度相較膛線螺旋角度過長，螺旋角度產(chǎn)生的影響可以忽略，模型如圖4所示。

在彈尾部滑動彈帶處的處理如圖5所示。

所取身管長3 000 mm，身管陰線到身管中心的距離為80 mm，彈丸半徑77.5 mm，滑動彈帶到彈丸中心距離為79.5 mm，滑動彈帶寬度為20 mm，滑動彈帶左側(cè)到彈丸底部距離為12 mm，彈丸圓柱部長390 mm，彈頭圓錐部長270 mm。

在彈丸運動前，模型的入口處到彈丸底部距離為 500 mm，模型出口處到彈丸底部距離為2 500 mm。

3 網(wǎng)格劃分

利用FLUENT提供的數(shù)值模擬方法和前后處理功能，基于ICEM對彈丸運動模型劃分出非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，導(dǎo)入計算。

限制全局網(wǎng)格最大尺寸為50 mm，采用三角形網(wǎng)格，將彈丸前后一定距離劃分出一片較精細(xì)的網(wǎng)格域，將炮膛身管兩端按一定距離劃分出一片網(wǎng)格尺寸較大的區(qū)域，在彈丸的彈身上采用邊界層處理，在膛線到彈丸之間的間隙處劃分出更精密的網(wǎng)格。

由于本文著重分析彈丸與膛線間隙處的氣體流動問題，因而對間隙處的網(wǎng)格提出更高的要求，提高網(wǎng)格數(shù)量是必要的措施。如圖6～圖12所示，是膛內(nèi)各個位置的網(wǎng)格劃分示意圖，在邊界均采取了網(wǎng)格加密處理。

4 仿真方法

FLUENT軟件是目前最適合于模擬火炮膛內(nèi)的高溫高壓氣體運動的計算流體力學(xué)軟件之一，通過給定初始條件和選定計算方法，可以得到精確的模擬結(jié)果。

4.1 控制方程

火炮膛內(nèi)的漏氣現(xiàn)象，也屬于流體的一種流動，受到物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律[4-15]。

源項Sm是從分散的二級相中加入到連續(xù)相的質(zhì)量，源項也可以是任何自定義的源項；p是靜壓；τij為應(yīng)力張量；gi和Fi分別為i方向上的重力體積力和外部體積力；cp為比熱容；T為溫度；k為流體的傳熱系數(shù)；ST為流體的內(nèi)熱源及由于黏性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分，亦稱為黏性消耗項。設(shè)本文研究的漏氣現(xiàn)象的流動處于湍流狀態(tài)，系統(tǒng)還要遵守附加的湍流輸運方程。

4.2 邊界條件

模型的入口處本質(zhì)是彈丸發(fā)射后火藥氣體的燃燒，可以通過火藥在藥室的實際燃燒獲得彈丸發(fā)射后火藥氣體的燃燒規(guī)律，得到壓力、溫度隨時間的變化關(guān)系，如圖13、圖14所示。

將其編寫成FLUENT可以讀取的PROFILE文件形式導(dǎo)入，作為入口處的邊界條件。

設(shè)置炮筒底為壓力入口，設(shè)置壓力和溫度為導(dǎo)入文件數(shù)值。

在炮口處，由于彈丸還未出炮口，可以將炮口的邊界條件設(shè)定為壓力出口，壓力設(shè)為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

設(shè)置炮膛身管為絕熱壁面，流體介質(zhì)選擇理想氣體，選擇相應(yīng)的密度。

5 計算結(jié)果

在該炮彈的試驗中已知彈頭塑料片位置處的最大承受壓力為63 MPa，需要根據(jù)模擬的情況，尋找安全的間隙范圍，保證彈頭部制導(dǎo)元器件工作正常，不受影響。

通過Fluent軟件模擬分析得出彈丸與膛線的各個不同間隙情況下的壓力變化，繪制相關(guān)圖表。

在間隙為1 mm時，塑料片位置處的壓力隨時間變化關(guān)系如圖15所示。

此處的壓力隨時間變化曲線形狀與彈丸發(fā)射后氣體的壓力隨時間變化曲線形狀的變化趨勢相似，但數(shù)值不同，塑料片位置處在這個間隙下的壓力最高達(dá)到54 MPa，隨后下降。

此處達(dá)到最高壓力時，彈丸所在位置處的身管上的壓力分布如圖16所示。

可以看出，在彈丸上，滑動彈帶、圓柱部、圓錐部的各個交接位置處，氣體壓力會有明顯升降變化，在彈帶和彈丸底部，壓力急劇降低，從240 MPa降低至25 MPa；從彈帶到圓柱部壓力又有一定升高，從25 MPa升高到75 MPa；從圓柱部到圓錐部時壓力又降低到不足10 MPa。

此時的壓力云圖如圖17和圖18。

在滑動彈帶擠進(jìn)過程中，如果變形出現(xiàn)比較嚴(yán)重的情況時，即當(dāng)滑動彈帶緊貼彈丸圓柱部，取間隙為2.5 mm，此時的塑料片位置處的壓力-時間變化關(guān)系如圖19所示。

間隙擴(kuò)大后，塑料片位置處的壓力隨時間變化曲線形狀依舊與彈后氣體的壓力隨時間變化曲線形狀的變化趨勢相似，壓力最高可達(dá)118 MPa。

觀察在間隙為2.5 mm時塑料片處壓力達(dá)到最高時的壓力分布情況如圖20所示：

明顯看出當(dāng)間隙變大至滑動彈帶與圓柱部平齊后，兩處的壓力變化趨向平整，并且彈帶后部與彈帶處的壓力變化差減小。由于彈丸表面的滑動彈帶厚度減小，可以認(rèn)為彈丸上的凸起縮小，使彈丸發(fā)射后氣體更易通過間隙。

此時的壓力云圖如圖21、圖22。

根據(jù)表1可以看出，由于間隙變大導(dǎo)致彈頭部位的壓力過大，最高壓力達(dá)118 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過63 MPa，會導(dǎo)致塑料片破碎，以致影響該炮彈的制導(dǎo)元器件的正常工作；在間隙只有1 mm時，最高壓力不超過54 MPa，低于63 MPa，可以定為安全間隙值，應(yīng)該保證彈丸滑動彈帶的損壞不能超過此值。

表1

6 結(jié)論

1) 即使滑動彈帶與身管膛線的間隙小到只有1 mm，相對彈丸77.5 mm半徑而言足夠小，但隨著彈丸發(fā)射后火藥氣體壓力的升高，通過微小間隙也能使彈丸前部的壓力升高至54 MPa。

2) 比較塑料片處與彈丸發(fā)射后的壓力隨時間變化曲線，可以明顯看出，壓力變化的時間點基本一致，說明即使存在間隙，但由于彈后氣體的速度足夠大，也能在相對比較短的時間內(nèi)通過間隙傳播到彈丸前部，保持壓力變化的一致性。

3) 隨著滑動彈帶與身管膛線間隙的增大，塑料片所在位置處的壓力峰值也會增加，在滑動彈帶完全磨損的情況下，塑料片的壓力最高可以達(dá)到118 MPa。