底排裝置壓力躍變?nèi)紵囼?yàn)研究

底排裝置壓力躍變?nèi)紵囼?yàn)研究

目前，我國(guó)大部分大口徑彈頭系統(tǒng)都被應(yīng)用于底部排氣彈的應(yīng)用。該技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是可以顯著提高口徑，其增長(zhǎng)率通常達(dá)到20%-30%，這可以提高火力抑制的范圍。然而，與傳統(tǒng)的傳統(tǒng)炸彈相比，底部排氣彈簧存在明顯的缺陷。國(guó)內(nèi)確定的底束斷裂的方程分布通常為1.1801.220左右，最好不超過(guò)1.240，顯著低于普通彈頭指數(shù)（1.2801.30）。因此，在過(guò)去的20年里，提高底板彈簧的方程分布一直是國(guó)內(nèi)外的熱點(diǎn)。丁澤生等人在廢物二次燃燒參數(shù)研究中報(bào)告了流量誘導(dǎo)和初始失效位置是影響二次穿透的重要參數(shù)。張炎清、趙子華通過(guò)數(shù)學(xué)處理獲得了廢物二次燃燒的延遲，導(dǎo)致距離分布的計(jì)算公式。郭錫福等人指出，通過(guò)底部阻力系數(shù)曲線確定噴射時(shí)間是科學(xué)的方法。在目標(biāo)場(chǎng)試驗(yàn)中，當(dāng)?shù)装逖b置不工作時(shí)，距離分布達(dá)到普通子彈1.2801.300的水平。結(jié)果表明，由于底板裝置的不同武器速度偏差，產(chǎn)生的底束位移的距離非常大。根據(jù)現(xiàn)有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由于底板裝置在運(yùn)行初期表現(xiàn)出強(qiáng)、非穩(wěn)定過(guò)程的不均勻性，這是底板裝置與一般武器速度初級(jí)機(jī)械的主要原因。特別是在發(fā)射口以外的0.1.0.2s內(nèi)，底板裝置的環(huán)境壓力突然下降，底板裝置處于強(qiáng)、非正統(tǒng)的過(guò)程中。這是初級(jí)燃燒和復(fù)燃控制的關(guān)鍵階段。為了研究壓力驅(qū)動(dòng)器在高壓下的燃燒機(jī)械變差的機(jī)理，探索了一種控制頂板燃燒的方法，提高了底束配合工作的穩(wěn)定性，建立了相應(yīng)的理論模型。作者在壓力驅(qū)動(dòng)器的壓力下進(jìn)行了物質(zhì)燃燒控制試驗(yàn)研究。1試驗(yàn)序列及分析為了模擬底排彈出膛口時(shí)的壓力突降情況,試驗(yàn)中采用了半密閉爆發(fā)器,試驗(yàn)裝置如圖1所示.實(shí)物構(gòu)件如圖2所示.圖2中間部件為底排藥劑燃燒室,左邊為上螺蓋,右邊為底螺蓋.上螺蓋內(nèi)裝填火炮發(fā)射藥,用以模擬炮口壓力,并點(diǎn)燃點(diǎn)火具和底排藥劑,上螺蓋的口部安裝剪切膜片,如圖3所示.底螺蓋上面安裝底排點(diǎn)火具,如圖4所示.試驗(yàn)時(shí)首先由點(diǎn)火藥包點(diǎn)燃上螺蓋和底排藥劑燃燒室之間藥室內(nèi)的火炮發(fā)射藥,火炮發(fā)射藥燃燒后,底排藥劑和底排點(diǎn)火具被點(diǎn)燃,當(dāng)?shù)竭_(dá)一定壓力時(shí)膜片破裂,高溫高壓燃?xì)鈴膰娍趪姵?使底排燃燒室外部腔體內(nèi)的壓力迅速降低,以此模擬底排彈出膛口時(shí)底排裝置外的環(huán)境壓力迅速降低的情況.筆者采用某155mm底排藥劑進(jìn)行了試驗(yàn),利用瞬態(tài)壓力測(cè)量系統(tǒng)記錄底排裝置壓力卸載過(guò)程,利用高速錄像系統(tǒng)拍攝試驗(yàn)全過(guò)程.典型壓力-時(shí)間曲線如圖5所示,底排卸載壓力為56.3MPa.相應(yīng)的試驗(yàn)序列過(guò)程如圖6所示.在試驗(yàn)中觀察到如下幾種特征:①在底排裝置壓力卸載后的短暫時(shí)間內(nèi),底排火焰首先熄滅,但點(diǎn)火具始終在工作.此時(shí)點(diǎn)火具火焰呈間斷狀,為典型的串狀駐定激波,如圖6(c)所示(卸壓后第32ms).這是一個(gè)高壓氣體向外流出的“暫態(tài)過(guò)程”,此時(shí)由于底排燃燒室內(nèi)、外壓差仍然較大,底排噴口處形成超音速流動(dòng)或臨界流動(dòng).②在底排裝藥復(fù)燃前,有大量黃色煙霧從底排裝置中噴出,如圖6(e)所示(卸壓后第400ms),筆者認(rèn)為此時(shí)底排藥劑表面燃燒反應(yīng)已經(jīng)停止,但仍然在維持熱分解.這些化學(xué)反應(yīng)不完全的產(chǎn)物,即黃色煙霧在外部空間積累到一定程度時(shí),在點(diǎn)火具外噴火焰作用下出現(xiàn)爆燃,如圖6(f)～6(h)所示.③底排裝藥在點(diǎn)火具燃燒產(chǎn)物的持續(xù)作用下,在壓力卸載后792ms復(fù)燃,如圖6(i)所示,噴口排出正常的底排火焰,之后一直維持穩(wěn)定的燃燒,如圖6(j)～6(l)所示.以上現(xiàn)象表明,壓力卸載時(shí)底排噴口外環(huán)境壓力在20～30ms內(nèi)從約60MPa下降到0.1～0.2MPa,這導(dǎo)致底排藥柱表面化學(xué)反應(yīng)速度下降,燃燒區(qū)失穩(wěn),出現(xiàn)部分或全部熄火(或化學(xué)反應(yīng)不完全).但熱分解仍在繼續(xù),即傳熱過(guò)程滯后于化學(xué)反應(yīng).熄火使底排裝置對(duì)彈底的加能加質(zhì)作用減弱,造成減阻作用下降,直到在新的低壓環(huán)境下,反應(yīng)表面建立起新的燃燒反應(yīng)-傳熱平衡,底排恢復(fù)正常工作.底排出膛口后熄火到二次復(fù)燃過(guò)程的不一致造成一組射彈射程不一致.針對(duì)底排裝置在壓力突降條件下火焰失穩(wěn)現(xiàn)象,筆者從底排燃燒機(jī)理及其控制角度出發(fā),在底排裝置口部安裝控制塊,如圖7,以不妨礙底排穩(wěn)態(tài)工作為前提,充分保證出口截面流通面積,盡可能降低或緩和非穩(wěn)態(tài)劇烈程度,延長(zhǎng)暫態(tài),盡可能控制或減少底排燃燒室對(duì)外界的熱損失.在同樣試驗(yàn)條件下,高速錄像拍攝的序列如圖8.由圖8所示的序列圖可見(jiàn),在壓力卸載后,裝有燃燒控制塊的底排裝置的工作過(guò)程總趨勢(shì)沒(méi)有變化,但是工況有了明顯改善.最突出的是,熄滅的底排藥劑更快實(shí)現(xiàn)二次復(fù)燃.同樣批次的底排藥劑和點(diǎn)火具,在壓力同樣從60MPa躍變至約0.1MPa的條件下,沒(méi)有加裝燃燒控制塊時(shí),底排裝藥在卸壓后776ms復(fù)燃.加裝了控制塊后,底排裝藥在卸壓后576ms復(fù)燃,如圖8(g)所示,所用時(shí)間縮短了200ms,約25%.而且與此相應(yīng),加裝燃燒控制塊后底排裝藥復(fù)燃前的熱分解產(chǎn)物,即黃色煙霧明顯減少.這表明控制塊能有效地減小壓力躍變對(duì)底排裝藥燃燒的影響.此時(shí),點(diǎn)火具火焰也更穩(wěn)定.所有這些,對(duì)減輕或控制底排彈出炮口后的底排裝置的強(qiáng)非穩(wěn)態(tài)過(guò)程都有利,從而能改善底排裝置工作初期的不一致性.2底排藥劑燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果與以往不同,此次試驗(yàn)采用了高速錄像系統(tǒng),每幀照片之間間隔8ms,錄取的過(guò)程較細(xì)微.選用的底排排氣的外空間高度有限,在不妨礙排氣過(guò)程的前提下,可清楚地觀察排出氣體積聚和消散的現(xiàn)象.通過(guò)初步研究,有3個(gè)新發(fā)現(xiàn):①底排裝置在壓力突降條件下,點(diǎn)火具火焰射流在最初的130ms內(nèi)呈串狀駐定激波;②底排藥劑復(fù)燃之前存在強(qiáng)烈的熱分解現(xiàn)象,且二次復(fù)燃時(shí)間越長(zhǎng),排出的黃色煙霧越多;③采用控制塊可以有效抑制或控制強(qiáng)非穩(wěn)態(tài)過(guò)程,縮短二次復(fù)燃時(shí)間.由此得到了3點(diǎn)啟示:①底排出膛口后大約0.13s時(shí)間內(nèi),噴口為超音速流或臨界流,其中前10～20ms,為強(qiáng)沖擊性排氣流.之后,底排燃燒室內(nèi)壓力雖然已經(jīng)下降,但仍可在出口維持弱超音速流或臨界流動(dòng),點(diǎn)火具燃?xì)獬尸F(xiàn)出駐定激波火焰性狀,直到130ms左右.這就是說(shuō),底排噴口排氣達(dá)到穩(wěn)定的亞音速工作狀態(tài),大約要130ms.對(duì)于初速為900m/s的彈丸,期望的底排正常工作時(shí)間只能是在彈丸飛行大約120m之后.在此距離之前,本質(zhì)上底排與一般火箭工作狀態(tài)大體相同.②出炮口之后,底排藥劑燃燒環(huán)境壓力突然降低.在此條件下,燃燒反應(yīng)程度降低,燃燒區(qū)溫度下降,最終使氣相燃燒反應(yīng)難以為繼而熄火.與此同時(shí),在火炮膛內(nèi)被充分加熱的藥劑表面加熱層的溫度變化相對(duì)滯后,因此底排藥劑的熱分解反應(yīng)仍在繼續(xù).研究中觀察到的黃煙,應(yīng)該是底排藥劑的熱分解產(chǎn)物,但化學(xué)反應(yīng)不完全,化學(xué)能被浪費(fèi)了.直觀上,沒(méi)有火焰,也就是熄火.換句話說(shuō),盡管在底排出膛口處沒(méi)有觀察到底排火焰,即存在熄火期,但其間熱分解和排氣還在繼續(xù),只是排出的氣體沒(méi)有釋放出化學(xué)能.一定意義上,二次復(fù)燃時(shí)間越長(zhǎng),浪費(fèi)的底排藥劑能量越多.③本文探索的關(guān)鍵是能否找到一種辦法,抑制和減緩這種能量的浪費(fèi).這就是本文提出的在底排噴口加裝控制塊的技術(shù)方案.控制塊按其性狀不同,對(duì)其流經(jīng)的高溫高速氣體的流動(dòng)阻滯作用和傳熱作用不同.理想狀態(tài)是,對(duì)超音速氣流發(fā)揮阻滯作用較強(qiáng),使其過(guò)程趨于平緩,促使藥劑燃燒表面失穩(wěn)程度降低到最低程度,從而盡快實(shí)現(xiàn)二次復(fù)燃.從現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看,這一目的已基本達(dá)到.下一步的任務(wù)是對(duì)控制塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化.3燃燒控