蔣淑園,王　浩,林長津,王金龍

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

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大口徑高速平衡炮點火具系統(tǒng)點火試驗及理論研究

蔣淑園,王浩,林長津,王金龍

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

為了了解點火導(dǎo)線型號的不同對多點點傳火系統(tǒng)一致性的影響,也為大口徑高速平衡炮選擇合適的點火導(dǎo)線提供參考,該文對常用的2種點火導(dǎo)線進(jìn)行了多點點傳火具的發(fā)火試驗,試驗結(jié)果表明:多根導(dǎo)線并聯(lián)降阻,減小連接線長度,可以有效減小導(dǎo)線電阻對點火時間延遲的影響。在試驗的基礎(chǔ)上,對多點點傳火管進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)值模擬,驗證了試驗中所用24 m、10 mm2銅導(dǎo)線可以有效發(fā)揮點火同步性,減小壓力波強(qiáng)度,滿足了480 mm大口徑高速平衡炮對多點點傳火系統(tǒng)性能的需求。該研究為相關(guān)大口徑火炮的點傳火系統(tǒng)設(shè)計提供了理論和試驗依據(jù)。

平衡炮;多點點火;點傳火試驗;數(shù)值模擬

點火過程是火炮發(fā)射重要的起始過程。點火的均勻性、瞬時性是檢驗一個點火過程好壞的標(biāo)準(zhǔn)。不均勻的局部點火容易產(chǎn)生大振幅的壓力波,嚴(yán)重的情況下可能引起膛炸。在火炮及一些發(fā)射裝置的設(shè)計中,良好而可靠的點傳火系統(tǒng)對彈道穩(wěn)定性和射擊安全性尤其重要,點火系統(tǒng)的合理性關(guān)系到彈藥系統(tǒng)能否安全、可靠地作用,直接影響著發(fā)射藥點火與燃燒的一致性、膛內(nèi)壓力波的產(chǎn)生情況及膛壓與初速的穩(wěn)定性等[1-6]。

大口徑火炮[7-9]普遍存在點火延遲和局部點火現(xiàn)象,這會使得反常壓力波生成的概率增加。本文研究的480 mm平衡炮[7]藥室長,裝藥量大,因此設(shè)計選用多點點火系統(tǒng)進(jìn)行點火。多點點火系統(tǒng)點火頭數(shù)目多,對各點火具的發(fā)火一致性有較高的要求。文獻(xiàn)[10]對多點點火系統(tǒng)的點火頭進(jìn)行了深入的研究,通過試驗選取了點火一致性較好的點火頭。而點火頭是通過導(dǎo)線與點火電源相連的。一般情況下,點火的導(dǎo)線對點火一致性的影響較小,可以忽略,但是,對大口徑480 mm高速平衡炮而言,炮口沖擊波等安全性因素要求導(dǎo)線具有較長的長度,一般為幾十米。在這種條件下,導(dǎo)線的電阻值對點火一致性的影響就不容忽視了。為了研究多點點火具系統(tǒng)在點火電源作用下同步點火的一致性,本文進(jìn)行了多點點火具系統(tǒng)發(fā)火試驗,研究導(dǎo)線電阻對點火一致性的影響規(guī)律,為最大程度發(fā)揮多點點火優(yōu)勢,保證大口徑高速平衡炮的點火均勻性以及發(fā)射安全性提供依據(jù)。

1　多點點火具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示,多點點火具點火網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括點火線、引接線、裝藥模塊并聯(lián)線和點火具等部分。其中點火線由平衡體內(nèi)點火線和平衡體外點火線兩部分組成,平衡體內(nèi)點火線長9 m。點火線使用聚氯乙烯薄膜繞包導(dǎo)線。引接線和裝藥模塊并聯(lián)線使用聚四氟乙烯薄膜繞包絕緣導(dǎo)線。引接線長度為5 m。根據(jù)大口徑480 mm平衡炮的藥室長度,設(shè)計的點火系統(tǒng)由9節(jié)50 cm的點火管串聯(lián)組成。每節(jié)點火管的兩端設(shè)置點火頭,因此設(shè)計的點火系統(tǒng)中共并聯(lián)有18個點火具。點火具排布實物圖如圖2所示。

圖2　點火具排布圖

2　多點點火具發(fā)火試驗內(nèi)容

多點點傳火系統(tǒng)的好壞與導(dǎo)線的選取有著密切的聯(lián)系。因此,擬通過選取相同的點火頭并聯(lián),在同一點火電源產(chǎn)生的相同點火電壓下點火,測試選取不同導(dǎo)線點火頭被點燃的時間,來測得多點點火系統(tǒng)的發(fā)火延遲時間。試驗內(nèi)容包括以下2個方面:

①采用45 m點火線進(jìn)行點火試驗。按點火線(含平衡體內(nèi)部連接線和外部連接線)長45 m進(jìn)行2發(fā)點火試驗。其中,點火線為6 mm2,未采取并聯(lián)降阻。5 m引接線也未采取并聯(lián)降阻。點火電源電流設(shè)置為90 A,電壓設(shè)置為34 V。

②采用24 m點火線進(jìn)行點火試驗。使用24 m點火線進(jìn)行試驗,其中平衡體外點火線由2根10 mm2導(dǎo)線并聯(lián)組成,平衡體內(nèi)點火線使用單根10 mm2導(dǎo)線。5 m長引接線由3根聚四氟乙烯薄膜繞包絕緣導(dǎo)線并聯(lián)而成。經(jīng)測量,整個點火回路電阻為0.4 Ω。點火電源電流設(shè)置為90 A,電壓設(shè)置為34 V。

試驗步驟如下:

①將多點電點火具按順序擺放于試驗桿上并用膠帶固定,如圖2所示。

②連接銅導(dǎo)線與電點火具連接端,點火具連接端位于中部。

③將銅導(dǎo)線另外一端按要求連接于點火電源。

④布置高速錄像系統(tǒng)與合適位置,確保所有點火具處于高速錄像視場之內(nèi);調(diào)整高速錄像至合焦?fàn)顟B(tài),將拍攝頻率置于20 000 s-1;設(shè)置高速錄像于待觸發(fā)狀態(tài)。

⑤在確認(rèn)高速錄像系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒后發(fā)布點火指令,高速錄像系統(tǒng)記錄點火過程。

⑥判讀高速錄像結(jié)果,判斷點火過程持續(xù)時間。

3　多點點火具發(fā)火試驗結(jié)果

按要求共進(jìn)行了2發(fā)使用45 m點火線的多點點火具發(fā)火試驗和1發(fā)使用24 m點火線的點火試驗。試驗結(jié)果如下。

1)45 m點火線試驗。

進(jìn)行了2發(fā)使用45 m點火線的多點點火具發(fā)火試驗。第1發(fā)點火試驗中高速錄像所得照片如圖3所示。第1個被點燃的點火具于-9 101幅被點燃,位于中部。此后其余點火具分別被點燃,點燃次序總體來看是由中間向兩端擴(kuò)展的。最后被點燃的點火具位于最右端,于-8 893幅被點燃。由此可知,整個點火過程持續(xù)208幅。由于拍攝頻率為20 000 s-1,故整個發(fā)火過程持續(xù)10.4 ms。

圖3　45 m點火線第1發(fā)高速錄像圖

圖4為第2發(fā)45 m點火線發(fā)火試驗中高速錄像所得照片。

圖4　45 m連接線第2發(fā)高速錄像圖

從圖4中可以看出,第1個被點燃的點火具于-8 944幅被點燃,位于中部。此后中間約4～5個點火具分別被點燃。約5.9 ms(118幅)后兩側(cè)點火具才被迅速點燃。點燃次序仍然是由中間向兩端擴(kuò)展。最后被點燃的幾個點火具位于最右端,于-8 750幅被點燃。由此可知,整個點火過程持續(xù)194幅,整個發(fā)火過程持續(xù)9.7 ms。

根據(jù)2發(fā)試驗結(jié)果,點火過程持續(xù)約10 ms,點火具點燃的次序遵循由中間向兩側(cè)的趨勢。

2)24 m點火線試驗。

進(jìn)行了1發(fā)使用24 m點火線的多點點火具點火試驗,高速錄像所得照片如圖5所示。由圖可見,在97幅時沒有點火具被點燃。在98幅時點火網(wǎng)絡(luò)中部有5個點火具發(fā)火。在99幅時點火網(wǎng)絡(luò)中部有9個點火具已經(jīng)發(fā)火。在100幅時最左側(cè)5個點火具、最右側(cè)3個點火具和中部一個點火具也已經(jīng)發(fā)火,至此,所有18個點火具均已發(fā)火。整個發(fā)火過程持續(xù)4幅,計0.2 ms。點火具發(fā)火次序基本遵循從中間向兩端移動的規(guī)律。

圖5　24 m連接線高速錄像圖

4　試驗結(jié)果分析

從上述的試驗結(jié)果可以看出,導(dǎo)線的電阻對點火完成時間影響較大,在采用45 m、6 mm2銅導(dǎo)線時完成發(fā)火需要約10 ms,而采用24 m、10 mm2銅導(dǎo)線(含并聯(lián))時完成發(fā)火僅需0.2 ms。試驗中還發(fā)現(xiàn),不論選用哪種導(dǎo)線,發(fā)火過程幾乎都遵循了從中間往兩端逐漸點燃的趨勢。因此,為了進(jìn)一步研究導(dǎo)線電阻造成的點火頭點火延遲對大口徑高速平衡炮點傳火過程的影響,取2發(fā)點火耗時分別為0.2 ms和10 ms的結(jié)果。理論上假設(shè)18個點火頭從中間向兩邊逐漸被點燃,數(shù)值模擬導(dǎo)線電阻不同對點火性能的影響。圖6為大口徑高速平衡炮采用的9節(jié)點火管串聯(lián)的多點點傳火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。每節(jié)點火管兩端設(shè)計有點火藥盒,通過0～17共18個點火頭進(jìn)行點火。

圖6　多點點傳火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4.1數(shù)學(xué)模型

文獻(xiàn)[7]詳細(xì)敘述了多點點傳火管內(nèi)的一維兩相流建模和數(shù)值模擬方法,這里不再贅述。

建立點傳火系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。

1)連續(xù)方程。

氣相連續(xù)方程:

(1)

固相連續(xù)方程:

(2)

2)動量方程。

氣相動量方程:

(3)

固相動量方程:

(4)

式中:Fs為相間阻力,N;σp為顆粒間應(yīng)力,Pa;uI為點火頭內(nèi)燃燒噴射進(jìn)入黑火藥時的氣體速度,m/s。

3)氣相能量方程。

(5)

式中:Qp為相間傳熱,J·m-3·s-1;ep為固相比內(nèi)能J·kg-1;eg為氣相比內(nèi)能J·kg-1;eI為點火頭內(nèi)火藥燃燒釋放出的化學(xué)能J·kg-1。

4)輔助方程。

輔助方程包括相間阻力方程、相間熱交換方程、狀態(tài)方程以及火藥燃燒速率、形狀函數(shù)、顆粒間應(yīng)力和火藥表面溫度的方程,具體參見文獻(xiàn)[11]。

4.2仿真結(jié)果分析

采用MarcCormack差分格式對上述模型進(jìn)行數(shù)值模擬,編制相應(yīng)程序。根據(jù)試驗結(jié)果,首先選擇點火頭總發(fā)火時間為10 ms左右(情況1),由中間向兩邊將不同點火藥盒中的能量以一定時間差加入到點火管中,即首先8#、9#點火頭點火,1.25 ms左右,7#、10#點火頭點火,點火藥盒的能量加入點火管中,再過1.25 ms,6#、11#點火頭點火,依次類推,得到多點點傳火管內(nèi)的壓力如圖7(a)所示。同理,選擇點火頭總發(fā)火時間0.2 ms(情況2),由中間向兩邊依次點火,得到點傳火管內(nèi)的壓力曲線如圖7(b)所示。由圖7(a)可以看出,當(dāng)從中間至兩端全部點火頭都被點燃的時間為10 ms時,點火系統(tǒng)內(nèi)的壓力也表現(xiàn)出從中間到兩端逐漸上升的趨勢,點火管全面被點火,壓力整體開始上升的時間在5 ms左右。由圖7(b)可以看出,當(dāng)點火時間差最大為0.2 ms時,點火管壓力上升都較迅速,幾乎是瞬間全面點燃。點火管各位置處的壓力上升也較為均勻一致。圖8、圖9分別為2種情況下時間為1.0 ms和7.0 ms的空隙率沿軸向的分布曲線。圖7(a)為1.0 ms時的壓力曲線,由于導(dǎo)線電阻影響導(dǎo)致點火頭發(fā)火不一致,所以1.0 ms時,情況1的點火頭才被點燃2個,點火頭附近的空隙率上升。而情況2的點火管1.0 ms都已經(jīng)被點燃,使得整個點火管內(nèi)點火頭附近的空隙率都已經(jīng)上升,差距較小。2種情況下的鋸齒都是由于點火頭附近氣體被點燃,推動火藥往傳火管中間移動,因此中間空隙率略有下降,但是并未嚴(yán)重堆積。圖9為7.0 ms的空隙率分布。由圖9(b)可以看出,雖然依然有鋸齒形態(tài)出現(xiàn),但空隙率在穩(wěn)步上升。這個鋸齒一部分是受之前的影響,一部分是由于傳火孔中氣體不斷地噴出,有傳火孔的地方和沒有傳火孔的地方會有區(qū)別。但是根據(jù)圖9(a)中情況1的空隙率分布曲線,點火系統(tǒng)中間部分的空隙率上升,但是兩端空隙率卻大大下降,產(chǎn)生了堆積,這對于點火安全一致性是不利的。綜上可以看出,采用24 m、10 mm2銅導(dǎo)線(含并聯(lián))時，總發(fā)火時間為0.2 ms,多點點傳火系統(tǒng)能夠保持較好的均勻一致性,能夠發(fā)揮多點點傳火結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

圖8　1.0 ms時的空隙率分布曲線

圖9　7.0 ms時的空隙率分布曲線

5　結(jié)論

①選取不同規(guī)格的導(dǎo)線,進(jìn)行了3發(fā)多點點火系統(tǒng)的點火試驗,各點火頭都順利點火,說明設(shè)計的多點點火結(jié)構(gòu)可行,工作安全可靠。

②通過試驗對比發(fā)現(xiàn),24 m、10 mm2銅導(dǎo)線(含并聯(lián))完成發(fā)火的時間遠(yuǎn)小于45 m、6 mm2銅導(dǎo)線完成發(fā)火的時間，這說明選取多根導(dǎo)線并聯(lián)降阻,減小連接線長度,可以有效減小導(dǎo)線電阻對點火時間延遲的影響。值得一提的是,減小導(dǎo)線長度意味著點火電源將離炮口更近,炮口沖擊波對電源的沖擊作用將會更為嚴(yán)重,這對電源的防護(hù)提出了更高的要求。在實際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)根據(jù)可以滿足要求的點火延遲時間來選擇合適的點火網(wǎng)絡(luò)電阻值。

③在試驗所得24 m、10 mm2銅導(dǎo)線發(fā)火時間較短的基礎(chǔ)上,利用兩相流理論對點傳火管內(nèi)的壓力分布情況進(jìn)行了數(shù)值仿真分析,得到膛內(nèi)壓力分布一致性較高,可以有效發(fā)揮多點點火優(yōu)越性的結(jié)論。本文為大口徑480 mm高速平衡炮的點傳火設(shè)計提供了有效的理論和試驗基礎(chǔ),同時對相關(guān)大口徑火炮的裝藥設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

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Experiment and Theory Research on the Ignition System of Large-caliber High-speed David Gun

JIANG Shu-yuan,WANG Hao,LIN Chang-jin,WANG Jin-long

(School of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

To study the effect of ignition wire on the consistency of multi-point ignition system and to select right wire for large-caliber high-speed David gun,two types of wire were tested to gain their ignition time.The test conclusion shows that it can reduce the effect of wire resistance on the ignition delay time to parallel the wires and reduce the length of wires.Based on the experiment results,the multi-point ignition system was further numerically simulated.The 24-meter 10-square-millimeter copper wire was verified to be useful in developing the ignition synchronization and reducing the intensity of the pressure waves.This kind of wires can effectively meet the demand of the large-caliber high-speed 480 mm guns and ensure the performance of the multi-point ignition system.This study provides a theoretical and experimental basis for the related research of large caliber gun ignition system.

Davis gun;multi-point ignition;ignition test;numerical simulation

2016-05-19

蔣淑園(1988- ),女,博士研究生,研究方向為現(xiàn)代發(fā)射理論與技術(shù)。E-mail:jiangshuyuan910@126.com。

TJ55

A

1004-499X(2016)03-0059-06