膨胀波火炮发射原理及其在常规结构枪炮中的应用

论文摘要

膨胀波火炮是由美国陆军TACOM-ARDEC,Benét实验室于1999年发明的新概念武器。本文利用各种内弹道学理论,对膨胀波火炮的内弹道过程和发射性能进行了深入地研究和探索,得到了一系列研究成果。然后在此基础上进行再创新,提出了喷气反推式低后坐枪炮和喷孔前置式膨胀波枪炮武器的概念,并研究了这两种武器的发射原理及性能。1.提出了膨胀波火炮发射过程四阶段物理模型。分别运用一维均相流理论、一维两相流理论和二维轴对称两相流理论对膨胀波火炮发射过程建立了动力学模型,并进行了数值模拟计算,得出了其各项发射性能参数等。同时也计算了闭膛火炮和无坐力炮的发射过程,比较了这三种武器性能的异同。提出了一种利用调节弹膛打开时间来控制膨胀波火炮射速的技术构思。2.归纳了喷气反推式低后坐枪炮这一武器类型的概念。分别运用一维均相流理论和一维两相流理论建立了其发射过程动力学模型,提出了两种模型下武器膛内双流场耦合计算的处理方法以及定解条件等,并进行了数值模拟计算,得出了其发射性能关键参数等。讨论了若干结构参数对喷气反推式低后坐枪炮发射性能的影响规律。3.在膨胀波火炮和喷气反推式低后坐枪炮的基础上,提出了喷孔前置式膨胀波枪炮的概念,设计了其具体结构,并申请了国防发明专利（专利申请号:200710082431.7）。提出了其发射过程六阶段物理模型。分别运用一维均相流理论和一维两相流理论建立了其发射过程动力学模型,并进行了数值模拟计算,将计算结果与喷气反推式低后坐枪炮的对应情况作了对比。4.根据本文研究目的和现有条件,对喷气反推式低后坐枪炮和喷孔前置式膨胀波枪炮的发射原理进行了实验研究。自行设计、加工了采用这两种原理的实验枪,进行了弹丸初速、膛压、后坐力和后坐速度的测试,获得了大量数据。经过与数值计算结果的对比,验证了本文所建立的数学模型的正确性。本文的研究成果可以用于指导膨胀波火炮以及喷气反推式低后坐枪炮和喷孔前置式膨胀波枪炮武器系统的设计和应用,也为下一步对三种武器的发射原理开展更为深入的理论研究奠定了坚实的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 枪炮设计中的主要矛盾及其传统解决方法
• 1.2 国内外各种无后坐/低后坐武器概述
• 1.3 膨胀波火炮武器系统的工作原理
• 1.3.1 膨胀波火炮的结构特点及发射过程
• 1.3.2 膨胀波火炮的性能优势和工程开发中待解决的问题
• 1.4 膨胀波火炮武器技术的国内外发展现状
• 1.4.1 国外工程发展现状
• 1.4.2 国外理论研究现状
• 1.4.3 国内研究现状
• 1.5 本文研究工作的主要内容
• 2 膨胀波火炮均相流内弹道模型数值模拟
• 2.1 引言
• 2.2 膨胀波火炮发射过程均相流内弹道模型的建立
• 2.2.1 物理模型
• 2.2.2 数学模型
• 2.3 膨胀波火炮发射过程均相流模型的数值计算方法
• 2.3.1 计算格式
• 2.3.2 稳定性条件
• 2.3.3 初始条件
• 2.3.4 边界条件
• 2.3.5 发射过程中炮身受力情况
• 2.3.6 数值计算中一些问题的技术处理
• 2.4 发射过程数值计算结果及分析
• 2.4.1 数值仿真计算实例
• 2.4.2 关键参数——弹膛打开时间的确定
• 2.4.3 膛内膨胀波传播情况
• 2.4.4 发射过程分析
• 2.4.5 减后坐作用及效率
• 2.5 膨胀波火炮与无坐力炮内弹道过程的对比
• 2.6 本章研究结果与国外研究成果的对比
• 2.7 本章小结
• 2.7.1 本章主要工作
• 2.7.2 本章主要结论
• 3 膨胀波火炮两相流内弹道模型数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 膨胀波火炮发射过程一维两相流内弹道模型
• 3.2.1 物理模型
• 3.2.2 数学模型
• 3.3 膨胀波火炮发射过程一维两相流模型的数值计算方法
• 3.3.1 计算格式
• 3.3.2 稳定性条件
• 3.3.3 初始条件
• 3.3.4 边界条件
• 3.3.5 发射过程中炮身受力情况
• 3.3.6 人工粘性项
• 3.4 一维两相流模型数值计算结果及分析
• 3.4.1 弹丸速度和膛压变化情况
• 3.4.2 内弹道特征量沿膛轴分布情况
• 3.5 膨胀波火炮发射性能的影响因素
• 3.5.1 弹膛打开时间
• 3.5.2 调节膨胀波火炮初速与射速的新方案
• 3.5.3 装填条件
• 3.5.4 尾喷管结构参数
• 3.6 膨胀波火炮发射过程二维轴对称两相流内弹道数学模型
• 3.6.1 基本假设
• 3.6.2 基本方程
• 3.6.3 辅助方程
• 3.7 膨胀波火炮发射过程二维两相流模型数值计算方法
• 3.7.1 坐标变换
• 3.7.2 差分格式
• 3.7.3 稳定性条件
• 3.7.4 人工粘性项
• 3.7.5 Shumann滤波
• 3.7.6 定解条件
• 3.8 二维两相流模型数值计算结果及分析
• 3.8.1 膛内流场状态参量中4个标量的分布情况变化过程
• 3.8.2 气相速度和固相速度的分布情况变化过程
• 3.9 本章小节
• 3.9.1 本章主要工作
• 3.9.2 本章主要结论
• 4 喷气反推式低后坐枪炮内弹道机理研究
• 4.1 引言
• 4.2 喷气反推式低后坐枪炮发射过程一维均相流内弹道模型
• 4.2.1 喷气反推式低后坐枪炮概念的提出
• 4.2.2 发射过程数学模型
• 4.3 一维均相流模型的计算方法
• 4.3.1 计算格式
• 4.3.2 稳定性条件
• 4.3.3 初始条件
• 4.3.4 边界条件
• 4.4 喷气反推式低后坐枪炮发射过程一维两相流内弹道模型
• 4.4.1 基本假设
• 4.4.2 基本方程
• 4.5 一维两相流模型的计算方法
• 4.5.1 计算格式
• 4.5.2 定解条件及枪/炮身受力情况
• 4.6 均相流模型数值计算结果及分析
• 4.6.1 数值仿真计算实例
• 4.6.2 膛压与初速变化情况
• 4.6.3 发射过程中火药气体外喷情况
• 4.7 两相流模型数值计算结果及分析
• 4.7.1 膛压与初速变化情况
• 4.7.2 流场状态参量分布情况
• 4.7.3 减后坐效能分析
• 4.7.4 喷气反推式低后坐枪炮发射性能的影响因素
• 4.8 枪炮初速与后坐冲量相关问题的考察
• 4.8.1 喷气反推式低后坐枪炮保持初速不减的技术措施
• 4.8.2 开发喷气反推式低后坐枪炮类型武器的意义
• 4.9 本章小结
• 4.9.1 本章主要工作
• 4.9.2 本章主要结论
• 5 喷孔前置式膨胀波枪炮内弹道机理研究
• 5.1 引言
• 5.2 喷孔前置式膨胀波枪炮概念的提出
• 5.3 喷孔前置式膨胀波枪炮发射过程一维均相流内弹道模型
• 5.3.1 物理模型
• 5.3.2 数学模型
• 5.3.3 数值计算方法
• 5.3.4 发射过程中枪/炮身受力情况
• 5.4 喷孔前置式膨胀波枪炮发射过程一维两相流内弹道模型
• 5.4.1 数学模型
• 5.4.2 数值计算方法
• 5.5 均相流模型数值计算结果及分析
• 5.5.1 数值仿真计算实例
• 5.5.2 关键参数——导气管完全打开时刻的确定
• 5.5.3 膛内膨胀波传播情况
• 5.5.4 内弹道特征量变化情况
• 5.5.5 发射过程中火药气体外喷情况
• 5.6 两相流模型数值计算结果及分析
• 5.6.1 膛压与初速变化情况
• 5.6.2 流场状态参量分布情况
• 5.6.3 减后坐效能分析
• 5.6.4 喷孔前置式膨胀波枪炮发射性能的影响因素
• 5.7 本章小节
• 5.7.1 本章主要工作
• 5.7.2 本章主要结论
• 6 喷气反推式低后坐发射原理和喷孔前置式膨胀波发射原理实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验总体安排
• 6.2.1 测试对象
• 6.2.2 测试系统的组成
• 6.3 实验枪的设计
• 6.3.1 原型枪的改装
• 6.3.2 实验目的有关问题的讨论
• 6.3.3 喷气反推式低后坐实验枪设计
• 6.3.4 喷孔前置式膨胀波实验枪设计
• 6.4 实验原理和方法
• 6.4.1 高速摄像原理与方法
• 6.4.2 图像检测原理与方法
• 6.4.3 弹丸初速测量的原理和方法
• 6.4.4 膛压测量的原理和方法
• 6.4.5 后坐力测量的原理和方法
• 6.5 实验结果
• 6.5.1 未装导气装置的实验枪测量结果
• 6.5.2 喷气反推式低后坐实验枪测量结果
• 6.5.3 喷孔前置式膨胀波实验枪测量结果
• 6.6 实验结果分析
• 6.6.1 未装导气装置的实验枪测量结果分析
• 6.6.2 喷气反推式低后坐实验枪测量结果分析
• 6.6.3 喷孔前置式膨胀波实验枪测量结果分析
• 6.7 本章小结
• 6.7.1 本章主要工作
• 6.7.2 本章主要结论
• 7 结束语
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 不同发射原理的枪炮武器间的性能比较
• 7.3 本文创新点
• 7.4 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1:主要符号说明
• 附录2:攻博期间发表论文及申请专利清单