超近程防御武器系統(tǒng)是一種用于打擊距離被保護(hù)目標(biāo)20~200m范圍內(nèi)的末敏彈、子母彈等來(lái)襲彈藥武器系統(tǒng)。其采用的壓縮空氣彈射方式，避免了采用自力發(fā)射方式時(shí)彈藥推進(jìn)劑燃燒引起燃?xì)馍淞鳑_擊問(wèn)題，既不會(huì)產(chǎn)生較大的紅外特征，又提高了彈藥的初速與有效載荷，同時(shí)還滿(mǎn)足超近程防御作戰(zhàn)紅外特征小、反應(yīng)速度快的要求。

　　生，研究方向是壓縮空氣彈射。

　　壓縮空氣彈射系統(tǒng)*早應(yīng)用于魚(yú)雷的發(fā)射，二戰(zhàn)后隨著彈道導(dǎo)彈和超視距空空導(dǎo)彈的發(fā)展，逐漸應(yīng)用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈和中距空空導(dǎo)彈的發(fā)射0.目前，人們對(duì)壓縮空氣彈射系統(tǒng)的內(nèi)彈道研究已經(jīng)取得了大量的研究成果，喬汝椿提出了采用壓縮空氣發(fā)射方式的魚(yú)雷發(fā)射裝置管內(nèi)魚(yú)雷運(yùn)動(dòng)參數(shù)的估算方法3，許斌采用SIMULINK和ADAMS的聯(lián)合仿真，研究了機(jī)載導(dǎo)彈彈射式發(fā)射動(dòng)力學(xué)行為4，廖振強(qiáng)建立了高壓氮?dú)怛?qū)動(dòng)下彈射裝置的數(shù)學(xué)仿真模型，分析了導(dǎo)彈的分離參數(shù)和分離姿態(tài)5.本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以用于超近程防御系統(tǒng)的壓縮空氣發(fā)射裝置為應(yīng)用背景，在炮口初速要求120 m/s的條件下，利用AUTODYN軟件，建立壓縮空氣發(fā)射裝置內(nèi)彈道模型，根據(jù)模型的數(shù)值仿真研究壓縮空氣壓力、發(fā)射裝置部分結(jié)構(gòu)參數(shù)與彈丸彈射后初速的關(guān)系，為發(fā)射裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

　　1發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)與內(nèi)彈道模型所示，該裝置采用電磁鐵閉鎖機(jī)構(gòu)控制發(fā)射，其原理是：彈藥在閉鎖體的作用下緊貼壓縮氣瓶泄流口處的薄膜膜片，以此控制高壓氣體。在發(fā)射時(shí)，電磁鐵通電，銜鐵向左移動(dòng)，手柄和閉鎖體失去銜鐵約束，向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)閉鎖體無(wú)法繼續(xù)約束彈藥，壓縮空氣沖破膜片，進(jìn)入發(fā)射管的內(nèi)彈道部分，推動(dòng)彈藥運(yùn)動(dòng)。

　　考慮到平時(shí)維護(hù)以及重復(fù)使用的需要，將方案的使用過(guò)程設(shè)計(jì)為：發(fā)射管后部即為存儲(chǔ)壓縮空氣的空間，在平時(shí)不儲(chǔ)存壓縮空氣，進(jìn)入戰(zhàn)備狀態(tài)時(shí)，先在泄流口處貼上薄膜膜片，然后裝填彈藥，使彈藥緊貼薄膜膜片，壓下手柄使閉鎖體緊貼彈藥，電磁鐵銜鐵壓住手柄，閉鎖力開(kāi)始作用，彈藥受到約束。此時(shí)，開(kāi)始對(duì)發(fā)射管后部壓縮空氣存儲(chǔ)區(qū)域充氣，充氣完畢后，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。1.1發(fā)射裝置內(nèi)彈道模型相關(guān)參數(shù)的確定在上述裝置基礎(chǔ)上，已知彈藥質(zhì)量：4kg；炮口初速：120m/s；能量利用系數(shù)n：0.15；定容比熱容：717 kgK）；發(fā)射閥節(jié)流后的空氣溫度：266K.則發(fā)射該彈藥所需的壓縮空氣質(zhì)量按下式計(jì)算：若選定氣瓶初始?jí)毫?5MPa，壓縮空氣氣瓶溫度300IK那么壓縮空氣氣瓶容積為其中：及為空氣氣體常數(shù)，及=287kg-K）。計(jì)算得：VB0假設(shè)高壓氣瓶為圓柱罐體，罐體直徑D壓縮氣瓶尺寸數(shù)量級(jí)和大概尺寸范圍由此確定，該數(shù)據(jù)可作為AUTODYN中進(jìn)行彈道估算的初始數(shù)據(jù)H. 1.2分析內(nèi)彈道性能影響的模型為了驗(yàn)證高壓空氣壓力對(duì)內(nèi)彈道性能的影響，在A(yíng)UTODYN軟件中建立模型1以驗(yàn)證不同壓力的高壓空氣對(duì)炮口初速等內(nèi)彈道性能的影響7.為了驗(yàn)證高壓氣瓶泄流面積對(duì)內(nèi)彈道性能影響，在A(yíng)UTODYN軟件中建立模型2以驗(yàn)證不同泄流面積下的高壓空氣對(duì)炮口初速等內(nèi)彈道性能的影響。

　　模型1的特點(diǎn)是考慮因素較多，除了要考慮在模型中填充空氣的壓縮，實(shí)際情況下高壓空氣由發(fā)射氣瓶通過(guò)口徑較小的通道流入發(fā)射管內(nèi)彈道部分時(shí)的壓縮，還要考慮發(fā)射管與彈藥之間的摩擦。而模型2則主要考慮泄漏，相較簡(jiǎn)單。

　　不同的是在模型1的高壓空氣區(qū)域中在泄流直徑為20mm基礎(chǔ)上，分別填充進(jìn)34 MPa的高壓空氣。而模型2在高壓空氣為35MPa基礎(chǔ)上，泄流直徑分別為20在彈管間隙問(wèn)題上，由于壓縮空氣發(fā)射裝置和火炮、火箭炮等發(fā)射系統(tǒng)不同，在野戰(zhàn)條件下不存在由火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室高溫引起的彈體徑向彈性變形、炮管與彈藥之間存在溫度差、連續(xù)射擊過(guò)程中產(chǎn)生積碳等問(wèn)題，因此能明顯影響壓縮空氣發(fā)射裝置彈管間隙的因素是彈藥幾何形狀誤差。彈藥幾何形狀誤差，主要受制于構(gòu)成彈藥的各個(gè)部件的連接螺紋同心度以及彈藥各個(gè)構(gòu)件的軸線(xiàn)彎曲8.并且在彈藥的各個(gè)構(gòu)件中，戰(zhàn)斗部往往壁厚較大，剛度較大，不易產(chǎn)生幾何彎曲，而超近程防御武器系統(tǒng)采用壓縮空氣發(fā)射方式，彈藥上沒(méi)有火箭發(fā)動(dòng)機(jī)或者其他薄壁結(jié)構(gòu)，所以用于超近程防御武器系統(tǒng)的彈藥往往剛度較大，其彈管間隙的設(shè)定可明顯小于火箭炮等類(lèi)武器的彈管間隙。通過(guò)比較相關(guān)武器的彈管間隙，將模型彈管間隙設(shè)定為。1mm. 1.3流固費(fèi)合模型的建立由于涉及到流體與固體的相互作用，因此涉及到流固耦合，可以在A(yíng)UTODYN軟件中實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程。模型的建立過(guò)程：建立六個(gè)部件模型，分別是發(fā)射管模型、彈藥模型、發(fā)射管上邊界模型、發(fā)射管下邊界模型、泄流通道上邊界模型、泄流通道下邊界模型。建立的模型如所示。

　　發(fā)射管模型由Euler單元建立，填充進(jìn)空氣，在高壓空氣氣瓶區(qū)域填充進(jìn)高壓空氣，在炮口設(shè)置出流邊界。彈藥模型由Lagrange單元建立，填充進(jìn)與彈藥密度相同的材料。發(fā)射管上、下邊界模型由Lagrange單元建立，放置在發(fā)射管上邊界，在仿真過(guò)程中用于約束彈藥由于彈管間隙在+Y方向的運(yùn)動(dòng)。

　　泄流通道上邊界模型和泄流通道下邊界模型均由Lagrange單元建立，放置在模擬的泄流通道的兩邊，在仿真過(guò)程中用于約束空氣流動(dòng)，模擬出泄流通道的效果。

　　耦合和Euler-Lagrange耦合兩種。在仿真模型中，Lagrange -Lagrange耦合主要用于彈藥和發(fā)射管邊界的接觸和摩擦分析，Euler-Lagrange耦合主要用于高壓空氣推動(dòng)彈藥運(yùn)動(dòng)的流固耦合分析9. -Lagrange耦合的設(shè)定中，設(shè)置彈藥模型與上下發(fā)射管模型的摩擦系數(shù)為/=0.15，以模擬彈藥在發(fā)射管中所受的來(lái)自發(fā)射管壁面的摩擦力。

　　Lagrange-Lagrange耦合要求兩個(gè)零件間的*小距離不得小于*小網(wǎng)格尺寸的1/10，在本模型中，彈管間隙為0.1mm，單邊距離為0.05mm，所以剖分網(wǎng)格時(shí)須將*小網(wǎng)格尺寸設(shè)定為小于0.5mm. -Lagrange耦合類(lèi)型的設(shè)定中，Euler-Lagrange耦合設(shè)定為全自動(dòng)耦合。

　　2數(shù)值仿真結(jié)果及分析2.1模型1的仿真結(jié)果針對(duì)不同壓力的高壓空氣對(duì)炮口初速等內(nèi)彈道性能的影響，得到模型1的速度一時(shí)間以及速度-位移曲線(xiàn)如所示。

　　35MPa壓力的壓縮空氣加速過(guò)程不平穩(wěn)，炮口初速無(wú)法滿(mǎn)足120m/s炮口初速的要求，36MPa壓力的壓縮空氣加速過(guò)程平穩(wěn)，可使彈藥炮口初速達(dá)到116m/s.2.2模型2的仿真結(jié)果針對(duì)不同高壓氣瓶泄流面積對(duì)內(nèi)彈道性能影響，得到模型2的速度一時(shí)間以及速度一位移曲線(xiàn)如所示。

　　程不穩(wěn)定，炮口初速無(wú)法滿(mǎn)足120m/S的要求，當(dāng)泄流直徑由20mm增加到24mm時(shí)，加速過(guò)程變得明顯平穩(wěn)，炮口初速由不足100m/s增加到119m/s，當(dāng)泄流直徑由24mm增加到28mm時(shí)，炮口初速由119m/s增加到121m/s. 2.3仿真結(jié)果中提取的速度一位移關(guān)系在分析上述結(jié)果基礎(chǔ)上為了得到合適的炮管長(zhǎng)度，選取合適模型的位移一速度曲線(xiàn)如所示。

　　在泄流直徑28mm、壓縮空氣壓力35MPa的情況下，彈藥在800mm位移處即能達(dá)到120m/s的速度。

　　3試驗(yàn)對(duì)比根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，由?5MPa氣體較難獲得，本次試驗(yàn)采取20MPa試驗(yàn)氣體作為對(duì)比，僅作軟件仿真與試驗(yàn)對(duì)比。

　　通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，得到時(shí)間一加速度數(shù)據(jù)圖，然后在軟件內(nèi)做出相同模型仿真，為試驗(yàn)數(shù)據(jù)與軟件模擬在相同尺寸數(shù)據(jù)上的結(jié)果對(duì)比。

　　通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)軟件仿真數(shù)據(jù)偏大，與試驗(yàn)有定誤差，但在整體趨勢(shì)上保持一致，并且誤差在可接受范圍之內(nèi)，因此軟件有一定可信度，并且在初步設(shè)計(jì)階段可以接受。

　　4結(jié)論本文通過(guò)在A(yíng)UTODYN軟件中建立壓縮空氣發(fā)射裝置的內(nèi)彈道模型，獲得了壓縮空氣壓力、發(fā)射管泄流直徑、彈藥位移、炮口初速之間的關(guān)系，得到了如下結(jié)論：在泄流直徑20mm的條件下，34MPa，35MPa壓力的壓縮空氣加速過(guò)程不平穩(wěn)，增加壓縮空氣的泄流直徑可以解決彈藥加速過(guò)程不平穩(wěn)的問(wèn)題；壓縮空氣壓力35MPa，當(dāng)泄流直徑由20mm增加到24mm時(shí)，加速過(guò)程變得明顯平穩(wěn)，炮口初速由不足100m/s增加到119m/s，在泄流直徑20mm變化到24mm時(shí)，炮口初速急劇提高。

　　當(dāng)泄流直徑由24mm增加到28mm時(shí)，炮口初速由119m/s增加到121m/s，提升并不高；在泄流直徑28mm、壓縮空氣壓力35MPa的情況下，彈藥在400mm位移處即能達(dá)到100m/s的速度，發(fā)射裝置的壓縮空氣泄流直徑可設(shè)定為壓縮空氣壓力可選取為35MPa，發(fā)射管長(zhǎng)度可設(shè)定為800mm.