振動(dòng)與沖擊一種壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的武器發(fā)射過程動(dòng)力學(xué)分析赫雷、尚興超、周克棟、蔣遠(yuǎn)清2，張作友2，孫權(quán)嶺2（1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京210094；2.中國兵器第二八研究所，北京102202）壓縮空氣作為動(dòng)力源的氣動(dòng)發(fā)射武器的工作原理；基于氣體動(dòng)力學(xué)理論和赫茲接觸理論，建立了其變質(zhì)量熱力學(xué)模型和摩擦力模型，從而建立了發(fā)射過程的動(dòng)力學(xué)模型。采用MATLAB/Simulink對(duì)模型進(jìn)行了數(shù)值仿真，得到了恒壓氣源條件下的膛內(nèi)氣體狀態(tài)參數(shù)和彈丸運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律；并在此基礎(chǔ)上分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)和動(dòng)力源參數(shù)變化對(duì)氣動(dòng)發(fā)射武器發(fā)射過程的影響。研究結(jié)果對(duì)壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的氣動(dòng)發(fā)射武器的研發(fā)和設(shè)計(jì)具有理論指導(dǎo)意義。

　　常規(guī)武器一般采用火藥作為其發(fā)射能源，但隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)形勢(shì)的不斷變化和曰趨復(fù)雜化，對(duì)武器的能源形式提出了不同要求，許多采用新能源的武器裝備得到發(fā)展，如電磁炮、聲波武器等。在輕武器領(lǐng)域，用于發(fā)射霰彈、催淚彈、致昏彈等的防暴槍大多數(shù)與傳統(tǒng)的自動(dòng)武器一樣，發(fā)射能量來自于火藥的燃燒，因此彈藥的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。相對(duì)于傳統(tǒng)的火藥氣體發(fā)射，氣動(dòng)發(fā)射武器具有彈丸結(jié)構(gòu)簡單，無需底火、發(fā)射藥和彈殼，生產(chǎn)成本低；發(fā)射能量可調(diào)，適合變速、變距發(fā)射；發(fā)射過程平穩(wěn)，對(duì)彈體的沖擊過載小；無需發(fā)射藥，發(fā)射時(shí)對(duì)環(huán)境無污染等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前，國外利用壓縮氣體作為發(fā)射能源的發(fā)射器比較著名的有比利時(shí)FN公司的FN303低殺傷發(fā)射器、美國的杰科爾發(fā)射系統(tǒng)等，并已經(jīng)應(yīng)用于反恐自衛(wèi)的實(shí)戰(zhàn)中，效果很好，但據(jù)檢索結(jié)果，對(duì)其內(nèi)彈道過程的理論研究鮮有報(bào)道。在氣動(dòng)發(fā)射領(lǐng)域，王金貴等在氣體炮研究中，建立了氣體炮的內(nèi)彈道模型；趙俊利等63在經(jīng)典內(nèi)彈道的基礎(chǔ)上研究了壓縮氣體炮實(shí)用內(nèi)彈道技術(shù)。

　　氣體炮內(nèi)彈道理論往往只考慮氣體膨脹做功過程而忽略了充氣過程的影響，在考慮能量損失時(shí)引入一個(gè)次要功系數(shù)將摩擦力考慮在內(nèi)。本文建立了氣動(dòng)發(fā)射過程充氣和氣體膨脹做功相互耦合的變質(zhì)量熱力學(xué)模型，利用赫茲接觸理論具體推導(dǎo)了發(fā)射過程摩擦阻力模型，從而建立了完整的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的武器發(fā)射過程動(dòng)力學(xué)模型。通過數(shù)值計(jì)算得出了發(fā)射過程的熱力學(xué)參數(shù)和彈丸運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律，為氣動(dòng)發(fā)射武器的理論研究和武器研制提供。

　　**作者赫雷女，副教授，1973年生赫雷等：一種壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的武器發(fā)射過程動(dòng)力學(xué)分析1結(jié)構(gòu)及工作原理某氣動(dòng)武器的結(jié)構(gòu)如所示，壓縮氣體動(dòng)力源接入發(fā)射閥，供彈具將球形橡膠彈丸供彈到位后，發(fā)射閥開啟，發(fā)射管內(nèi)壓力上升，壓力作用于彈丸，當(dāng)克服摩擦力的作用后，彈丸加速運(yùn)動(dòng)，彈丸運(yùn)動(dòng)至膜口位置時(shí)，獲得定速度并射擊出膜。

　　流中，存在著壅塞現(xiàn)象。雖然超聲速氣流出口的氣體速度很大，但氣體的*大流量取決于管道中的臨界截面。氣體的流量在超聲速和亞聲速條件下有著不同的2.1氣體動(dòng)力學(xué)理論2.1.1假設(shè)條件氣體在膜內(nèi)的流動(dòng)過程是一個(gè)復(fù)雜的開口、變邊界的過程，為了簡化模型，作出如下假設(shè)：分布；（2）由于發(fā)射過程時(shí)間很短，忽略系統(tǒng)與外界的熱交換，將此過程認(rèn)為是絕熱等熵過程；（3）忽略氣體黏性的影響，即認(rèn)為氣體與管壁之間無摩擦；（4）不考慮氣體分子間內(nèi)聚力和分子本身體積，即認(rèn)為氣體為理想氣體；流動(dòng)；（6）由于氣體射流的方向與彈丸運(yùn)動(dòng)的方向夾角為90°，不考慮氣體射流對(duì)彈丸運(yùn)動(dòng)的影響。

　　由于本論文所研究的氣動(dòng)發(fā)射武器工作壓力不高（10MPa左右），理想氣體狀態(tài)方程（克拉珀龍方程）能較好地描述氣體的狀態(tài)參數(shù)，其形式如下：氣體常數(shù)。絕熱條件下，氣體狀態(tài)參數(shù)滿足絕熱過程方程7：1.3氣體流量考慮氣體沿變截面管道的等熵流動(dòng)，在超聲速氣為判別條件，當(dāng)背壓（出口壓力P與入口壓力凡的比值）小于此值時(shí)，流動(dòng)為超音速流動(dòng)；當(dāng)背壓大于此值時(shí)，流動(dòng)為亞音速流動(dòng)。

　　2.2赫茲接觸理論球形橡膠彈丸在發(fā)射管內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)將受到摩擦力的影響，摩擦力大小取決于橡膠彈丸與管壁法向接觸力的大小。接觸力是由于橡膠彈丸外形尺寸與管壁內(nèi)徑過盈量的存在，使橡膠彈丸產(chǎn)生彈性變形引起的。因此求解摩擦力的關(guān)鍵問題在于法向接觸力的求解。赫茲理論廣泛應(yīng)用于彈性三維體之間的接觸模型，10 12利用赫茲接觸建立了滾珠絲杠中滾珠與滾道的接觸力模型，并通過數(shù)值仿真或試驗(yàn)驗(yàn)證了其合理性；13利用赫茲接觸研究了繼電器觸點(diǎn)的接觸模型，并利用沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的可行性與準(zhǔn)確性。

　　赫茲理論描述了剛性球體與彈性平面三維接觸時(shí)接觸力的產(chǎn)生，彈性平面上的變形為半徑為a的圓形凹坑，接觸區(qū)產(chǎn)生的垂直位移為載荷分布形式為其中E尸= RdE為楊氏彈性模量，為泊松比，R為球的半徑，d為*大變形量M.截平面，接觸的模型如所示，實(shí)線表示在z向作用力下發(fā)生彈性變形后的真實(shí)物體的壁面，虛線為物體本來形狀。模型在此截面內(nèi)的變形與赫茲接觸相同，載荷分布形式也相同，只不過變形發(fā)生在球體內(nèi)不是平面上。由于本模型的接觸區(qū)為環(huán)形圓柱面，對(duì)接觸區(qū)的載荷進(jìn)行積分：楊理明。新型非致命武器-OC催淚痛球彈發(fā)射器。輕兵器，002，1：16-17.王金貴。氣體炮原理及技術(shù)M.北京：國防工業(yè)出版社，王金貴。二級(jí)輕氣炮超高速彈丸發(fā)射技術(shù)的研究。高壓物理學(xué)報(bào)，1992，6（4）林俊德，張向榮，朱玉榮，等。超高速撞擊實(shí)驗(yàn)的三級(jí)壓縮氣炮技術(shù)。爆炸與沖擊，2012，趙俊利，高躍飛。氣體炮實(shí)用內(nèi)彈道技術(shù)研究。太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，34（3）童秉綱，孔祥言，鄧國華。氣體動(dòng)力學(xué)M.北京：高等教育出版社，2012.陸家鵬，譚興良，雷志義。自動(dòng)武器氣體動(dòng)力學(xué)。南京：南京理工大學(xué)出版社，1989.牛四波，王紅巖，遲寶山，等。重裝回收系統(tǒng)雙氣室氣囊緩沖特性分析。振動(dòng)與沖擊，012，姜洪奎，宋現(xiàn)春。滾珠絲杠副滾珠循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)研究和仿真。振動(dòng)與沖擊，2007，陳勇將，湯文成，王潔璐。滾珠絲杠副剛度影響因素及試驗(yàn)研究。振動(dòng)與沖擊，2013，李耕，陳錦江，龍超，等?；贏NSYS的球軸承赫茲接觸問題有限元分析。機(jī)械研究與應(yīng)用，2011，5：翟國富，陳英華，任萬濱。種含赫茲接觸的梁結(jié)構(gòu)沖擊特性分析方法。振動(dòng)與沖擊，2009，楊凱，周偉，馬莉。MATLAB基礎(chǔ)應(yīng)用及仿真實(shí)現(xiàn)。成都：西南交通大學(xué)出版社，012.