0 引言
文中以某型低后坐力武器为研究对象,针对喷管对后坐力的作用效力,重点研究低后坐力武器射击状态下的喷管流场特性和推力特性,分析了低后坐力武器喷管的作用过程,并根据特性仿真结果探究了喷管结构参数对推力特性的影响,研究结果可以为低后坐力武器的设计工作提供依据。
1 基本原理
2 推力特性分析
2.1 模型建立
文中以某型82 mm无后坐力炮尾喷管为研究对象,已知其药室部半径 =46 mm,尾喷管喉部半径 =34 mm,尾喷管出口部半径 =70 mm,收敛部长度 =33 mm,喉部长度 =10 mm,扩张部长度 =210 mm。
建立喷管模型计算区域如图2所示,其中,区域1为无后坐力炮尾喷管的计算域,区域2为羽流的计算域,AB为气流入口,定义为压力入口边界,AC和BD为简化的喷管无厚度壁面,定义为无滑绝热壁面,EFG和HMN为外流场入口,定义为压力远场边界,EC、HD和GN为羽流流场出口,定义为压力出口边界。
2.2 喷管作用过程
低后坐力武器发射时,随着火药的燃烧,膛内压力增大,火药燃气推动弹丸向前运动,部分火药燃气向后运动,产生后喷动量。如表1所示,在火药燃气作用初期,燃气推动膛内空气向后运动。首先作用在收敛部内壁面,然后经喉部压缩后喷出,迅速碰撞作用在扩张部内壁面;其后,随着火药继续燃烧,膛内压力的不断升高,高温高压燃气喷出喉部,在喷管尾部形成超音速燃气泡,带动并吸附扩张部内壁面附近空气,在扩张部内壁面形成低压区;当膛内压力开始下降时,由于作用压力下降,喷出喉部的火药燃气开始膨胀,向周围扩散,逐渐作用在喷管扩张部内壁面上,形成向外的作用力;随着膛内压力的继续下降,作用在喷管扩张部内壁面的火药燃气压强开始下降,并逐渐下降到等大气压。
表1 喷管燃气射流典型时刻状态变量 |
| 时间/ms | 压强/Pa | 速度/(m/s) | 密度/(kg/m3) |
|---|---|---|---|
| 0.2 |  |  |  |
| 0.3 |  |  |  |
| 0.4 |  |  |  |
| 1.0 |  |  |  |
| 2.0 |  |  |  |
| 4.0 |  |  |  |
2.3 数值模拟与分析
静推力作用在喷管扩张部内壁面形成向前的推力,在低后坐力武器中用于抵消部分型面阻力,保持射击稳定性。喷管静推力变化规律如图4所示。
在火药燃气开始作用瞬间,喷管静推力也出现推力峰值,但与收缩部型面阻力峰值现象相比,喷管推力峰值出现的时间相对靠后,这是因为两个力作用位置先后的影响,型面阻力作用的收缩部相对靠前,同时喷管推力峰值大于型面阻力峰值,这是由于气流经过喷管喉部流速增大,迅速膨胀后压力增加,作用在扩张部内壁,直至高温高压的火药燃气喷出喉部,推力峰值回落;此时,高压燃气冲出喷管,在喷管尾部产生一个超音速燃气泡,使得喷管尾部出现类似的“抽真空”现象,形成喷管负推力,直至膛内燃气压力下降,喷出喷管喉部的燃气进入欠膨胀状态,作用在扩张部内壁面的压强逐渐升高,随着膛内压力的继续下降,作用在扩张部内壁面的压强开始下降,因此喷管静推力在火药燃气作用的中后期呈现出先增大后减小的变化规律。
在喷管处产生的不平衡力如图5所示,该力整体上呈现出先振荡后趋于平缓的趋势。在射击初期中,由于受到喷管结构和膛内空气的影响,不平衡力产生振荡且峰值出现,其后随着膛压的变化而逐渐变化并趋于平稳。
3 参数分析
4 结论
通过对低后坐力武器喷管流场特性和推力特性进行研究,得出以下结论:
1)低后坐力武器喷管在火药燃气开始作用瞬间推力急剧增大;在燃气作用初期由于膛内压力较大,火药燃气在喷管尾部形成低压区产生负推力;在燃气作用中后期,喷管推力呈现出先增大后减小且幅值较小的变化。
2)收敛半角对低后坐力武器喷管不平衡力影响较小;喉部直径越小,不平衡力越大,振荡现象越强;面积比越小,喷管推力峰值越大,负推力现象越明显。