一種壓縮空氣驅(qū)動的武器發(fā)射過程動力學(xué)分析

　　振動與沖擊一種壓縮空氣驅(qū)動的武器發(fā)射過程動力學(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）壓縮空氣作為動力源的氣動發(fā)射武器的工作(gōng zuò)原理；基于氣體動力學(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(friction)力模型，從而建立了發(fā)射過程的動力學(xué)模型。昆山空壓機(jī)是一種用以壓縮氣體的設(shè)備?？諝鈮嚎s機(jī)與水泵構(gòu)造類似。大多數(shù)空氣壓縮機(jī)是往復(fù)活塞式，旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿。離心式壓縮機(jī)是非常大的應(yīng)用程序。采用MATLAB/Simulink對模型進(jìn)行了數(shù)值仿真（simulation)，得到了恒壓氣(Pressure)源條件(tiáo jiàn)下的膛內(nèi)氣體狀態(tài)參數(shù)和彈丸運(yùn)動(movement)參數(shù)的變化規(guī)律（rhythmical)；并在此基礎(chǔ)上分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)和動力源參數(shù)變化對氣動發(fā)射武器發(fā)射過程的影響。研究結(jié)果對壓縮空氣驅(qū)動的氣動發(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(arms)一般采用火藥作為其發(fā)射能源，但隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭形勢的不斷變化和曰趨復(fù)雜化，對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。相對于傳統(tǒng)的火藥氣體(gas)發(fā)射，氣動發(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)，對彈體的沖擊過載?。粺o需發(fā)射藥，發(fā)射時(shí)對環(huán)境無感染等諸多優(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，對其內(nèi)彈道過程的理論研究鮮有報(bào)道。在氣動發(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)(technology)。
　　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（loss)時(shí)引入一個(gè)次要功系數(shù)將摩擦力考慮在內(nèi)本文建立了氣動發(fā)射過程充氣和氣體膨脹做功相互耦合的變質(zhì)量(quality)熱力學(xué)模型(model)，利用赫茲（Hz）接觸理論具體推導(dǎo)了發(fā)射過程摩擦阻力(resistance)模型，從而建立了完整的壓縮空氣驅(qū)動的武器(arms)發(fā)射過程動力學(xué)模型。昆山空壓機(jī)是回轉(zhuǎn)容積式壓縮機(jī)，在其中兩個(gè)帶有螺旋型齒輪的轉(zhuǎn)子相互嚙合，使兩個(gè)轉(zhuǎn)子嚙合處體積由大變小，從而將氣體壓縮并排出。昆山空壓機(jī)維修軸承跑外圈一般是因?yàn)榕浜系木炔粔蛞约巴馊Χㄎ环绞皆O(shè)計(jì)不合理造成的。并非所有機(jī)頭都按這個(gè)時(shí)間進(jìn)行，如果保養(yǎng)好的可以延后，保養(yǎng)差的則需要提前。 通過數(shù)值計(jì)算得出了發(fā)射過程的熱力學(xué)參數(shù)(parameter)和彈丸運(yùn)動(movement)參數(shù)的變化規(guī)律（rhythmical)，為氣動發(fā)射武器的理論研究和武器研制提供。
　　第一作者赫雷女，副教授，1973年生赫雷等：一種壓縮空氣驅(qū)動的武器發(fā)射過程動力技術(shù)分析(Analyse)1結(jié)構(gòu)及工作(gōng zuò)原理某氣動武器的結(jié)構(gòu)如所示，壓縮氣體動力源接入發(fā)射閥，供彈具將球形橡膠(Rubber)彈丸供彈到位后，發(fā)射閥開啟，發(fā)射管內(nèi)壓力(pressure)上升，壓力作用于彈丸，當(dāng)克服(get over)摩擦力的作用后，彈丸加速運(yùn)動，彈丸運(yùn)動至膜口位置（position )時(shí)，獲得定速度(speed)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，但氣體的最大流量取決于管道(Conduit)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氣體動力技術(shù)理論2.1.1假設(shè)條件氣體在膜內(nèi)的流動過程是一個(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)(system)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(influence)，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；（6）由于氣體射流的方向(direction)與彈丸運(yùn)動(movement)的方向夾角為90°，不考慮氣體射流對彈丸運(yùn)動的影響。
　　由于本論文所研究的氣動發(fā)射武器工作(gōng zuò)壓力不高（10MPa左右），理想氣體(gas)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(guò chéng)方程7：1.3氣體流量考慮氣體沿變截面管道(Conduit)的等熵流動，在超聲速氣為判別條件，當(dāng)背壓（出口壓力P與入口(rù kǒu)壓力凡的比值）小于此值時(shí)，流動為超音速流動；當(dāng)背壓大于此值時(shí)，流動為亞音速流動。
　　2.2赫茲接觸理論球形橡膠(Rubber)彈丸在發(fā)射管內(nèi)運(yùn)動時(shí)將受到摩擦力的影響(influence)，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（解釋:比喻事物的重要組成部分)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(Electric appliances)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（Hz）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為最大變形量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。昆山空壓機(jī)維修是更換全部磨損的零件，空壓機(jī)轉(zhuǎn)1000個(gè)小時(shí)或一年后，要更換濾芯，在多灰塵地區(qū)，則更換時(shí)間間隔要縮短。濾清器維修時(shí)必須停機(jī)，檢查壓縮機(jī)所有部件，排除壓縮機(jī)所有故障。昆山空壓機(jī)是回轉(zhuǎn)容積式壓縮機(jī)，在其中兩個(gè)帶有螺旋型齒輪的轉(zhuǎn)子相互嚙合，使兩個(gè)轉(zhuǎn)子嚙合處體積由大變小，從而將氣體壓縮并排出。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(gas)炮原理及技術(shù)M.北京：國防工業(yè)出版社，王金貴。二級輕氣炮超高速(gāo sù)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。氣體動力技術(shù)M.北京：高等教育出版社，2012.陸家鵬，譚興良，雷志義。自動武器氣體動力學(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。振動與沖擊，012，姜洪奎，宋現(xiàn)春。滾珠絲杠副滾珠循環(huán)（continue)系統(tǒng)的動力學(xué)研究和仿真。振動與沖擊，2007，陳勇將，湯文成，王潔璐。滾珠絲杠副剛度影響(influence)因素及試驗(yàn)(test)研究。振動與沖擊，2013，李耕，陳錦江，龍超，等。基于ANSYS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.