一种压缩空气驱动的武器发射过程动力学分析

　　振动与冲击一种压缩空气驱动的武器发射过程动力学分析赫雷、尚兴超、周克栋、蒋远清2，张作友2，孙权岭2（1.南京理工大学机械工程学院，南京210094；2.中国兵器第二八研究所，北京102202）压缩空气作为动力源的气动发射武器的工作原理；基于气体动力学理论和赫兹接触理论，建立了其变质量热力学模型和摩擦力模型，从而建立了发射过程的动力学模型。采用MATLAB/Simulink对模型进行了数值仿真，得到了恒压气源条件下的膛内气体状态参数和弹丸运动参数的变化规律；并在此基础上分析了结构参数和动力源参数变化对气动发射武器发射过程的影响。研究结果对压缩空气驱动的气动发射武器的研发和设计具有理论指导意义。

　　常规武器一般采用火药作为其发射能源，但随着现代战争形势的不断变化和曰趋复杂化，对武器的能源形式提出了不同要求，许多采用新能源的武器装备得到发展，如电磁炮、声波武器等。在轻武器领域，用于发射霰弹、催泪弹、致昏弹等的防暴枪大多数与传统的自动武器一样，发射能量来自于火药的燃烧，因此弹药的结构比较复杂。相对于传统的火药气体发射，气动发射武器具有弹丸结构简单，无需底火、发射药和弹壳，生产成本低；发射能量可调，适合变速、变距发射；发射过程平稳，对弹体的冲击过载小；无需发射药，发射时对环境无污染等诸多优点。目前，国外利用压缩气体作为发射能源的发射器比较著名的有比利时FN公司的FN303低杀伤发射器、美国的杰科尔发射系统等，并已经应用于反恐自卫的实战中，效果很好，但据检索结果，对其内弹道过程的理论研究鲜有报道。在气动发射领域，王金贵等在气体炮研究中，建立了气体炮的内弹道模型；赵俊利等63在经典内弹道的基础上研究了压缩气体炮实用内弹道技术。

　　气体炮内弹道理论往往只考虑气体膨胀做功过程而忽略了充气过程的影响，在考虑能量损失时引入一个次要功系数将摩擦力考虑在内。本文建立了气动发射过程充气和气体膨胀做功相互耦合的变质量热力学模型，利用赫兹接触理论具体推导了发射过程摩擦阻力模型，从而建立了完整的压缩空气驱动的武器发射过程动力学模型。通过数值计算得出了发射过程的热力学参数和弹丸运动参数的变化规律，为气动发射武器的理论研究和武器研制提供。

　　**作者赫雷女，副教授，1973年生赫雷等：一种压缩空气驱动的武器发射过程动力学分析1结构及工作原理某气动武器的结构如所示，压缩气体动力源接入发射阀，供弹具将球形橡胶弹丸供弹到位后，发射阀开启，发射管内压力上升，压力作用于弹丸，当克服摩擦力的作用后，弹丸加速运动，弹丸运动至膜口位置时，获得定速度并射击出膜。

　　流中，存在着壅塞现象。虽然超声速气流出口的气体速度很大，但气体的*大流量取决于管道中的临界截面。气体的流量在超声速和亚声速条件下有着不同的2.1气体动力学理论2.1.1假设条件气体在膜内的流动过程是一个复杂的开口、变边界的过程，为了简化模型，作出如下假设：分布；（2）由于发射过程时间很短，忽略系统与外界的热交换，将此过程认为是绝热等熵过程；（3）忽略气体黏性的影响，即认为气体与管壁之间无摩擦；（4）不考虑气体分子间内聚力和分子本身体积，即认为气体为理想气体；流动；（6）由于气体射流的方向与弹丸运动的方向夹角为90°，不考虑气体射流对弹丸运动的影响。

　　由于本论文所研究的气动发射武器工作压力不高（10MPa左右），理想气体状态方程（克拉珀龙方程）能较好地描述气体的状态参数，其形式如下：气体常数。绝热条件下，气体状态参数满足绝热过程方程7：1.3气体流量考虑气体沿变截面管道的等熵流动，在超声速气为判别条件，当背压（出口压力P与入口压力凡的比值）小于此值时，流动为超音速流动；当背压大于此值时，流动为亚音速流动。

　　2.2赫兹接触理论球形橡胶弹丸在发射管内运动时将受到摩擦力的影响，摩擦力大小取决于橡胶弹丸与管壁法向接触力的大小。接触力是由于橡胶弹丸外形尺寸与管壁内径过盈量的存在，使橡胶弹丸产生弹性变形引起的。因此求解摩擦力的关键问题在于法向接触力的求解。赫兹理论广泛应用于弹性三维体之间的接触模型，10 12利用赫兹接触建立了滚珠丝杠中滚珠与滚道的接触力模型，并通过数值仿真或试验验证了其合理性；13利用赫兹接触研究了继电器触点的接触模型，并利用冲击试验验证了模型的可行性与准确性。

　　赫兹理论描述了刚性球体与弹性平面三维接触时接触力的产生，弹性平面上的变形为半径为a的圆形凹坑，接触区产生的垂直位移为载荷分布形式为其中E尸= RdE为杨氏弹性模量，为泊松比，R为球的半径，d为*大变形量M.截平面，接触的模型如所示，实线表示在z向作用力下发生弹性变形后的真实物体的壁面，虚线为物体本来形状。模型在此截面内的变形与赫兹接触相同，载荷分布形式也相同，只不过变形发生在球体内不是平面上。由于本模型的接触区为环形圆柱面，对接触区的载荷进行积分：杨理明。新型非致命武器-OC催泪痛球弹发射器。轻兵器，002，1：16-17.王金贵。气体炮原理及技术M.北京：国防工业出版社，王金贵。二级轻气炮超高速弹丸发射技术的研究。高压物理学报，1992，6（4）林俊德，张向荣，朱玉荣，等。超高速撞击实验的三级压缩气炮技术。爆炸与冲击，2012，赵俊利，高跃飞。气体炮实用内弹道技术研究。太原理工大学学报，2003，34（3）童秉纲，孔祥言，邓国华。气体动力学M.北京：高等教育出版社，2012.陆家鹏，谭兴良，雷志义。自动武器气体动力学。南京：南京理工大学出版社，1989.牛四波，王红岩，迟宝山，等。重装回收系统双气室气囊缓冲特性分析。振动与冲击，012，姜洪奎，宋现春。滚珠丝杠副滚珠循环系统的动力学研究和仿真。振动与冲击，2007，陈勇将，汤文成，王洁璐。滚珠丝杠副刚度影响因素及试验研究。振动与冲击，2013，李耕，陈锦江，龙超，等。基于ANSYS的球轴承赫兹接触问题有限元分析。机械研究与应用，2011，5：翟国富，陈英华，任万滨。种含赫兹接触的梁结构冲击特性分析方法。振动与冲击，2009，杨凯，周伟，马莉。MATLAB基础应用及仿真实现。成都：西南交通大学出版社，012.