火炮身管受热对内弹道特性影响的计算分析(2)
1．2 国内外研究概况及发展趋势 1.2.1 身管温度场研究现状及发展趋势 火炮射击过程中，身管内膛的火药燃气是以导热、对流换热和辐射这三种基本换热方式对内壁进行传热的，瞬时的气体温度能达到3000℃以上，但作用时间及其短暂，辐射热量不到对流热量的百分之一，所以在一般不考虑辐射换热，作为补偿假设下忽视的辐射换热，将对流换热系数扩大。非稳态传热按其过程特点又可分为周期传热和非周期传热两种。身管的温度场会随时间发生变化，属于非稳态传热。火炮连续发射时属于周期传热，在这个过程中身管壁内所受的热载荷就是周期性变化的，身管内部的温度以一定的规律随时间周期性变化。火炮单发射击作为单一过程，不属于周期性传热，其身管内部的温度随时间不断升高，并在经历相当长一段时间后逐渐趋于周围介质的温度而最终达到平衡。 在非周期性的身管传热过程中，热量在身管内壁传递过程是是两维(轴向和径向)的不稳定的导热过程，其温度随时间和位置变化的函数关系非常复杂。但经过大量的实验研究表明，除了在弹丸位置的个别间断点外，火药气体对身管内壁的热流密度始终是身管长度方向的弱函数:其温度梯度沿半径方向一般为沿轴向方向的一千倍，身管温度沿其半径方向急剧减小，故可以忽略热量的轴向流动，又因为身管具有角度和轴向的对称性，故进一步假设其温度场分布也具有轴向及角度的对称性。因此，身管的热传导就可以简化为一维传热问题:火药气体热量沿着身管径向方向由内壁传递到外表面，对于身管外壁由于与环境间的温差会出现自然对流换热网。 陈桂东【11】等认为火炮身管随着射击发数的增加，在药室壁内的热量积累，不同位置上的各节点温度都呈现逐渐升高的趋势，但是，温度的变化随着位置的不同而呈现不同的特征。身管温度场在连续射击过程中的变化特征：源]自=优尔-·论~文"网·www.youerw.com/ 内壁面及距离内壁较近的节点上，射击循环下温度随呈现波动特征，反映射击过程中的影响该处热传导过程的主要矛盾为瞬态的强热流输入与连续的热量扩散轮流，温度波动的幅度随着热流影响强度的减弱、距离的增加而迅速衰减。远离内壁及外壁面的节点上，节点自身的热容又较大， 受壁面热流的影响较小， 变化趋势为温度呈现稳定上升。随着远离药室中心，温度上升梯度变小。由于身管温度的上升，是内弹道性能初速提升。 彭志国【13】等认为身管受热后的特点是内膛直径增大,引起工作面积A增大；同时引发弹丸定位点前移,药室增长也引起容积增大,同时引起起动压力减小。所有这些因素都将引起火炮内弹道性能变化,包括药室原有容积的热膨胀使药室增大 ,最终使初速出现偏差。起动压力是内弹道学中一个很重要的特征量,标志着内弹道过程的起始状态。影响弹丸起动压力的因素很多,主要考虑弹带直径和身管直径两个主要因素的影响。弹带的挤削是相对身管而言的,因此身管直径的大小对弹带的挤进起着不可忽视的作用。以往的研究大多假设身管为刚性,同时忽略弹带塑性变形前的弹性变形,这对求解起动压力可能会造成不小的偏差。此文立足于火炮在不同温度下身管受热产生热膨胀和热应变,身管不再是传统意义上的刚体,其内径是变化的,并从弹性理论出发,对弹体、弹带和身管的径向位移给出了估算公式。探讨身管热变形对起动压力造成的影响进而估算对初速的影响。同时也估算了身管工作面积A增大对初速的影响。身管内径变化造成的身管工作面积变化很小,对初速的影响可忽略不计。但由此造成挤进压力下降和药室容积增长显著，身管因热量变形使初速下降。 PAUL J. CONROY等人认为连发发射时炮管内部各点离内膛表面越远，温度波动幅度越小。温度变化波动情况随着与膛内壁表面的距离增加而变小，将产生非定常高幅热应力，同时，材料性能随着内膛表面残留温度的升高而随之下降。身管内壁在坡膛附近达到最高，总体温度分布趋势为呈先上升后下降。这主要是因为坡膛附近的火药气体速度较快、气体温度高，对流换热最为剧烈。
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