液体发射药火炮所具有的突出优势,使得70年来各国学者不断对其进行探索与研究,直到今日,美国、德国等军事强国仍投入巨资进行研究。在这一情况下,整装式液体发射药火炮的研究取得了许多进展,但始终面临这一个难题,那就是内弹道性能的不稳定性问题。84161

现有研究表明液体燃料燃烧过程伴随的燃烧不稳定现象具体表现为:液体药在药室中燃烧时,液体药柱内部将形成Taylor空腔,而气液两相在其交界处的速度差,将侵蚀、卷吸液面并形成小液滴,大量的球形小液滴有效增大了燃烧面积,流体出现湍流混合及流体破碎现象。由于燃烧不稳定性,在燃烧过程中膛内会出现各种小扰动,而液体发射药本身的物、化特性:可压缩性小,对压力波的高敏性等,都将使早期小扰动加倍放大,从而导致膛炸等灾难性事故的发生。

多年来,国内外科学家都致力于研究合适的BLPG燃烧室结构以对其内弹道过程实施控制。因为燃烧室结构的设计涉及许多影响内弹道过程的因素,包括药室形状、装药结构等,在保证BLPG机械结构简单的前提下对这些因素进行优化设计以达到控制内弹道过程的目的。经过多年不懈的努力,科学家们在相关技术方面取得较大的进展。

至1978起五年间,美国弹道研究所的Knapton [2]等人进行了多次实验研究。在Knapton[2]等人的对照实验(膛底有无插入锥形部件)结果显示,有锥形部件的实验组的最高膛压比无锥形部件组降低超过150MPa。1979年,Rheinmetall发现改变药室形状和点火位置,会对最大膛压值产生巨大的影响,在他的实验中,通过多种药室形状以及插入各种部件来达到改变药室形状和点火的目的。1990年,Talley[3-6]在大量实验研究的基础上,提出实现稳定燃烧的方法。到了1994、1995年,Owczarczak和Talley等人[5,6]提出采用阶梯渐扩药室有助于控制内弹道过程,并在30mm口径的发射装置上进行了验证。在此期间,Rosenberger、Puckett等人[3,8]还提出多药室组合结构有助于抑制内弹道不稳定性。论文网

20世纪末开始,国内学者也就如何控制BLPG内弹道过程开展了许多研究。1998年至2001年,南京理工大学的陆欣等人[8-10]在液体随行装药火炮及整装式液体发射装置上进行的实验表明,向药室填充可燃多孔介质可有效控制液体发射药的燃烧稳定性。2013年,余永刚、薛晓春[11][16][17][18]等人也针对双股燃气射流进行大量的实验、数值研究,证明利用双股射流与渐扩药室相互作用可有效抑制BLPG的内弹道不稳定性。

典型的BLPG的曲线为双峰状。最大膛压出现在第二个峰值处,主要受液体药破碎机理的影响。而液体药破碎机理是由流动不稳定性带来的,带有极大的随机性,难以完全掌握也无法进行完整的数学描述。因此BLPG内弹道模型的研究也处于瓶颈期。但目前已开发的内弹道模型有内弹道零维模型、一维模型、两维轴对称模型以及多维多相流模型。零维和一维模型是在唯象模型的基础之上建立起来的,它们的特点是,若实验参数选取合适,就能计算出与实验观察到的弹道曲线相似的压力时间曲线。

1983年,Edelman,Phillips和 Wang[12]等人开发了一个二维轴对称模型,该模型尝试模拟液体发射药燃烧过程的流体不稳定现象、化学反应过程及Taylor空腔发展情况,然而该模型还未完全论证其正确性就随着BLPG研究中止而被迫中断了。1989年,Kuo,Cheung和Chen[13]共同开发了内弹道二维轴对称模型,能够模拟出液滴的形成及分布以及Kelvin-Helmholtz不稳定性现象等。不过该模型并未用于整装式液体发射药火炮上,而是被用在电热化学炮内弹道性能模拟上,并取得很好的效果。20世纪90年代中, Macpherson,Bracuti和Chiu[14]共同开发了一个模型,其创新之处在于它是建立在液体发射药始终在超临界状态下燃烧的假设之上。2001年,James DeSpirito[15]开发了一个模型,该模型以CRAFT 纳维-斯托克斯方程为核心,并引入了动网格技术,模拟结果较准确。2013年,薛晓春 [16][17]等人建立了针对双束射流扩展的三维非稳态模型,可模拟出湍流掺混现象。

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