振動與沖擊一種壓縮空氣驅動的武器發(fā)射過程動力學分析赫雷、尚興超、周克棟、蔣遠清2，張作友2，孫權嶺2（1.南京理工大學機械工程學院，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)射武器的工作原理；基于氣體動力學理論和赫茲接觸理論，建立了其變質量熱力學模型和摩擦力模型，從而建立了發(fā)射過程的動力學模型。采用MATLAB/Simulink對模型進行了數(shù)值仿真，得到了恒壓氣源條件下的膛內氣體狀態(tài)參數(shù)和彈丸運動參數(shù)的變化規(guī)律；并在此基礎上分析了結構參數(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。研究結果對壓縮空氣驅動的氣動發(fā)射武器的研發(fā)和設計具有理論指導意義。

　　常規(guī)武器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，因此彈藥的結構比較復雜。相對于傳統(tǒng)的火藥氣體發(fā)射，氣動發(fā)射武器具有彈丸結構簡單，無需底火、發(fā)射藥和彈殼，生產(chǎn)成本低；發(fā)射能量可調，適合變速、變距發(fā)射；發(fā)射過程平穩(wěn)，對彈體的沖擊過載小；無需發(fā)射藥，發(fā)射時對環(huán)境無污染等諸多優(yōu)點。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FN公司的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)應用于反恐自衛(wèi)的實戰(zhàn)中，效果很好，但據(jù)檢索結果，對其內彈道過程的理論研究鮮有報道。在氣動發(fā)射領域，王金貴等在氣體炮研究中，建立了氣體炮的內彈道模型；趙俊利等63在經(jīng)典內彈道的基礎上研究了壓縮氣體炮實用內彈道技術。

　　氣體炮內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，在考慮能量損失時引入一個次要功系數(shù)將摩擦力考慮在內。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量熱力學模型，利用赫茲接觸理論具體推導了發(fā)射過程摩擦阻力模型，從而建立了完整的壓縮空氣驅動的武器發(fā)射過程動力學模型。通過數(shù)值計算得出了發(fā)射過程的熱力學參數(shù)和彈丸運動參數(shù)的變化規(guī)律，為氣動發(fā)射武器的理論研究和武器研制提供。

　　**作者赫雷女，副教授，1973年生赫雷等：一種壓縮空氣驅動的武器發(fā)射過程動力學分析1結構及工作原理某氣動武器的結構如所示，壓縮氣體動力源接入發(fā)射閥，供彈具將球形橡膠彈丸供彈到位后，發(fā)射閥開啟，發(fā)射管內壓力上升，壓力作用于彈丸，當克服摩擦力的作用后，彈丸加速運動，彈丸運動至膜口位置時，獲得定速度并射擊出膜。

　　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*大流量取決于管道中的臨界截面。氣體的流量在超聲速和亞聲速條件下有著不同的2.1氣體動力學理論2.1.1假設條件氣體在膜內的流動過程是一個復雜的開口、變邊界的過程，為了簡化模型，作出如下假設：分布；（2）由于發(fā)射過程時間很短，忽略系統(tǒng)與外界的熱交換，將此過程認為是絕熱等熵過程；（3）忽略氣體黏性的影響，即認為氣體與管壁之間無摩擦；（4）不考慮氣體分子間內聚力和分子本身體積，即認為氣體為理想氣體；流動；（6）由于氣體射流的方向與彈丸運動的方向夾角為90°，不考慮氣體射流對彈丸運動的影響。

　　由于本論文所研究的氣動發(fā)射武器工作壓力不高（10MPa左右），理想氣體狀態(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)滿足絕熱過程方程7：1.3氣體流量考慮氣體沿變截面管道的等熵流動，在超聲速氣為判別條件，當背壓（出口壓力P與入口壓力凡的比值）小于此值時，流動為超音速流動；當背壓大于此值時，流動為亞音速流動。

　　2.2赫茲接觸理論球形橡膠彈丸在發(fā)射管內運動時將受到摩擦力的影響，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鍵問題在于法向接觸力的求解。赫茲理論廣泛應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)值仿真或試驗驗證了其合理性；13利用赫茲接觸研究了繼電器觸點的接觸模型，并利用沖擊試驗驗證了模型的可行性與準確性。

　　赫茲理論描述了剛性球體與彈性平面三維接觸時接觸力的產(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*大變形量M.截平面，接觸的模型如所示，實線表示在z向作用力下發(fā)生彈性變形后的真實物體的壁面，虛線為物體本來形狀。模型在此截面內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。氣體炮原理及技術M.北京：國防工業(yè)出版社，王金貴。二級輕氣炮超高速彈丸發(fā)射技術的研究。高壓物理學報，1992，6（4）林俊德，張向榮，朱玉榮，等。超高速撞擊實驗的三級壓縮氣炮技術。爆炸與沖擊，2012，趙俊利，高躍飛。氣體炮實用內彈道技術研究。太原理工大學學報，2003，34（3）童秉綱，孔祥言，鄧國華。氣體動力學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。南京：南京理工大學出版社，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)系統(tǒng)的動力學研究和仿真。振動與沖擊，2007，陳勇將，湯文成，王潔璐。滾珠絲杠副剛度影響因素及試驗研究。振動與沖擊，2013，李耕，陳錦江，龍超，等?；贏NSYS的球軸承赫茲接觸問題有限元分析。機械研究與應用，2011，5：翟國富，陳英華，任萬濱。種含赫茲接觸的梁結構沖擊特性分析方法。振動與沖擊，2009，楊凱，周偉，馬莉。MATLAB基礎應用及仿真實現(xiàn)。成都：西南交通大學出版社，012.