基于AUTODYN的压缩空气弹射内弹道研究

丛龙腾+姜超+鲁霄光+刘晴+赵鑫

摘 要：以超近程防御武器系统压缩空气发射装置为背景，利用流固耦合软件AUYTODYN建立了不同空气压力、不同泄流面积、不同内弹道长度下的压缩空气弹射内弹道模型，通过对模型流固耦合数值仿真结果的分析，得到了弹药速度与时间、弹药速度与位移、弹药速度与空气压力、弹药加速度与时间的关系，并在此基础上确定了发射装置所用的压缩气体的体积与压力以及发射管的内弹道长度。

关键词：内弹道；压缩空气；弹射；流固耦合；AUTODY软件

中图分类号：TJ768 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2014）05-0046-04

0 引 言

超近程防御武器系统是一种用于打击距离被保护目标20～200m范围内的末敏弹、子母弹等来袭弹药武器系统。其采用的压缩空气弹射方式，避免了采用自力发射方式时弹药推进剂燃烧引起燃气射流冲击问题，既不会产生较大的红外特征，又提高了弹药的初速与有效载荷，同时还满足超近程防御作战红外特征小、反应速度快的要求[1]。

压缩空气弹射系统最早应用于鱼雷的发射，二战后随着弹道导弹和超视距空空导弹的发展，逐渐应用于战略导弹和中距空空导弹的发射[2]。目前，人们对压缩空气弹射系统的内弹道研究已经取得了大量的研究成果，乔汝椿提出了采用压缩空气发射方式的鱼雷发射装置管内鱼雷运动参数的估算方法[3]，许斌采用SIMULINK和ADAMS的联合仿真，研究了机载导弹弹射式发射动力学行为[4]，廖振强建立了高压氮气驱动下弹射装置的数学仿真模型，分析了导弹的分离参数和分离姿态[5]。

本文在前人研究的基础上，以用于超近程防御系统的压缩空气发射装置为应用背景，在炮口初速要求120m/s的条件下，利用AUTODYN软件，建立压缩空气发射装置内弹道模型，根据模型的数值仿真研究压缩空气压力、发射装置部分结构参数与弹丸弹射后初速的关系，为发射装置进行结构设计提供依据。

1 发射装置结构与内弹道模型

参考其他装置，压缩空气发射装置结构设计如图1所示，该装置采用电磁铁闭锁机构控制发射，其原理是：弹药在闭锁体的作用下紧贴压缩气瓶泄流口处的薄膜膜片，以此控制高压气体。在发射时，电磁铁通电，衔铁向左移动，手柄和闭锁体失去衔铁约束，向上运动，此时闭锁体无法继续约束弹药，压缩空气冲破膜片，进入发射管的内弹道部分，推动弹药运动。

考虑到平时维护以及重复使用的需要，将方案的使用过程设计为：发射管后部即为存储压缩空气的空间，在平时不储存压缩空气，进入战备状态时，先在泄流口处贴上薄膜膜片，然后装填弹药，使弹药紧贴薄膜膜片，压下手柄使闭锁体紧贴弹药，电磁铁衔铁压住手柄，闭锁力开始作用，弹药受到约束。此时，开始对发射管后部压缩空气存储区域充气，充气完毕后，系统进入待机状态。

1.1 发射装置内弹道模型相关参数的确定

在上述装置基础上，已知弹药质量：4kg；炮口初速：120m/s；能量利用系数η：0.15；定容比热容：717J/（kg·K）；发射阀节流后的空气温度：266K。则发射该弹药所需的压缩空气质量按下式计算：

mB0=mTυ2Tc 100.1mm，则罐体长度L=78mm。

压缩气瓶尺寸数量级和大概尺寸范围由此确定，该数据可作为AUTODYN中进行弹道估算的初始数据[6]。

1.2 分析内弹道性能影响的模型

为了验证高压空气压力对内弹道性能的影响，在AUTODYN软件中建立模型1以验证不同压力的高压空气对炮口初速等内弹道性能的影响[7]。为了验证高压气瓶泄流面积对内弹道性能影响，在AUTODYN软件中建立模型2以验证不同泄流面积下的高压空气对炮口初速等内弹道性能的影响。

模型1的特点是考虑因素较多，除了要考虑在模型中填充空气的压缩，实际情况下高压空气由发射气瓶通过口径较小的通道流入发射管内弹道部分时的压缩，还要考虑发射管与弹药之间的摩擦。而模型2则主要考虑泄漏，相较简单。

在模型简化中，为了便于计算，将弹药模型简化为圆柱形，弹药简化后的状况如图2所示。=100.1mm。

不同的是在模型1的高压空气区域中在泄流直径为20mm基础上，分别填充进34MPa，35MPa，36 MPa的高压空气。而模型2在高压空气为35MPa基础上，泄流直径分别为20mm，24mm和28mm。

在弹管间隙问题上，由于压缩空气发射装置和火炮、火箭炮等发射系统不同，在野战条件下不存在由火箭发动机燃烧室高温引起的弹体径向弹性变形、炮管与弹药之间存在温度差、连续射击过程中产生积碳等问题，因此能明显影响压缩空气发射装置弹管间隙的因素是弹药几何形状误差。弹药几何形状误差，主要受制于构成弹药的各个部件的连接螺纹同心度以及弹药各个构件的轴线弯曲[8]。并且在弹药的各个构件中，战斗部往往壁厚较大，刚度较大，不易产生几何弯曲，而超近程防御武器系统采用压缩空气发射方式，弹药上没有火箭发动机或者其他薄壁结构，所以用于超近程防御武器系统的弹药往往刚度较大，其弹管间隙的设定可明显小于火箭炮等类武器的弹管间隙。通过比较相关武器的弹管间隙，将模型弹管间隙设定为0.1mm。

1.3 流固耦合模型的建立

由于涉及到流体与固体的相互作用，因此涉及到流固耦合，可以在AUTODYN软件中实现这一过程。模型的建立过程：建立六个部件模型，分别是发射管模型、弹药模型、发射管上边界模型、发射管下边界模型、泄流通道上边界模型、泄流通道下边界模型。建立的模型如图3所示。

发射管模型由Euler单元建立，填充进空气，在高压空气气瓶区域填充进高压空气，在炮口设置出流边界。弹药模型由Lagrange单元建立，填充进与弹药密度相同的材料。发射管上、下边界模型由Lagrange单元建立，放置在发射管上边界，在仿真过程中用于约束弹药由于弹管间隙在+Y方向的运动。

泄流通道上边界模型和泄流通道下边界模型均由Lagrange单元建立，放置在模拟的泄流通道的两边，在仿真过程中用于约束空气流动，模拟出泄流通道的效果。

在AUTODYN软件分析中的可用耦合分为Lagrange-Lagrange耦合和Euler-Lagrange耦合两种。在仿真模型中，Lagrange-Lagrange耦合主要用于弹药和发射管边界的接触和摩擦分析，Euler-Lagrange耦合主要用于高压空气推动弹药运动的流固耦合分析[9]。

在Lagrange-Lagrange耦合的设定中，设置弹药模型与上下发射管模型的摩擦系数为f=0.15，以模拟弹药在发射管中所受的来自发射管壁面的摩擦力。

Lagrange-Lagrange耦合要求两个零件间的最小距离不得小于最小网格尺寸的1/10，在本模型中，弹管间隙为0.1mm，单边距离为0.05mm，所以剖分网格时须将最小网格尺寸设定为小于0.5mm。

在Euler-Lagrange耦合类型的设定中，Euler-Lagrange耦合设定为全自动耦合[10]。

2 数值仿真结果及分析

2.1 模型1的仿真结果

针对不同压力的高压空气对炮口初速等内弹道性能的影响，得到模型1的速度—时间以及速度-位移曲线如图4所示。

在泄流直径20mm的条件下，34MPa，35MPa压力的压缩空气加速过程不平稳，炮口初速无法满足120m/s炮口初速的要求，36MPa压力的压缩空气加速过程平稳，可使弹药炮口初速达到116m/s。

2.2 模型2的仿真结果

针对不同高压气瓶泄流面积对内弹道性能影响，得到模型2的速度—时间以及速度—位移曲线如图5所示。

在35MPa下，泄流直径为20mm时，加速过程不稳定，炮口初速无法满足120m/s的要求，当泄流直径由20mm增加到24mm时，加速过程变得明显平稳，炮口初速由不足100m/s增加到119 m/s，当泄流直径由24mm增加到28mm时，炮口初速由119m/s增加到121m/s。

2.3 仿真结果中提取的速度—位移关系

在分析上述结果基础上为了得到合适的炮管长度，选取合适模型的位移—速度曲线如图6所示。

在泄流直径28mm、压缩空气压力35MPa的情况下，弹药在800mm位移处即能达到120m/s的速度。

3 试验对比

根据仿真数据，建立试验模型，由于35MPa气体较难获得，本次试验采取20MPa试验气体作为对比，仅作软件仿真与试验对比。

通过试验测试，得到时间—加速度数据图，然后在软件内做出相同模型仿真，图7为试验数据与软件模拟在相同尺寸数据上的结果对比。

通过对比发现软件仿真数据偏大，与试验有一定误差，但在整体趋势上保持一致，并且误差在可接受范围之内，因此软件有一定可信度，并且在初步设计阶段可以接受。

4 结 论

本文通过在AUTODYN软件中建立压缩空气发射装置的内弹道模型，获得了压缩空气压力、发射管泄流直径、弹药位移、炮口初速之间的关系，得到了如下结论：

（1）在泄流直径20mm的条件下，34MPa，35 MPa压力的压缩空气加速过程不平稳，增加压缩空气的泄流直径可以解决弹药加速过程不平稳的问题；

（2）压缩空气压力35MPa，当泄流直径由20 mm增加到24mm时，加速过程变得明显平稳，炮口初速由不足100m/s增加到119m/s，在泄流直径20mm变化到24mm时，炮口初速急剧提高。当泄流直径由24mm增加到28mm时，炮口初速由119m/s增加到121m/s，提升并不高；

（3）在泄流直径28mm、压缩空气压力35MPa的情况下，弹药在400mm位移处即能达到100m/s的速度，发射装置的压缩空气泄流直径可设定为28mm，压缩空气压力可选取为35MPa，发射管长度可设定为800mm。

参考文献：

[1]李广裕.战略导弹弹射技术的发展[J].国外导弹与航天运载器，1990（7）：38-49.

[2]任淼，王秀萍.国外空空导弹发展动态研究[J].航空兵器，2013（5）：12-17.

[3]乔汝春.轻型舰载鱼雷发射装置管内鱼雷运动参数的估算法[J].鱼雷技术，1999（3）：31-34.

[4]许斌，杨积东，刘广，等.机载导弹弹射式发射建模与仿真[J].系统仿真学报，2001，23（7）：51-54.

[5]廖振强，王涛，何大平，等.抛放弹弹射机构优化设计[J].南京理工大学学报，2003，27（5）：573-577.

[6]石少卿，汪敏，孙波，等.AUTODYN工程动力分析及应用实例[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[7]ANSYInc.，DocumentationforRelease12.1[Z].ANSY，Inc，2009.

[8]贾孟义.火箭弹与发射管最小弹管间隙的计算[J].兵工学报.弹箭分册，1981（2）：81-92.

[9]刘玉磊.燃气舵流固耦合传热数值分析[J].航空兵器，2013（3）：41-43.

[10]ChoiM，LeeJungRyul，KongCheolWon.Development ofaNumericalModelforanExpandingTubewithLinear ExplosiveUsingAUTODYN[J/OL].ShockandVibration，vol.2014，ArticleID436156，10pages，2014. doi：10.1155/2014/436156.http：∥dx.doi.org/10. 1155/2014/436156.

泄流通道上边界模型和泄流通道下边界模型均由Lagrange单元建立，放置在模拟的泄流通道的两边，在仿真过程中用于约束空气流动，模拟出泄流通道的效果。

在AUTODYN软件分析中的可用耦合分为Lagrange-Lagrange耦合和Euler-Lagrange耦合两种。在仿真模型中，Lagrange-Lagrange耦合主要用于弹药和发射管边界的接触和摩擦分析，Euler-Lagrange耦合主要用于高压空气推动弹药运动的流固耦合分析[9]。

在Lagrange-Lagrange耦合的设定中，设置弹药模型与上下发射管模型的摩擦系数为f=0.15，以模拟弹药在发射管中所受的来自发射管壁面的摩擦力。

Lagrange-Lagrange耦合要求两个零件间的最小距离不得小于最小网格尺寸的1/10，在本模型中，弹管间隙为0.1mm，单边距离为0.05mm，所以剖分网格时须将最小网格尺寸设定为小于0.5mm。

在Euler-Lagrange耦合类型的设定中，Euler-Lagrange耦合设定为全自动耦合[10]。

2 数值仿真结果及分析

2.1 模型1的仿真结果

针对不同压力的高压空气对炮口初速等内弹道性能的影响，得到模型1的速度—时间以及速度-位移曲线如图4所示。

在泄流直径20mm的条件下，34MPa，35MPa压力的压缩空气加速过程不平稳，炮口初速无法满足120m/s炮口初速的要求，36MPa压力的压缩空气加速过程平稳，可使弹药炮口初速达到116m/s。

2.2 模型2的仿真结果

针对不同高压气瓶泄流面积对内弹道性能影响，得到模型2的速度—时间以及速度—位移曲线如图5所示。

在35MPa下，泄流直径为20mm时，加速过程不稳定，炮口初速无法满足120m/s的要求，当泄流直径由20mm增加到24mm时，加速过程变得明显平稳，炮口初速由不足100m/s增加到119 m/s，当泄流直径由24mm增加到28mm时，炮口初速由119m/s增加到121m/s。

2.3 仿真结果中提取的速度—位移关系

在分析上述结果基础上为了得到合适的炮管长度，选取合适模型的位移—速度曲线如图6所示。

在泄流直径28mm、压缩空气压力35MPa的情况下，弹药在800mm位移处即能达到120m/s的速度。

3 试验对比

根据仿真数据，建立试验模型，由于35MPa气体较难获得，本次试验采取20MPa试验气体作为对比，仅作软件仿真与试验对比。

通过试验测试，得到时间—加速度数据图，然后在软件内做出相同模型仿真，图7为试验数据与软件模拟在相同尺寸数据上的结果对比。

通过对比发现软件仿真数据偏大，与试验有一定误差，但在整体趋势上保持一致，并且误差在可接受范围之内，因此软件有一定可信度，并且在初步设计阶段可以接受。

4 结 论

本文通过在AUTODYN软件中建立压缩空气发射装置的内弹道模型，获得了压缩空气压力、发射管泄流直径、弹药位移、炮口初速之间的关系，得到了如下结论：

（1）在泄流直径20mm的条件下，34MPa，35 MPa压力的压缩空气加速过程不平稳，增加压缩空气的泄流直径可以解决弹药加速过程不平稳的问题；

（2）压缩空气压力35MPa，当泄流直径由20 mm增加到24mm时，加速过程变得明显平稳，炮口初速由不足100m/s增加到119m/s，在泄流直径20mm变化到24mm时，炮口初速急剧提高。当泄流直径由24mm增加到28mm时，炮口初速由119m/s增加到121m/s，提升并不高；

（3）在泄流直径28mm、压缩空气压力35MPa的情况下，弹药在400mm位移处即能达到100m/s的速度，发射装置的压缩空气泄流直径可设定为28mm，压缩空气压力可选取为35MPa，发射管长度可设定为800mm。

参考文献：

[1]李广裕.战略导弹弹射技术的发展[J].国外导弹与航天运载器，1990（7）：38-49.

[2]任淼，王秀萍.国外空空导弹发展动态研究[J].航空兵器，2013（5）：12-17.

[3]乔汝春.轻型舰载鱼雷发射装置管内鱼雷运动参数的估算法[J].鱼雷技术，1999（3）：31-34.

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[5]廖振强，王涛，何大平，等.抛放弹弹射机构优化设计[J].南京理工大学学报，2003，27（5）：573-577.

[6]石少卿，汪敏，孙波，等.AUTODYN工程动力分析及应用实例[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[7]ANSYInc.，DocumentationforRelease12.1[Z].ANSY，Inc，2009.

[8]贾孟义.火箭弹与发射管最小弹管间隙的计算[J].兵工学报.弹箭分册，1981（2）：81-92.

[9]刘玉磊.燃气舵流固耦合传热数值分析[J].航空兵器，2013（3）：41-43.

[10]ChoiM，LeeJungRyul，KongCheolWon.Development ofaNumericalModelforanExpandingTubewithLinear ExplosiveUsingAUTODYN[J/OL].ShockandVibration，vol.2014，ArticleID436156，10pages，2014. doi：10.1155/2014/436156.http：∥dx.doi.org/10. 1155/2014/436156.

泄流通道上边界模型和泄流通道下边界模型均由Lagrange单元建立，放置在模拟的泄流通道的两边，在仿真过程中用于约束空气流动，模拟出泄流通道的效果。

在AUTODYN软件分析中的可用耦合分为Lagrange-Lagrange耦合和Euler-Lagrange耦合两种。在仿真模型中，Lagrange-Lagrange耦合主要用于弹药和发射管边界的接触和摩擦分析，Euler-Lagrange耦合主要用于高压空气推动弹药运动的流固耦合分析[9]。

在Lagrange-Lagrange耦合的设定中，设置弹药模型与上下发射管模型的摩擦系数为f=0.15，以模拟弹药在发射管中所受的来自发射管壁面的摩擦力。

Lagrange-Lagrange耦合要求两个零件间的最小距离不得小于最小网格尺寸的1/10，在本模型中，弹管间隙为0.1mm，单边距离为0.05mm，所以剖分网格时须将最小网格尺寸设定为小于0.5mm。

在Euler-Lagrange耦合类型的设定中，Euler-Lagrange耦合设定为全自动耦合[10]。

2 数值仿真结果及分析

2.1 模型1的仿真结果

针对不同压力的高压空气对炮口初速等内弹道性能的影响，得到模型1的速度—时间以及速度-位移曲线如图4所示。

在泄流直径20mm的条件下，34MPa，35MPa压力的压缩空气加速过程不平稳，炮口初速无法满足120m/s炮口初速的要求，36MPa压力的压缩空气加速过程平稳，可使弹药炮口初速达到116m/s。

2.2 模型2的仿真结果

针对不同高压气瓶泄流面积对内弹道性能影响，得到模型2的速度—时间以及速度—位移曲线如图5所示。

在35MPa下，泄流直径为20mm时，加速过程不稳定，炮口初速无法满足120m/s的要求，当泄流直径由20mm增加到24mm时，加速过程变得明显平稳，炮口初速由不足100m/s增加到119 m/s，当泄流直径由24mm增加到28mm时，炮口初速由119m/s增加到121m/s。

2.3 仿真结果中提取的速度—位移关系

在分析上述结果基础上为了得到合适的炮管长度，选取合适模型的位移—速度曲线如图6所示。

在泄流直径28mm、压缩空气压力35MPa的情况下，弹药在800mm位移处即能达到120m/s的速度。

3 试验对比

根据仿真数据，建立试验模型，由于35MPa气体较难获得，本次试验采取20MPa试验气体作为对比，仅作软件仿真与试验对比。

通过试验测试，得到时间—加速度数据图，然后在软件内做出相同模型仿真，图7为试验数据与软件模拟在相同尺寸数据上的结果对比。

通过对比发现软件仿真数据偏大，与试验有一定误差，但在整体趋势上保持一致，并且误差在可接受范围之内，因此软件有一定可信度，并且在初步设计阶段可以接受。

4 结 论

本文通过在AUTODYN软件中建立压缩空气发射装置的内弹道模型，获得了压缩空气压力、发射管泄流直径、弹药位移、炮口初速之间的关系，得到了如下结论：

（1）在泄流直径20mm的条件下，34MPa，35 MPa压力的压缩空气加速过程不平稳，增加压缩空气的泄流直径可以解决弹药加速过程不平稳的问题；

（2）压缩空气压力35MPa，当泄流直径由20 mm增加到24mm时，加速过程变得明显平稳，炮口初速由不足100m/s增加到119m/s，在泄流直径20mm变化到24mm时，炮口初速急剧提高。当泄流直径由24mm增加到28mm时，炮口初速由119m/s增加到121m/s，提升并不高；

（3）在泄流直径28mm、压缩空气压力35MPa的情况下，弹药在400mm位移处即能达到100m/s的速度，发射装置的压缩空气泄流直径可设定为28mm，压缩空气压力可选取为35MPa，发射管长度可设定为800mm。

参考文献：

[1]李广裕.战略导弹弹射技术的发展[J].国外导弹与航天运载器，1990（7）：38-49.

[2]任淼，王秀萍.国外空空导弹发展动态研究[J].航空兵器，2013（5）：12-17.

[3]乔汝春.轻型舰载鱼雷发射装置管内鱼雷运动参数的估算法[J].鱼雷技术，1999（3）：31-34.

[4]许斌，杨积东，刘广，等.机载导弹弹射式发射建模与仿真[J].系统仿真学报，2001，23（7）：51-54.

[5]廖振强，王涛，何大平，等.抛放弹弹射机构优化设计[J].南京理工大学学报，2003，27（5）：573-577.

[6]石少卿，汪敏，孙波，等.AUTODYN工程动力分析及应用实例[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[7]ANSYInc.，DocumentationforRelease12.1[Z].ANSY，Inc，2009.

[8]贾孟义.火箭弹与发射管最小弹管间隙的计算[J].兵工学报.弹箭分册，1981（2）：81-92.

[9]刘玉磊.燃气舵流固耦合传热数值分析[J].航空兵器，2013（3）：41-43.

[10]ChoiM，LeeJungRyul，KongCheolWon.Development ofaNumericalModelforanExpandingTubewithLinear ExplosiveUsingAUTODYN[J/OL].ShockandVibration，vol.2014，ArticleID436156，10pages，2014. doi：10.1155/2014/436156.http：∥dx.doi.org/10. 1155/2014/436156.