一種壓縮空氣驅動的武器發射過程動力學分析

　　振動與沖擊一種壓縮空氣驅動的武器發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射武器的工作(gōng zuò)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(friction)力模型，從而建立了發射過程的動力學模型。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設備。空氣壓縮機與水泵構造類似。大多數空氣壓縮機是往復活塞式，旋轉葉片或旋轉螺桿。離心式壓縮機是非常大的應用程序。采用MATLAB/Simulink對模型進行了數值仿真（simulation)，得到了恒壓氣(Pressure)源條件(tiáo jiàn)下的膛內氣體狀態參數和彈丸運動(movement)參數的變化規律（rhythmical)；并在此基礎上分析了結構參數和動力源參數變化對氣動發射武器發射過程的影響。研究結果對壓縮空氣驅動的氣動發射武器的研發和設計具有理論指導意義。
　　常規武器(arms)一般采用火藥作為其發射能源，但隨著現代戰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展，如電磁炮、聲波武器等。在輕武器領域，用于發射霰彈、催淚彈、致昏彈等的防暴槍大多數與傳統的自動武器一樣，發射能量來自于火藥的燃燒，因此彈藥的結構比較復雜。相對于傳統的火藥氣體(gas)發射，氣動發射武器具有彈丸結構簡單，無需底火、發射藥和彈殼，生產成本低；發射能量可調，適合變速、變距發射；發射過程平穩，對彈體的沖擊過載小；無需發射藥，發射時對環境無感染等諸多優點。目前，國外利用壓縮氣體作為發射能源的發射器比較著名的有比利時FN的FN303低殺傷發射器、美國的杰科爾發射系統等，并已經應用于反恐自衛的實戰中，效果很好，但據檢索結果，對其內彈道過程的理論研究鮮有報道。在氣動發射領域，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在經典內彈道的基礎上研究了壓縮氣體炮實用內彈道技術(technology)。
　　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（loss)時引入一個次要功系數將摩擦力考慮在內本文建立了氣動發射過程充氣和氣體膨脹做功相互耦合的變質量(quality)熱力學模型(model)，利用赫茲（Hz）接觸理論具體推導了發射過程摩擦阻力(resistance)模型，從而建立了完整的壓縮空氣驅動的武器(arms)發射過程動力學模型。昆山空壓機是回轉容積式壓縮機，在其中兩個帶有螺旋型齒輪的轉子相互嚙合，使兩個轉子嚙合處體積由大變小，從而將氣體壓縮并排出。昆山空壓機維修軸承跑外圈一般是因為配合的精度不夠以及外圈定位方式設計不合理造成的。并非所有機頭都按這個時間進行，如果保養好的可以延后，保養差的則需要提前。 通過數值計算得出了發射過程的熱力學參數(parameter)和彈丸運動(movement)參數的變化規律（rhythmical)，為氣動發射武器的理論研究和武器研制提供。
　　第一作者赫雷女，副教授，1973年生赫雷等：一種壓縮空氣驅動的武器發射過程動力技術分析(Analyse)1結構及工作(gōng zuò)原理某氣動武器的結構如所示，壓縮氣體動力源接入發射閥，供彈具將球形橡膠(Rubber)彈丸供彈到位后，發射閥開啟，發射管內壓力(pressure)上升，壓力作用于彈丸，當克服(get over)摩擦力的作用后，彈丸加速運動，彈丸運動至膜口位置（position )時，獲得定速度(speed)并射擊出膜
　　流中，存在著壅塞現象。雖然超聲速氣流出口的氣體速度很大，但氣體的最大流量取決于管道(Conduit)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氣體動力技術理論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）由于發射過程時間很短，忽略系統(system)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(influence)，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(direction)與彈丸運動(movement)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射武器工作(gōng zuò)壓力不高（10MPa左右），理想氣體(gas)狀態方程（克拉珀龍方程）能較好地描述氣體的狀態參數，其形式如下：氣體常數。絕熱條件下，氣體狀態參數滿足絕熱過程(guò chéng)方程7：1.3氣體流量考慮氣體沿變截面管道(Conduit)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(rù kǒu)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(Rubber)彈丸在發射管內運動時將受到摩擦力的影響(influence)，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，使橡膠彈丸產生彈性變形引起的。因此求解摩擦力的關鍵（解釋:比喻事物的重要組成部分)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(Electric appliances)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（Hz）理論描述了剛性球體與彈性平面三維接觸時接觸力的產生，彈性平面上的變形為半徑為a的圓形凹坑，接觸區產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為最大變形量M.截平面，接觸的模型如所示，實線表示在z向作用力下發生彈性變形后的真實物體的壁面，虛線為物體本來形狀。昆山空壓機維修是更換全部磨損的零件，空壓機轉1000個小時或一年后，要更換濾芯，在多灰塵地區，則更換時間間隔要縮短。濾清器維修時必須停機，檢查壓縮機所有部件，排除壓縮機所有故障。昆山空壓機是回轉容積式壓縮機，在其中兩個帶有螺旋型齒輪的轉子相互嚙合，使兩個轉子嚙合處體積由大變小，從而將氣體壓縮并排出。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，只不過變形發生在球體內不是平面上。由于本模型的接觸區為環形圓柱面，對接觸區的載荷進行積分：楊理明。新型非致命武器-OC催淚痛球彈發射器。輕兵器，002，1：16-17.王金貴。氣體(gas)炮原理及技術M.北京：國防工業出版社，王金貴。二級輕氣炮超高速(gāo sù)彈丸發射技術的研究。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。氣體動力技術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。重裝回收系統雙氣室氣囊緩沖特性分析。振動與沖擊，012，姜洪奎，宋現春。滾珠絲杠副滾珠循環（continue)系統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(influence)因素及試驗(test)研究。振動與沖擊，2013，李耕，陳錦江，龍超，等。基于ANSYS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。成都：西南交通大學出版社，012.