底排装置压力跃变燃烧试验研究

底排装置压力跃变燃烧试验研究

目前，我国大部分大口径弹头系统都被应用于底部排气弹的应用。该技术的最大优点是可以显著提高口径，其增长率通常达到20%-30%，这可以提高火力抑制的范围。然而，与传统的传统炸弹相比，底部排气弹簧存在明显的缺陷。国内确定的底束断裂的方程分布通常为1.1801.220左右，最好不超过1.240，显著低于普通弹头指数（1.2801.30）。因此，在过去的20年里，提高底板弹簧的方程分布一直是国内外的热点。丁泽生等人在废物二次燃烧参数研究中报告了流量诱导和初始失效位置是影响二次穿透的重要参数。张炎清、赵子华通过数学处理获得了废物二次燃烧的延迟，导致距离分布的计算公式。郭锡福等人指出，通过底部阻力系数曲线确定喷射时间是科学的方法。在目标场试验中，当底板装置不工作时，距离分布达到普通子弹1.2801.300的水平。结果表明，由于底板装置的不同武器速度偏差，产生的底束位移的距离非常大。根据现有的试验数据，由于底板装置在运行初期表现出强、非稳定过程的不均匀性，这是底板装置与一般武器速度初级机械的主要原因。特别是在发射口以外的0.1.0.2s内，底板装置的环境压力突然下降，底板装置处于强、非正统的过程中。这是初级燃烧和复燃控制的关键阶段。为了研究压力驱动器在高压下的燃烧机械变差的机理，探索了一种控制顶板燃烧的方法，提高了底束配合工作的稳定性，建立了相应的理论模型。作者在压力驱动器的压力下进行了物质燃烧控制试验研究。1试验序列及分析为了模拟底排弹出膛口时的压力突降情况,试验中采用了半密闭爆发器,试验装置如图1所示.实物构件如图2所示.图2中间部件为底排药剂燃烧室,左边为上螺盖,右边为底螺盖.上螺盖内装填火炮发射药,用以模拟炮口压力,并点燃点火具和底排药剂,上螺盖的口部安装剪切膜片,如图3所示.底螺盖上面安装底排点火具,如图4所示.试验时首先由点火药包点燃上螺盖和底排药剂燃烧室之间药室内的火炮发射药,火炮发射药燃烧后,底排药剂和底排点火具被点燃,当到达一定压力时膜片破裂,高温高压燃气从喷口喷出,使底排燃烧室外部腔体内的压力迅速降低,以此模拟底排弹出膛口时底排装置外的环境压力迅速降低的情况.笔者采用某155mm底排药剂进行了试验,利用瞬态压力测量系统记录底排装置压力卸载过程,利用高速录像系统拍摄试验全过程.典型压力-时间曲线如图5所示,底排卸载压力为56.3MPa.相应的试验序列过程如图6所示.在试验中观察到如下几种特征:①在底排装置压力卸载后的短暂时间内,底排火焰首先熄灭,但点火具始终在工作.此时点火具火焰呈间断状,为典型的串状驻定激波,如图6(c)所示(卸压后第32ms).这是一个高压气体向外流出的“暂态过程”,此时由于底排燃烧室内、外压差仍然较大,底排喷口处形成超音速流动或临界流动.②在底排装药复燃前,有大量黄色烟雾从底排装置中喷出,如图6(e)所示(卸压后第400ms),笔者认为此时底排药剂表面燃烧反应已经停止,但仍然在维持热分解.这些化学反应不完全的产物,即黄色烟雾在外部空间积累到一定程度时,在点火具外喷火焰作用下出现爆燃,如图6(f)～6(h)所示.③底排装药在点火具燃烧产物的持续作用下,在压力卸载后792ms复燃,如图6(i)所示,喷口排出正常的底排火焰,之后一直维持稳定的燃烧,如图6(j)～6(l)所示.以上现象表明,压力卸载时底排喷口外环境压力在20～30ms内从约60MPa下降到0.1～0.2MPa,这导致底排药柱表面化学反应速度下降,燃烧区失稳,出现部分或全部熄火(或化学反应不完全).但热分解仍在继续,即传热过程滞后于化学反应.熄火使底排装置对弹底的加能加质作用减弱,造成减阻作用下降,直到在新的低压环境下,反应表面建立起新的燃烧反应-传热平衡,底排恢复正常工作.底排出膛口后熄火到二次复燃过程的不一致造成一组射弹射程不一致.针对底排装置在压力突降条件下火焰失稳现象,笔者从底排燃烧机理及其控制角度出发,在底排装置口部安装控制块,如图7,以不妨碍底排稳态工作为前提,充分保证出口截面流通面积,尽可能降低或缓和非稳态剧烈程度,延长暂态,尽可能控制或减少底排燃烧室对外界的热损失.在同样试验条件下,高速录像拍摄的序列如图8.由图8所示的序列图可见,在压力卸载后,装有燃烧控制块的底排装置的工作过程总趋势没有变化,但是工况有了明显改善.最突出的是,熄灭的底排药剂更快实现二次复燃.同样批次的底排药剂和点火具,在压力同样从60MPa跃变至约0.1MPa的条件下,没有加装燃烧控制块时,底排装药在卸压后776ms复燃.加装了控制块后,底排装药在卸压后576ms复燃,如图8(g)所示,所用时间缩短了200ms,约25%.而且与此相应,加装燃烧控制块后底排装药复燃前的热分解产物,即黄色烟雾明显减少.这表明控制块能有效地减小压力跃变对底排装药燃烧的影响.此时,点火具火焰也更稳定.所有这些,对减轻或控制底排弹出炮口后的底排装置的强非稳态过程都有利,从而能改善底排装置工作初期的不一致性.2底排药剂燃烧实验结果与以往不同,此次试验采用了高速录像系统,每帧照片之间间隔8ms,录取的过程较细微.选用的底排排气的外空间高度有限,在不妨碍排气过程的前提下,可清楚地观察排出气体积聚和消散的现象.通过初步研究,有3个新发现:①底排装置在压力突降条件下,点火具火焰射流在最初的130ms内呈串状驻定激波;②底排药剂复燃之前存在强烈的热分解现象,且二次复燃时间越长,排出的黄色烟雾越多;③采用控制块可以有效抑制或控制强非稳态过程,缩短二次复燃时间.由此得到了3点启示:①底排出膛口后大约0.13s时间内,喷口为超音速流或临界流,其中前10～20ms,为强冲击性排气流.之后,底排燃烧室内压力虽然已经下降,但仍可在出口维持弱超音速流或临界流动,点火具燃气呈现出驻定激波火焰性状,直到130ms左右.这就是说,底排喷口排气达到稳定的亚音速工作状态,大约要130ms.对于初速为900m/s的弹丸,期望的底排正常工作时间只能是在弹丸飞行大约120m之后.在此距离之前,本质上底排与一般火箭工作状态大体相同.②出炮口之后,底排药剂燃烧环境压力突然降低.在此条件下,燃烧反应程度降低,燃烧区温度下降,最终使气相燃烧反应难以为继而熄火.与此同时,在火炮膛内被充分加热的药剂表面加热层的温度变化相对滞后,因此底排药剂的热分解反应仍在继续.研究中观察到的黄烟,应该是底排药剂的热分解产物,但化学反应不完全,化学能被浪费了.直观上,没有火焰,也就是熄火.换句话说,尽管在底排出膛口处没有观察到底排火焰,即存在熄火期,但其间热分解和排气还在继续,只是排出的气体没有释放出化学能.一定意义上,二次复燃时间越长,浪费的底排药剂能量越多.③本文探索的关键是能否找到一种办法,抑制和减缓这种能量的浪费.这就是本文提出的在底排喷口加装控制块的技术方案.控制块按其性状不同,对其流经的高温高速气体的流动阻滞作用和传热作用不同.理想状态是,对超音速气流发挥阻滞作用较强,使其过程趋于平缓,促使药剂燃烧表面失稳程度降低到最低程度,从而尽快实现二次复燃.从现有的实验数据看,这一目的已基本达到.下一步的任务是对控制块的设计进行优化.3燃烧控