高初速火炮新型点传火技术及装药优化研究

(1)进行了烟火剂、黑火药以及各种发射药的激光点火实验研究。得到了详细研究。(2)设计了利用激光作为输入能量的点火系统，进行了高压条件下的激光不同点火方式以及利用不同直径光纤点火进行了实验研究。(3)进行了底部点火、改进型可燃和半可燃中心点火管以及新型点传火结构等几种不同点传火方案的射击实验。比较了不同方案之间的点传火性能差异，并对其压力波动情况进行了分析，通过实验优选出最佳点传火方案。(4)建立了考虑热量传播速度为有限时非傅立叶传热的含能材料激光点火进行了解析解分析，给出了激光脉冲条件下含能材料温度场的分析(5)建立了激光脉冲点火数学模型，进行了含能材料激光点火过程的数值(6)建立了改进型的内弹道零维模型及相应的装药优化模型，对影响内弹(7)建立了基于多相反应流体力学的内弹道两相流优化模型，对影响底部系统设计和将两相流理论应用于火炮及其装药的优化设计提供理论方法。Thisthesispresentsundamentalexperimstudiesofnewpatternignitionandflamespreadingsystemtechnologyinhigh-velocityguns.Themainpoin(1)Laserignitionexperimentsofpyrotechnics,blackpowderandvariouspropellantsarecarriedout.Laserignitioncharacteristmaterialsareobtained.Theeffectsofseveralfactoperformancearealsostu(2)Anignitingsystemusinglaserasitime,theexperimentsofignit(3)Firingtestsarecarriedoutwithbaseblackpowderbag,combustibleorflamespreadingperformancesandpressurewaveAnoptimizedschemeisselectedthr(4)ConsideringthatthFourierheatconductiontransformation.Theanalyticsolutionoftemperaturefieldofenergeticmresultsareconsistentwiththoseoftheexperiments.modelofchargeloadingarepresented.Theinfluenceofchargspreadingandjammingprocessontheperformanceofinteriorba(7)Basedonthemultiplemodeloftwo-phaseflowinteriorballisticsisestablished.Variousfactors,whicheffecttheperformanceofinteriorballisticigniterignitionsystem,areanalyzedthrougprovidetheoreticalmethodsfortheoptimizationdesKeywords:interiorballistics,laserignition,optimization,abnormalpressurphaseflow,chargeloadingtechnology主要符号表AaA,bCCpdEeff,kk₀mnpq音速热量传播速度直径总内能相间阻力总焓点火管长度气体压力Rr火药燃速r半径Re雷诺数ref反射率火药颗粒表面积T温度s传火时间T火药表面温度t时间速度V弹丸速度药包位置第一排传火孔高度Z火药相对已燃厚度Z,火药钝感层相对厚度αGμpψ余容，光吸收系数时间步长空间步长激光能量气体动力粘性系数密度堆积空隙率火药相对已燃质量松弛时间激光脉冲宽度燃烧结束相对位置d钝感火药g气相h传火孔点火药P辐射换热1绪论1.1课题背景及意义自从第二次世界大战，特别是近二十多年来，坦克防护能力和突击力量增强，军用飞机的远程、快速性能的提高，具有远程精确打击的各类导弹的出现，以及近代战术的变化，这要求火炮在反坦克、反导、低空防御以及在大纵深宽阵面的火力压制方面提高作战能力，其中一个很重要的方面就是改善火炮的内弹道性能，较大幅度地提高弹丸初速，增加炮口动能。液体发射药火炮、电热炮、电磁炮、轻气炮以及冲压发射技术等新概念发射原理的出现，都有可能把弹丸初速提高到一个相当高的水平，但这些技术目前还不很成熟，离装备部队还需相当一段时间；因此，在未来一段时间内，固体发射药火炮仍是火炮发射技术的主要手段。事实上，美国及西欧等西方发达国家世界各国当前相继发展高膛压火炮发射技术，主要是通过增加装填密度或火药能量的方式将膛压由二战时的200~300MPa提高到400~700MPa,把二战时的弹丸初速1000m/s左右提高到1800m/s或更高6]。随之而来的问题就是，无论火药能量还是装填密度的提高都有可能使膛内压力波动更为突出，火焰阵面处的压力梯度更加陡峭，形成一道道强压缩波向前传播，伴随着空隙率的下降，这些压力波动就有可能叠加成强冲击波，诱发发射药的爆武器机动性及其它性能的限制，对火炮本身的改造(如增大药室容积、增大身管厚度等)已没有多大的潜力。国外由于产生异常压力而发生了多起膛炸21.绪论1998年12月事故1,2,58,78,根据对这些事故分析的数据来看，其原因基本都是由于火药低温破碎或点传火系统设计不当而造成的。如1973年3月美国在M198155mm榴弹炮上用XM123装药试验时，由于强烈的底部点火而发生炮尾炸毁现象。紧接着在M110E₂203mm榴弹炮上用M188E₁9号装药时，由于中心点火管失灵而炸毁炮尾。美国的127mm海军炮也曾发生炮尾炸毁，这是因为点火管输出速率过大，造成火药床压实和破碎，引起引信早炸，从而炸毁炮尾。我国近几年在大口径火炮的研制过程中也发生了多起膛炸现象，其中有两例是由于点火系统设计不当而引起低温火药破碎，从而产生膛炸；另外一例由于装药结构不当而造成炮尾炸毁和药室撕裂[79]。火炮安全性问题随着对火炮发射性能要求的提高而变得日益突出，对以上的膛炸事故分析可以知道，点传火系统的设计和装药结构及装药方案的选取对高初速火炮的设计至关重要，它是保障火炮射击安全性的一项重要手段。最优化技术是一个崭新的科学分支，特别是近二三十年以来，随着电子计算机技术的不断发展，这一强有力的计算工具为最优化技术的发展提供了有效的手段，使最优化技术获得了迅速发展。在工程实际应用中，优化计算逐渐形成了一种有效而快捷的分析和设计方法，它使得人们可以用系统有效的方法从一系列设计方案中去优选出最佳方案，从而在满足约束条件的情况下提高设计系统性能或降低成本，它已成功地应用于各类设计过程，引起了人们的广泛注意。火炮内弹道问题是一个十分复杂的系统，内弹道性能取决于许多因素，包括火药类型、火药形状、燃烧速率、点传火情况、挤进过程以及燃烧环境因素等，各种因素相互影响而最终决定了弹丸的速度。传统的内弹道装药设计过程通常采用“穷举”的方法，计算过程需要的工作量较大，同时设计方案的确定要经历多次反复，不断通过实验和计算来进行调整，不仅耗费大量资金、人力和物力，而且最终获得的结果也不一定最佳。在给定的火炮及弹丸要求的约束条件下，为了达到理想的弹道过程，获得最大的炮口初速，就有必要对各种因素进行优化设计。应用最优化理论进行装药设计，一方面使所选定的方案更合理、更科学；另一方面可以缩短火炮研制周期，提高设计质量，节省时间、人力及财力，它对于内弹道设计过程具有重要的对弹道性能的影响，优化装药方案，进而改善火特(Kent)使用压电传感器在155mm榴弹炮上详细研究了底部点火对压力曲线的影响，进一步认识到了底部点火是造成压力曲线异常的原因之一9。由动的内弹道点传火结构及装药设计往往被人们所忽视。直到50年代初，美军76mm口径坦克炮在朝鲜战争中发生灾难性事故10,相继又发生了175mm和文献[58]等通过大量的实验对压力波产生的机压力波动的传播速度有明显影响。1973年3月31日，在威斯康辛CampMaCoy试验时，155mm榴弹炮因出现超高压力而膛炸，在事故分析中注意到用脉冲X射线膛内探测实验显示出了在不同点火及装药结构条件下火药床41.绪论1998年12月床被压缩及运动的过程。文献[66-69]和文献[71]就不同点火结构对膛内压力波动的影响进行了系统的试验研究，并对不同点火条件下火药床的运动规律及形成异常膛压的情况进行了分析。大量的实验及数值模拟表明：点传火系统和装药结构对压力波动有显著的影响[75.76,膛内发射药药粒的破碎，燃烧面的急剧增加及其所产生的燃烧向爆轰或爆燃的转变，是造成灾难性事故的主要原因就是点传火系统设计不当，不能使装药床迅速全面地着火，造成药床的挤压和撞击。为了防止膛炸或燃烧反常，就必须寻求减缓挤压或撞击而使药粒破碎的各种措施，为装药安全性提供保障。随着火炮最大膛压的升高，底部点火方式往往会带来严重的压力波动.21,并伴随对药床的强烈压缩170]。实验证明：药粒在点火期间向前运动而撞击弹底的速度，在小口径火炮中可达到100m/s左右10),大口径火炮可达到230m/s¹9。在这些情况下，一般药粒均会发生扭曲变形和破碎4.102],从而产生异常压力。为了改善火炮的点火性能，降低膛内压力波，提高射击稳定性和安全性，点火管逐渐应用于各种火炮，它可以迅速而分散地将点火激励传到火药床中。人们采用点火管的目的，是为了增加火药床中的火焰传播速度，尽可能减小膛底和弹底装药点火时间差，力争做到均匀或同时点火，最终目的是减小膛内压力波动，增加火炮发射安全性和可靠性。在点火管发展过程中，形成了三种类型的点火方式。一种是强制点火或称为硬点火方式，这种方式力图通过强制约束手段，增加点火管内的火焰传播速度，促使点火能量同时而均匀地将主装药点燃。它可以通过调节管壁开孔的大小和数量，管内点火药分布等来改变其工作性能；这种点火管内火焰的传播速度较高，一般可达到100~200m/s。美国仿豹II120mm坦克炮XM827,XM829等弹的装药及我国早期的坦克炮装药大多采用这种点火方式17。第二种方式是疏导式点火，也称为软点火方式，它是通过增加点火气流通道或通过疏导点火气体流向等手段，来达到发射装药同时和均匀着火的目的，典型的软点火方式见文献[46]和文献[80,81]。第三种是近十几年发展起来的带有加速传火装置的点火管。如用导爆管做中心内管的点火管821和采用烟火剂中心管或带喷管的点火管等83,I.L.易思特(East)和W.R.布莱尔(Burrell)为解决海军炮的点火问题而提出了快速点火传播的RIP点火16。这些点火系统可以使传火速度有等在1990年提出了可燃金属点火管[18,采用镁合金金属管作为点火管本体，确保点火管在工作期间的强度和平时贮运过程中的可靠性，同时可以在主装药燃烧期间自行燃尽，但它存在燃烧残渣，给连续射击带来不便，目前仍在探索之中。冯长根等提出了微型爆炸开关可控式点火管84),采用组合式微型爆炸开关，预计可将点火管内的火焰传播速度提高到3000~5000m/s,在这种条件下，任何装药均可认为是被同时点燃的。在点传火的基础试验及理论研究方面，各国学者都做了大量的工作。美国法兰克福兵工厂、陆军弹道研究所等对底火流场、点传火气体生成特性及它们与火药床相互作用情况进行了专题研究2。K.K.郭(Kuo)等用类似密闭爆发器的实验装置详细研究了火个带窗的模拟装置对未开槽管状药的火焰传播、瞬态燃烧作了详细的研究。R.R.伯耐克(Bernecker)等利用究73。R.布莱德(Briand)等对大口径火炮的模块装药进行了许多实验和理论我国在这方面也取得了不少的成果，南京理工大学弹道研究所及兵总第二零二研究所对点火管的静态燃烧特性进行了大量的实验研究。采用模拟药室，对模拟装药进行了各种点火条件下的点火及火焰传播特性测试研究。通过X射线对不同点火条件下的颗粒床运动规律及点传火特性进行了观察，并对各种装药条件的危险压力波情况进行了专门的研究58。许多学者对高密实火药随着高初速、大口径火炮的发展，高能量、不敏感弹药是其发展方向。对这种点火困难的低易损性发射药来说，普通底火和点火剂的点火压力是有限的并且是不均匀的。所以，近年来各国的弹道工作者提出了许多尽量避免体的传播特性以及与发射药的相互作用关系进行了实验研究。文献[79]给出了多点爆炸等离子点火的新型电点火概念，它既不是通过电阻丝把电能直接加在底火装置中，也不象电热炮那样通过电容器组产生高能量的等离子流直接喷射到火药床中，而是在底火中产生少量的等离子体，喷射到点犬管中去点燃奔那药条，由奔那药条产生的点火药气体点燃火药床，它不需要很高的电压，比较易于实现。文献[79]还给出了一种壁面点火的新型点火概念，它是将带状的点火具安放在药筒和主装药之间的空隙中，充分利用装药容积，增加了装填密度，同时药床中的火焰传播通道好，点火均匀，可以降低膛内压力波。随着激光研究的深入和激光器的发展，激光技术应用于火炮点传火系统有了可能，世界各国都投入了大量的精力开始研究这一未来最有希望的点火系统。以色列、德国在高能激光器的研究方面作了大量的工作[28,29,提出了多种可用于火炮点火系统的激光器，并对其性能进行了分析。激光具有单色性好，输出功率高，能量集中，且在传输过程中不易衰减等特点，点火容易，可以采用光纤分束原理设计多点点火系统，实现膛内同时着火。此外，在通常的电点火系统中，由于使用自动装填系统，底火的装填和取出存在困难，并且容易受到静电及电磁场的干扰，而使用激光点火可避免这些困难。特别是新一代高初速坦克炮大都使用主副药筒两级分装式结构，要求必须在毫秒级的范围内引燃分装药。使用激光点火后，透过炮尾的窗口，由光纤把能量传输到位于药室不同位置的点火器，传输能量的光纤网络可以分布在装药中，很容易实现多点同时点火，也便于适应复杂弹丸结构和形状的变化。为了保证主、副药筒点火的同时性，可以利用光纤将一部分能量传输到副药筒的底部点火药包。由于激光点火系统的良好前景，美国针对ATACS计划开始了“火炮、加农炮和坦克炮激光点火技术”(LIGHTProgram)研究，其近期目标是用耦合的激光能量代替底火，通过光纤实现多点同时点火。远期目标是从坦克炮弹中取掉所有底火和烟火剂，直接利用激光能量引燃发射药。近几年，美国对激光点火系统的研制做了大量的基础实验和理论研究。L.D.杨(Yong)等对炸药、烟火剂、高能推进剂的激光点火机理及特性进行研究74]。为优化计算的大规模发展提供了工具和动力。自从戴维德(Davidon)在1959通常的求解方法有直接法、惩罚函数法(序列无约束极小化方法)和序列二等将最优化方法引入经典内弹道理论，以弹丸孔火药药粒形状参数的优化设计15。R.D.安德森和K.D.费奇3编写了IBHVG-2编码用户指南，其中指出该编码己能处理钝感药，并能通过内插81.绪论1998年12月度的处理。国内这方面的研究刚刚起步，一些学者作了许多基础工作。文献[105]对高低压火炮内弹道中的结构参数进行了优化。文献[125]给出了某坦克炮全弹道多目标优化模型。由于多目标权重分配困难，又受到计算条件的限制，仅采用线性平均加权法对多目标进行处理，简单地穷举计算了少数几种权系数时的结果比对其进行了比较。它在装药设计方面，采用经典内弹道方程组对火药形状函数和装药量进行了优化计算。文献[126]用“穷举”的方法，也曾进行过装药的辅助优化设计研究。以往所作的工作大多基于经典内弹道过程，关于两相流内弹道过程的优化分析方面的报道还未曾见到。装药技术同样伴随着高初速火炮的发展而发展，由最初的直接装填到大口径火炮的药包装填，由金属药筒装填到可燃药筒装填，由零散的药包装填也进行了大量的研究，提出了随行装药技术、密实装药技术、刚性模块组合用了多活塞加力燃烧技术或装药表面处理技术，如钝感火药、包覆火药以及零温度系数火药等[94,95.111,127]。高膛压、高初速火炮的发展使得火炮的发射安全性和可靠性成为新一代武器系统必须面临的难题，火炮膛内异常压力一旦导致膛炸就会造成极大危害。为了避免异常压力的产生，点传火技术和装药理论及技术的研究将是今后内弹道学中最活跃的一个领域，它对新火炮弹药系统的设计和改善现有的武器系统内弹道性能均具有现实意义。本文针对激光点火技术和内弹道系统点传火及装药优化技术进行了一些基础性的实验研究和理论分析，主要内容(1)进行了烟火剂、黑火药以及各种发射药激光点火性能的实验研究。利用YAG大功率固体激光器产生激光直接作用于各种含能材料，光电倍增管等接收含能材料着火产生的火焰信号，详细研究了各种因素对含能材料激博士学位论文高初速火炮新型点传火技术及装药优化研究(2)设计了利用激光作为激发能量的点火系统，进行了高压条件下的激光点火实验。利用光纤分光原理，采用多束光纤在点传火模拟装置内不同位置点火，实现了多点同时点火；同时对各种不同点火方式及不同直径的光纤的点传火性能进行了比较分析，为激光点火系统实际应用于大口径高初速火(3)进行了几种不同点传火方案的射击实验，比较了不同方案之间的点传火性能，并对其压力波动情况进行了分析，为新一代高初速坦克炮的点传(4)建立了针对激光脉冲点火特点的含能材料激光点火过程的热传导数学模型，利用拉普拉斯变换给出了激光脉冲条件下含能材料温度场的解析(5)根据所建立的激光脉冲点火数学模型，对影响含能材料激光点火性能的各种因素进行了数值分析，计算与实验结果有较好的一致性，从而为含(6)建立了改进型的内弹道零维模型，分析了内弹道过程优化设计的特点并给出了相应的装药优化模型，对影响内弹道性能的各种因素(装药条件、传火过程及挤进条件等)进行了优化分析，为新一代高初速火炮的设计提供(7)建立了基于多相反应流体力学的内弹道两相流优化模型，对影响药包点火和中心点火管条件下的内弹道性能的各种因素进行了点传火的优化分析，为将两相流理论应用于火炮及其装药的优化设计提供基础和理论方法。102.固体含能材料激光点火实验研究1998年12月2固体含能材料激光点火实验研究2.1引言研究计划”(LIGHTProgram)[303,从而拉开了大口径火炮激光点火技术研究的序幕。LIGHT计划的近期目标是除去底火，利用激光点燃少量的感光含能材料，从而引燃装药床；其远期目标是取掉点火所用激光点火机理包括放电点火、光化学点火、微等离了含能材料的光化学性能。此外，其它许多重要的激光特性(包括脉冲宽度、能量密度以及重复率等)也对点火有一定的影响。通常可用作点火源的激光器有惰性气体激光器(ExcimerLaser),CO₂激收激光，但这种激光器的脉冲宽度太短(ns量级),难以可靠点火，很高的峰值功率极易引起含能材料烧蚀而达不到点火的目的。的紫外线波长接近于193nm、248nm、308nm,这些波长的激光不容易通过光122.固体含能材料激光点火实验研究1998年12月点火系统中。固体激光器是一类有较好应用前景的点火源，Nd+³:YAG激光器和Nd+³glass激光器属于这一类，它们分别工作于1.06μm和1.05μm的波长。图2.1为Nd+³:YAG晶体能级结构图，关于其工作原理参见文献124。这种激光器的体积可以很小，外型要求不高，工作可靠，寿命较长且造价便宜，该波长的激光可以通过耐用、价格低廉的融硅光纤远距离传输且损失可以忽略不计。这类激光器既可以连续态工作，又可以产生宽度为从ps到ms的脉冲。此外，这种激光波长可以有效地穿过可以耐高压的蓝宝石窗，为高压条件下激光通过蓝宝石窗引燃发射药打下基础。由于固体激光器的这些优良特性，本文将采用固体Na+:YAG激光器对固体含能材料的激光点火进行实验研究。为了使激光可以应用于火炮系统的点火，首先必须了解各种固体含能材料在激光作用下的点火特性，本节将对几种不同的含能材料进行实验，从而了解其激光点火性能，为激光点火系统的实际应用提供依据和参考。实验装置如图2.2所示，整个装置由激光器、光学回路系统、数据测试系统构成。激光器采用参数可调的高功率固体Nd+³:YAG激光器，由它产生激光来作为点火源，同时作为点火开始的同步信号。光学回路系统由各类透镜和反射镜组成，主要完成激光能量有效地作用于含能材料样品，同时将同步信号传输至数据采集系统。数据测试系统包括能量计、光电倍增管及光敏二极管等光接收部件和可存贮示波器等数据采集处理仪器。当发射激光后，沿着光路激光到达含能材料样品并作用于它，同时所产生的激光同步信号传输至示波器作为点火的开始。随着激光能量对含能材料样品的加热，含能材料表面温度逐渐升高，当温度达到着火点时，含能材料被点燃而产生光信号，这一光信号通过光电倍增管将光信号转换为电信号而传输到可存贮示波器，从而得到含能材料由激光作用开始到开始着火的整个点火过程，由此可以了解含能材料激光点火延迟情况和随各种条件的变化规律。142.固体含能材料激光点火实验研究1998年12月从中知道，对于脉冲式激光源来说，激光与含能材料的相互作用过程即发生在该脉冲宽度内，超过脉冲宽度，能量的给予就结束了。图2.4给出了两种不同条件下典型的激光点火水平线是光信号的基准线，起图2.3激光脉冲随时间变化曲线始阶段的小峰是由激光信号所图2.4含能材料激光点火过程典型曲线工工的过程。从激光开始作用到含能材料着火产生光信号的这段时间称为其点火延迟时间。图2.5给出了入射激光能量对黑火药点火延迟时间的影响关系。随着激光能量的减小，黑火药的点火延迟时间急剧增大，到一定程度后，黑火药将不能点燃。图2.6给出了几种不同药粒情况下的激光点火性能的差异。从中知道，黑火药的点火延迟由于颗粒的大小而存在较大的差异，因此在激光点火器中对于点火所采用的含能材料药粒必须要加以选择，以保证点火的顺利进行。大粒黑2#小粒黑1#小粒黑烟火剂在激光功率一定的条件下，单个脉冲持续时间对激光点火延迟的影响可见图2.7。随着脉冲持续时间的增大，激光施加给含能材料的能量增多，因此点火延迟逐渐降低；当脉冲持续时间大到足以在一个脉冲内点燃含能材料时，此时点火延迟将停留在一定值，即当达到着火点后，含能材料将进行自维持燃烧，162.不再需要激光能量。激光调制后，激光脉冲峰值功率增大，随着调制的增加，点火延迟时间将会缩短。调制对点火延迟的影响关系见图2.8。双芳-3火药约需要30s左右才可以燃烧，7孔单基药大约5s左右着火，而19制后，并采用每秒25次的重复率时，枪药和7孔单基药在1s作用开始燃烧，对其它几种发射药，如高氮量单基药、双芳-3火药及太根药等则需要2~5s左激光多点点火实验装置如图2.9所示。1.光学玻璃窗2.压紧螺3.测压孔4.电荷放大器图2.9激光多点点火实验装置在本实验中对普通电点火、单点激光点火、0.5mm光纤三点激光点火、0.9mm光纤三点激光点火等不同条件总共进行实验二十余发，基本上都能用激光成功点火。其中三个点火位置距光学玻璃窗的位置分别为15mm,115mm,170mm。点火管内装有二号大粒黑20g,不同点火位置上放有少量小粒黑以便于引燃装药。比较典型的实验结果如图2.10~2.13。图2.10普通电点火时不同位置压力随时间变化曲线径较小时，光纤直径为0.9mm的点火系统基本上都能同时着火。这可能与光(1)使用大功率固体激光器可以引燃黑火药、烟火剂及发射药等固体含能(2)对各种含能材料进行了激光点火性能实验研究，成功测得了黑火药、激光能量、脉冲持续时间、激光调制以及不同药粒等)进行了实验分(3)普通电点火、激光单点点火及激光多点点火的实验结果表明，不同点火系统的性能存在较大的差异，多点点火具有明显的优势，对点火系(4)激光通过光纤输送到不同的位置，确实能实现同时点火并明显降低压力波动，这将为高膛压火炮的点传火系统设计提供了一种有效的方法，并对火炮射击安全性具有重要的意义。随着防空、反导、特别是坦克和反坦克兵器发展的需要，世界各国都相继发展了高膛压、高初速火炮推进技术。它主要是通过增大药室容积、装填密度或火药能量的方式来提高火炮最大膛压，进而达到增加弹丸速度和动能的目的。药室容积增大、装药量增加都使得武器系统的装填过程存在一定的困难，近十多年发展起来的新一代高初速坦克炮系统要求装药必须采用两级装填方式[781;火药能量和装填密度的提高有可能使膛内火焰阵面处的压力梯度更加陡峭，压力波动更为突出，所有这一切都会给高初速火炮的安全性和射击可靠性造成一定的威胁。近十几年来，高膛压、高装填密度的新一代火炮在研制过程中曾经出现多次低温膛炸事故，分析原因，发现主要存在以下两个方面的问题；一是由于点传火初期局部点火引起的压力梯度使得火药床局部堆积，从而产生很大的颗粒间应力造成火药受挤压破碎；另一方面由于膛内存在自由空间或高初速坦克炮等中所采用的分装结构主副药筒之间的间隙等因素，火药床在压力梯度和相间阻力驱动下以很高的速度撞击弹底而破碎；尤其是在低温条件下，火药更易破碎而形成异常压力。大量的实验及模拟证实：点传火条件是决定射击安全性的主要因素；良好的点传火系统应该具有避免膛内局部点火、加速火焰传播、降低膛内压力梯度等特点，它将有助于缓解膛内压力波动，避免或减弱火药破碎对产生膛内异常压力的作用。针对高装填密度、主副药筒两级装药给点传火带来困难的突出问题，本章以某高初速坦克炮的实际装药结构为背景，利用某高膛压弹道炮进行了点传火方案的射击实验，以分析点传火系统对火炮射击安全性的影响，从而通过实验方法优化选取适合于高初速火炮的最佳点传火方案。3.2实验装置射击实验采用某高膛压弹道炮。为了测得射击过底、药室不同位置及膛口部装有5个压力传感器。图3.1是实验装置示意图。入瞬态记录仪，利用计算机将瞬态记录仪记录的信号进图3.1测试系统示意图3.3装药结构及点传火方案针对新一代高初速坦克炮高装填密度和主副药筒两截装药给点传火带来困难的问题，这里以某高膛压坦克炮的实际装药结构为背景，采用如图3.2所示的装药结构进行射击实验。实验中采用了底部点火结构、改进的可燃点火管结构、新型点传火结构三种点传火方案，进行了二十余发射击，其目的在于了解不同点传火结构对膛内过程压力波动的影响情况，从而为高初速坦克炮中高装填密度、主副药简两级装药传火方案的优化选取提供参考和依据。典型的实验结果如图3.3、图3.4及图3.5所示。从图3.3可以看出，膛内压差曲线的第一个负波幅为24.2MPa,是三种点传火方案中最大的；这主要是由于底部点火是一种局部点火后，火焰在主药筒内逐渐向前传播，通过主药包的接力传火作用，引燃副药筒底部的传火药包，从于装填密度较大，火药颗粒间存在较强的相间阻力，在局部压力梯度作用火药床会产生运动而造成局部堆积现象，这会给膛内的传火过程造成相当困难，在弹底形成强烈的燃烧，进而引起较大的反向压力点火管结构后，膛内点传火过程由局部点火变为纵向分散点火，这会使得膛内如图3.4所示。在采用课题组提出的新型点传火结一步提高，主副药筒基本实现了同时着火，内压力波动明显减弱。实验所得到的压力波曲线如图3.5所示。可以看出，第这种点传火方案是高装填密度、主副药筒两级装药针对新一代高初速坦克炮高装填密度、主副药筒两级装药给点传火过程带博士学位论文高初速火炮新型点传火技术及装药优化研究25来的困难，采用某高膛压弹道炮，对几种不同的点传火方案进行了射击实验，(1)底部点火会形成较强的压力梯度，造成膛内药床的堆积，从而产生较大的反向压力波幅，对射击安全性会形成一定的威胁。(2)改进的可燃点火管点火结构可以实现膛内主药筒中的纵向分散点火，对膛内压力波动有一定的缓解作用。(3)新型点传火结构可以加速膛内火焰传播，基本实现了两级装药的同时着火，大大缓解了膛内过程的压力波动，对于高装填密度、主副药筒两级装药方案是一种有效的点火结构。(4)通过射击实验对点传火系统进行优化选取是一项必要的步骤，它关系到火炮系统的射击安全性和可靠性。 4.含能材料激光点火性能理论及数值分析1998年12月激光点火研究具有十分重要的意义，它是试验研究的一种有益的补充，同时4.2激光脉冲加热条件下的瞬态热传导分析时间(或弛豫时间)。因此，以热量传播速度无限大为基础建立起来的经典热从物理上来说，热量在介质中的传播速度总是有限的，它不可能以无限大的速度向介质中传递。那么,对瞬态的热传导来说，在已传播到的和未传播到的区域之间应该具有明显的分界线。按着这样的热传递规律，图4.1中的实线给出了某时刻介质内温度对空间坐标的定性分布；介质内某空间点温度对时间坐标的变化规量传播到的区域x<x。(图中阴影区),其内各点温度才会增加。根据这一点，从图4.2所描绘的介质内某点温度随时间步变化。实线对应于热量图4.2温度随时间变化规律示意图传播速度有限时介质内某点温度随时间变化的定性规律。这一曲线表明：当边界温度突然升高时，内部某点的温度并不是同步地上升，而是在经过一段时间后，才在初始值的基础上升高。由此可知：对于瞬态热传导问题，介质图4.2温度随时间变化规律示意图通过上述分析，我们可以知道，对于类似激光点火之类的强瞬态传热问在考虑了松弛时间这一因素之后，对类似于激光点火等情况的瞬态传热非常重要的意义。根据(4.1)式可知：为是零。这种情况下，热流密度的矢量场不随时间而变化，即toaq/dr=0,因此对稳态热传导过程，应该说Fourier定律精确成立。2)对于瞬态程度不高，即热扰动改变缓慢(如边界条件变化缓慢)的弱瞬态热传导过程，以Fourier定律为本构方程而建立起来的热传导理论所描述的瞬态热传导问题，由于大多数材料的松弛时间都比较小，因此从一个稳定的温度分布可以很快地过渡到一个新的稳定温度分布；这样，在热扰动改变较缓慢的情况下，dy/&r必然很小，和q相比，Toaq/0的影响可以忽略不计，因此对于弱瞬态热传导过程，应用经典Fourier定律对其作Fourier分析是一种高精3)对于快速高强度的瞬态热传导过程，也就是热扰动的改变一是速度快，二是幅度大，以致于内部温度场的重新建立总是跟不上热扰动的变化，加之热扰动的变化幅度大，必然使得a/ar变得很大，只要介质的松弛时间不是极小的话，传播项t₀aq/8r和q就有处于同一数量级的可能性，显然对这种强瞬态热传导过程，热量传递规律必须用考虑到热量传播速度影响的通用Fourier定律 (4.1)来描述，只有对其作非Fourier分析，才能更真实地揭示热流密度矢量场与温度梯度场之间的关系，进而得到温度场的变化规律。在瞬态热传导过程中(特别是在某些极端情况下，如激光点火等),热量传递具有和经典热传导理论所认为的扩散行为完全不同的物理机制；物理机制的差异反映在描述物理行为的数学表达式上，也就是说以经典的Fourier定律为基础建立起来的热传导理论，已不能对这种情况下的热量传递规律作出合理从以上分析可以看出，对于激光脉冲点火，必须考虑热量传播速度为有限值，而不能沿用经典的热传导理论。在有限时间内向边界表面施加一定的热流，称为脉冲式加热。假定含能材料的激光点火为纯粹的热机理，激光能量的作用过程决定了含能材料的点火性为了求解方便，引进过余温度T(x,z)=T(x,z)对方程(4.2)式施行Laplace变换(本节中以下T表示过余温度),可得式(4.4)的通解为：将(4.6)式代入(4.8)式，得；令对(4.11)式求逆变换，得：对(4.12)式求逆变换，根据Laplace变换的位移定理，得：这样脉冲式热流快速加热半无限大物体强瞬态热传导问题的瞬态温度分布以分段函数的形式可表示为，以热量传播速度表示时，则有其中上述分析表明，激光瞬态加热的传热过程与经典傅立叶传热存在本质差4.3含能材料激光点火性能的数值模拟(1)含能材料的物性参数(如k,c,等)不随温度变化；为完全不同的物理机制。物理机制的差异反映在描述物理行为的数学表达式其中，激光能流密度q考虑到激光点火器中含能材料通常为极细小粉末状微粒，应该采用球坐标模型来处理，这里同时给出一维球坐标系下的强瞬态热传导问题的点火传热模型。通常满足Fourier定律的传热问题相容的是抛物型方程，而适用于激光点Frankel差分方法10,利用前后两个时间层的平均值来代替中间时间层，从而对方程(4.20)和方程(4.21)进行Dufort-Frankel差分，这里采用最简单上式在求内节点函数值时需用到边界值T₀,甚至计算区域外的值T₁,所初始条件的处理T⁹=Tj=0,12n稳定性条件率的特征线所划定。显然，有限差分影响区至少应包含连续影响区，即上述影响区的关系称为稳定性的库朗特C对于球坐标方程(4.21)的差分可类似做上述分析。这里以在火炮点火系统采用十分广泛的某型号黑火药为例进行了数值计算，典型的黑火药物性参数如下I23:密度p=1700热容c,=1395J-kg¹K¹,热传导系数k=1.1Wm¹-K¹,反应热Q=3.08e6J-kg¹。通1)激光入射能量的影响间随激光入射能量变化的关系曲线如图4.4所示，这与文献[43]中试验所得到的结论相一致；图4.5给出了黑火药在相同的脉冲宽度(2.0mm),不同入射光能量384.含能材料激光点火性能理论及数值分析1998年12月其变化规律来看，当激光能量为1.6J时，时间到5.9ms左右温度变化突然上升，说明黑火药表面开始着火，这与第二章中实验在1.56J能量条件下所测得的光信号延迟时间为6.0ms左右基本一致。从图还可看出：当入射光能量降至0.4J左右时，点火将很难发生。烟火剂是一种点火性能较好的含能材料，这里给出了较为常用的MgNaNO₃烟火剂的典型物性参数74,密度p=1650kgm³,反射率ref=0.71,比热容c,=100J-kg”.K,热传导系数k=4.4W.m².K,光吸收系Q=8.4e6]-kg³,并对其点火延迟情况进行了计算。图4.6给出了在相同激光条件下黑火药和烟火剂的温度成长曲线，可以看出烟火剂的点火延迟时间要小于黑火药，并且温度变化的拐点要低于黑火药，因此点火温度就要低。2)激光光束直径的影响光束直径的变化决定着能量散布面积的大小；光束直径越大，单位面积上的激光能量越低，药剂吸收的能量就越少，点火延迟时间就会增加。图4.7给出了激光光束直径对含能材料激光点火性能的影响。在相同入射光能量(1.6J),同一脉冲宽度(4ms)条件下，随着光束直径的增大，温度上升趋于平缓，当光LightDia亩eter/mm试验发现在一定激光能量下，当光束直径小于200μm时，其点火才能发生。 4.含能材料激光点火性能理论及数值分析1998年12月图4.8给出了光束直径对点火延迟的影响规律。3)激光脉冲宽度的影响激光器的功率密度与入射能量。光束直径和脉冲宽度等激光特征量有关；当单个脉冲的光能量为一定值时，脉冲宽度越短，则单位时间内释放的能量就越多，光功率就越大，点火就越容易发生。入射光能量为1.6J,光束直径为2.0mm时，激光脉冲宽度对黑火药点火延迟性能的影响关系可见图4.9。从图中可以看出，随着激光脉冲宽度的增加，点火延迟时间几乎为线性增加；4)含能材料光吸收率的影响随着含能材料药剂光吸收率的降低，药剂所获取的能量变少，表面温度的成长过程延长；也就是说，含能材料药剂光吸收率降低时，其点火感度下降。5)含能材料颗粒尺寸影响。值模拟，小微粒直径选取为小于500μm。模拟结果发现：细小微粒的点火要容易的多；在激光能量为1.6J,脉冲宽度4ms,光束直径2mm时，对烟火剂Mg/NaNO₃来说，大颗粒的点火延迟时间为4.5ms左右，而小微粒的仅约为1.2ms。对黑火药而言，大颗粒的点火延迟时间约6.0ms,而小微粒仅需1.7ms左右，这说明微粒尺寸对激光点火性能有很大的影响，与文献[31]中所得到的结论相一致。在第二章的实验中发现，在前面所给定的激光条件下，固体发射药的点火比较困难；由于实验条件的限制，没能对固体发射药的激光点火性能进行进一步的实验研究。为了了解固体发射药的激光点火性能，这里对某发射药的温度容c,=1191J-kg¹.K-,热传导系数k=0.25Wm¹.K¹,频率因子k₀=1.0e16s¹,活化能E₀=2.4e5J·mol²,反应热激光能量增加，脉冲宽度变小后，发射药也能够点燃；在激光各特征量相同的条件下，火药温度变化的拐点位置较高，说明火药的点火温度通常高于黑火药和烟火剂，这与文献[4]所给出的结论基本一致。图5.0J,脉冲宽度为2.0ms,光束直径为2.0mm条件下，发射药表面温度成长曲线。以上给出了几种含能材料在激光作用下的点火性能的数值模拟结果。在激光作用于含能材料时，由于真正作用表面有限，因此存在热量向四周的扩散。考虑到激光点火是一个强瞬态过程，热量来不及扩散就有可能引燃含能材料。为了分析方便，在建立数学模型的过程中未予考虑，只是通过调节光反射率等来修正激光作用面积及其所引起的扩散过程散热。4.4小结根据激光点火的强瞬态传热特点，分析了热量传播速度为有限值时的非Fourier传热情况，指出了强瞬态脉冲传热方程由抛物型转化为类双曲型，传424.含能材料激光点火性能理论及数值分析1998年12月热由扩散转化为波动机制；给出了激光点火条件下的脉冲式热流波快速加热半无限大物体的强瞬态传热模型，并在一定的边界条件和初始条件下给出了其解析解，为含能材料的激光点火性能分析提供了理论基础。通过所建立的激光点火数学模型，对影响含能材料激光点火性能的各个因素进行了初步的数值分析，计算和实验结果有较好的一致性，结论如下：(1)激光入射能量、光束直径和脉冲宽度等激光特征量均会影响含能材料的激光点火性能；这些量的变化决定了激光输出功率密度的大小，功率密度变大会使得点火延迟时间变短。(2)不同含能材料的激光点火性能存在差异。发射药点火最难，必须在较高能量条件下才能点燃，黑火药和烟火剂的点火相对较容易，比较适合于在激光点火器中应用。含能材料之间点火性能的差异主要是由其热物性参数、化学物理参数以及光学特性参数所决定的。(3)含能材料微粒尺寸的变化对激光点火性能有较大影响。小微粒条件下，点火延迟时间会明显缩短，这为激光点火器的优化设计提供了5基于改进型内弹道零维模型的装药优化在内弹道设计的基础上，为实现给定的武器内弹道性能，保证内弹道性能的稳定性和射击安全性，必须对选定的发射药、点传火及装药辅助元件进行合理匹配和装药元件空间配置的结构设计，这一过程称之为内弹道装药设计，它是内弹道设计的继续，是武器弹药系统设计的重要组成部分。内弹道装药设计主要是通过物理手段使装药获得一个良好的弹道性能。这里所谓的点传火及装药优化，即是指在确定的火炮结构条件下，根据给定的战术技术指标，考虑现有的工程技术条件，应用弹道理论和优化方法，借助计算机工具，按照预期的目标(如炮口动能、压力波等),寻求弹药系统中诸装填条件之间相互匹配的最优解集，以提供最优综合弹道性能的系统方案，内弹道装药优化设计的对象是装药在膛内的燃烧及其推动弹丸运动的过程，而建立数学模型就是将这一过程进行模型化，即把燃烧及弹丸运动系统中的已知量和设计变量用数学方程的形式加以描述。膛内燃烧过程的数学模型即是装药的燃烧及其质量、动量和能量守恒方程等，再加上弹丸的运动方程及有关的辅助方程。数学模型是优化设计的核心部分，优化结果是否可行，主要取决于所建立的数学模型反映实际燃烧及运动过程的准确程度。优化数学模型的建立应在一定程度上能确切地反映并符合燃烧及弹丸运动的真实过程，同时又要满足迅速的原则，即要节约计算时间。因为优化过程中求解的次数常常是成百上千次，数学模型的复杂化或设计变量的增加，都有可能使计算过程漫长。衡量武器弹道性能优劣的指标包括弹丸炮口动能，能量利用评价标准的火炮效率γ₂和装药利用系数η,炮膛工作容积利用效率评价标准的充满系数ηg,火药相对燃烧结束位置?,炮口压力pg,身管寿命N,以及压力波等。当然，我们希望通过装药设计能使上述性能均最优，但这在一般情况下是不可能的，只能在突出重点的原则上，选取一个或几个最为重要的性能作为优化目标。自从第二次世界大战，特别是近二十年以来，坦克防护能力和突击力量增强，军用飞机的远程、快速性能的提高，具有远程精确打击的各类导弹的出现以及近代战术的变化，这要求火炮在反坦克、反导、低空防御以及在大纵深宽阵面的火力压制方面提高作战能力；其中一个很重要的方面就是改善火炮的内弹道性能，较大幅度地提高弹丸初速及动能，因此弹丸动能应作为一优化目标。然而，高初速必然带来高膛压、高装填密度和大装药质量比，这些又影响着膛内装药的燃烧过程，给火炮安全性造成威胁。因此，对大口径、高装填火炮，压力波应作为优化设计的目标函数；对其它一些性能标准可将其作为约束条件来进行处理。5.1.3设计变量的确定优化设计时参数较多，有对性能指标影响比较大的参数，也有次要参数；有独立参数，也有相互依赖的非独立参数。因此在众多的参数中，必须选定哪些是设计变量，须赋予初值进行最优化计算；哪些作为设计参数，只须在设计时给以确定值，不必进行最优化计算。确定设计变量时，必须注意下列原则：(1)设计变量应该是相互独立的；(2)设计变量应该是有着矛盾影响，且影响较大的那些变量。只有这样，(3)设计变量应尽量无量纲化且在同一量级，这样有利于收敛且使程序有较大的通用性。(2)火药燃烧结束相对位置n≤n,为了保证火药既能在膛内燃烧结束以发挥其最大效能，同时又能尽量增大装药量以提高弹丸初速，通常取这里，设计变量x∈E”,是一个n维变量(x₂,x优化的过程可以描述如下：在满足m个约束的前提下，不断调整设计变465.基于改进型内弹道零维模型的装药优化1998年12月的形式和目标函数共同构成罚函数，构成无约束优化子问题。当惩罚因子r)趋于无穷时，子问题的解()趋于原问题的解。算法可分为外点罚函数法、内这类算法将原优化问题转化为一系列二次规划子问题，以这些子问题的解，构成了本次迭代步的搜索方向a),沿方向a()寻优的结果将最终逼近原由于优化计算中的搜索策略不同，模式搜索法和改进的Po优点，所以经长时间搜索，总可以逼近最优点。改进Powell法则是逐次构造罚因子下，优化效果最好，但计算时间较长，改进Powell法则在优化效果和序列二次规划法(简称SQP法)是当今求解光滑的非线性规划问题的最敛快，效率高，可靠性与整体收敛性好，适应性强等一系列优点。SQP法又SQP法只适用于目标函数和约束函数均是二阶连续可微函数的非线性规划问好的惩罚函数法来处理约束条件，采用方向加速法(改进Powell法)来进行任何一种算法，迭代到什么程度就可以结束别准则，即当满时，迭代停止。另外，还有用变量移动的计算精度ε₂,变量分量移动的计算精度e₃表示的判别准则；还有用目标函数绝对与相对计算精度(ε与。5)表示的判别准则。现将max|kx(*+)-x()|≤E₃(i为x中第i个分量)(5.5)博士学位论文高初速火炮新型点传火技术及装药优化研究则。以平面的曲线为例，若算法的终止只依据x的分量变化值来判定，则一个陡坡可能造成过早结束迭代，如图5.1所示。若算法的终止只依据目标函数值的变化来判定，则遇到曲线的平坦部分，也会过早结束迭代，得不到最优结果，如图5.2所示。因为内弹道点传火过程优化问题中目标函数梯度的求取必须通过差分求得，为简便起见，我们选取式(5.5)与式(5.6)作为算法终止的判别准则。在建立了优化模型和选取了优化方法后，可以人工给出一个初始设计方案 (该方案应尽量满足约束条件),将其作为优化设计的初始点进行计算，如果计算结果不满意或不能达到战技术指标要求，那么必须重复优化设计的全过程，直到结果符合要求为止。另外，应该考虑和分析所建立的优化模型是否存在最优解或是存在唯一解。对于一般优化设计问题，在模型较简单的情况下，我们可以通过验证K-T条件判断得到的是全局最优解还是局部最优解；但对于复杂的内弹道系统来说，这种判断将很难实现，为此通常可采用的方法就是多次变换初始点，重复优化计算过程，在人工监控条件下寻求最优解。5.2改进型内弹道零维模型的建立内弹道学是武器弹药系统设计的基础。它作为一个独立学科的形成，应追溯到1740年鲁宾斯(Robins)利用弹道摆测得弹丸初速的历史时期。但作为一种内弹道学理论的形式，直到19世纪末才逐渐完善起来。它的主要标志是1860年诺贝尔(Nobel)利用铜柱测压器在炮膛内首次测得最大压力并建立起火药燃气的状态方程。1864年雷萨尔(Resal)应用热力学第一定律建立起内弹道能量果和无烟药平行层燃烧现象的基础上，提出了几何燃烧定律的假设。再根据牛 5.基于改进型内弹道零维模型的装药优化1998年12月高条件下的内弹道循环。由于经典内弹道学的基本方程在数学形式上比较简段位移内急剧降低。在经典内弹道理论中认为弹带是瞬时挤进的，不考虑挤进过程和挤进功，以一定的挤进压力标志弹丸的启动条件。当弹后压力大于挤进压力时，弹丸开始运动，这就从根本上忽略了挤进过程中各种阻力的变化，对膛内过程的起始阶段以及点传火过程无从了解。挤进过程的典型实验曲线见图5.3。根据挤进实验及对膛内过1)采用空间平均的热力参数来描述火药的燃烧和弹丸的运动；2)火药燃烧遵循几何燃烧定律；3)燃速服从实验的燃烧速度定律；4)假设火药床是在传火时间t.内从膛底到弹底逐次被点燃，即将火药床5)在火药的燃烧过程中或者是在燃气的膨胀作功过程中，火药燃烧生成物的成分变化均不予计及，与成分有关的特征量均为常数，因此火药力6)弹带逐渐挤进膛线，挤进阻力为挤进行程的函数7)弹带挤进膛线后，密闭良好，不存在漏气现象；8)火药燃气状态方程服从诺贝尔-阿贝尔方程；9)次要功与主要功mv²12成比例，并用次要功计算系数φ值计算；5.2.2数学模型1)燃气生成方程p为多孔火药燃烧分裂时截面内的相2)燃烧速度方程示钝感处理的强弱程度，k₁越小，钝感处理越强，表层燃速越低。u10为钝感3)弹丸运动方程这里f为最大挤进阻力。只要火炮结构给定，l,1,均为定值，弹带材料以及弹带尺寸决定着f值的大小，从而也就影响着膛内过程的起始阶段，它4)弹丸速度方程5)弹丸运动前燃气状态方程其中，其中，,则上述方程组可化为装填参量B为5.3基于改进型内弹道零维模型的点传火优化设计5.3.1确定设计变量进过程中起作用的主要是最大挤进阻力，挤进行程l和L。由于火药力f在下参量为设计变量：弧厚2e,装药量の,燃速u₁、包覆药的含量B₁、传火时5.3.2约束条件发挥其最大效能，同时又能尽量增大装药量以提高弹丸初速，通常取n′∈[0.8,0.9]。5.3.3目标函数以某76mm加农炮为例，图5.4给出了计算所得到的p~t和p-l曲线，各同的装药条件，在保证最大膛压小于300MPa的条件下，对其内弹道性能进行方案1方案2火药类型炮口速度/m·s¹大膛压都达到了300MPa,但初速却有所不同，这里给出了反映其内弹道性能v/m/v/m/图5.7膛内过程v~1曲线图5.8膛内过程~1曲线势。从图5.5看出，在压力上升阶段两种方案基本没有多大差别，但达到峰值大小，曲线下面所包围的面积越大，则作功越多，初速越高。图5.6中方案二图5.7和5.8分别给出了速度随时间和行程变化的关系，方案二初速总高于方对工程中的实际问题，取X=(x,x.₂…,x)为设计变量，其优化方法的数学h,(X)=0,j=1,2,…,t式约束h(X)=0等价于h(X)≥0和h(X)≤0,故等式约束也可归并到不等式约束中无约束问题，通过求解一系列的无约束问题的最优解来逼近原有约束问题的组(5.19)的优化模型，可以同样地适用于研究内弹道装填条件的优化，把炮数，所以这里采用了修正的Powell方法来计算无约束问题。有关Powell方法1)取初始点X₀,输入收敛的精度ε,初始惩罚因子q,惩罚因子增长系数a以及初始步长h。2)求解无约束极值问题求得最优解X*。3)检验迭代终止条件。为了使算法具有一定的精确性和稳定性，这里选用两个终止准则式(5.5)和式(5.7)来进行判别，如果同时都满足，则迭代终止，X*即为所求；否则进否Powell方向图5.9优化主程序流程图5.4优化结果分析内弹道过程是一个复杂的多约束问题，各种因素对膛内过程有着相互矛盾的影响，并且其对目标函数的影响作用有大有小。因此有必要首先根据内弹道PowellPowell方向是模型，对各单个设计变量进行优化分析，从而得到其单变量最优值，确定出目标函数和设计变量之间的规律，为内弹道过程的总体优化提供优化初值和参考。这里采用了某口径低膛压火炮为例，对装药条件、传火性能以及挤进过程等进行了优化分析。初始方案：所有变量都采用国际单位制，a=1.05kg,e,=0.5mm,u,=1.86×10⁸m/(s-Pa'),k=1.0,z,=0.0,tm=0.2ms,fm=2.5内弹道问题中所指的装药条件通常包括装药量、火药形状(包括火药类型和弧厚等)、包覆药含量及燃速系数等，这些因素都取决于对火炮性能的要求及发射药的性质。博士学位论文高初速火炮新型点传火技术及装药优化研1)装药量优化装药量是决定一门武器威力的主要因素。随着近现代各种兵器和装备的发展，对火炮初速的要求越来越高，提高装药量是其中一条有效的途径；但装药量增加，最大膛压就会增大，同时有可能在膛内不能燃完，因此它必须受到火炮最大耐压以及发挥其最大效能的限制。这样就需要选择一个最优的装药量，以使炮口动能最大而又满足约束。约束条件其中pm的单位是MPae的单位mm,w的单位是kg。目标函数E(v)即为弹图5.11给出了以装药量为设计变量的优化后的压力行程曲线与原始方案的比较，图5.12则是速度随时间变化曲线的比较。从图中可以看出，在经过装药量优化之后，膛内压力行程曲线比初始装药方案要丰满，作功更多，因此1998年12月初速要高19.0m/s左右。装药量的增加使得膛内的最大压力逐渐接近最大压力的约束条件，同时使炮口速度达表5.2给出了该种装药结构条件下仅在装药量变化时膛内最大压力、炮口速度以及燃烧结束位置的变化关系。随着装药量的增大，最大压力和炮口速度都在不断增加，但当装药量超过最优值时，其膛内最大压力超过约束条件，不满足要求。图5.13是膛内最大压力和初速随装药量变化的规律该在一定范围内有作用。燃烧结束 2)火药弧厚的优化由内弹道方程组中的燃速方程可以知道，弧厚与燃烧量成反比关系。弧厚越厚，火药越难燃完，燃烧结束位置就越接近炮口，压力曲线就越平缓，最大膛压就小；弧厚越薄，火药燃烧越快，压力曲线陡峭，这反过来又增大了燃速，最大膛压就大。火药弧厚对最大膛压和燃烧结束位置的影响是相互矛盾的，它是装药过程中一个很重要的参量。弧厚变薄，燃烧结束位置远离炮口，最大压力增大，这时要考虑到最大膛压的约束。弧厚增大，最大压力降低，但燃烧结束位置趋近炮口，这时要考虑到燃烧完全的约束。因此就需要选择一个既能满足最大压力约束，又能满足燃烧完全性约束的最优弧厚。图5.14给出了在初始方案条件下，只对火药弧厚进行优化后所得到的压力行程曲线与初始方案的比较。从图中可以看出：在最优火药弧厚条件下，膛内压力在最大压力点后的下降比初始方案要迅速，从而形成了相交；这是因为最优火药弧厚小于初始方案，弧厚薄时，火药燃烧迅速，起始阶段压力上升较快，因此分裂较早；当火药分裂后，燃烧量下降，压力就下降较快；所以火药弧厚的大小反映了压力曲线的陡峭程度。图5.15给出的是最大膛压和初速随Va火药弧厚的变化曲线，可以看出弧厚对最大膛压和初速的影响规律基本相同，但影响大小不同。火药弧厚相对位置η表5.3具体给出了在火药弧厚改变时最大膛压、燃烧结束相对位置以及初相当；而当弧厚较小时，最大压力的变化量要明显地高于初速的变化量；例如，当弧厚为0.51mm左右时，每变化0.004mm,最大压力变化3.5MPa,初速相对有所变化；当弧厚为0.46mm左右时，每变化0.004mm,最大压力变化5.1MPa,而初速变化反而有所减少。因此大弧厚火药对于改善膛内最大压力是有利的。3)燃速系数的优化速。图5.16给出了仅对燃速进行优化后所得到的压力行程曲线与初始方案的后的压力行程曲线与初始方案相比几乎是成比例地增高；由于膛压的升高，燃气对弹丸作功增大，所以初速增加。表5.4给出的是在燃速变化时，最大膛压、初速及燃烧结束相对位置之间的关系。由表4可以知道，随着燃速系数的增加，最大膛压和初速都相应地增加。最大压力基本呈线性增加：初速则增加越来越少。在燃速系数为1.82×10图5.16压力行程曲线的比较8左右时，最大压力增加5.0MPa,初速有所增加；在燃速系数为2.02×10⁸左右时，最大压力增加5.7MPa,与小燃速系数时相比没有多大改变，而初速的增加量却减少。因此，火药的燃速系数应有一个合理的范围，在保证燃烧完全性的条件下，应该尽可能的选择低燃速的火药。燃烧结束炮口速度4)钝感系数及钝感层厚度的优化钝感药是在发射药表面一层渗透进钝感剂，改变药粒的燃速变化规律，从而用来控制燃气生成规律。钝感层由外向内属于一种扩散传播的规律，钝感剂由表层向内层逐渐减少。发射药的钝化程度决定了钝感层的厚度及其燃速变化情况。钝感层的厚度越厚，发射药的起始燃烧量就少，压力上升平缓，因此膛内最大压力就低，但这有可能使得火药不能在膛内燃完；钝感层厚度变薄，钝感层很快就会烧完，很有可能降低不了多少压力，只有当钝感层厚度适当时，才能使得既能达到降低最大压力的目的，又能在膛内燃烧结束。钝感系数则影响着钝感层由外向内燃速的变化情况，钝感系数越小，钝感层外层燃速越低，起始燃烧量就少，由外向内是一个燃烧加速的过程。火药起始阶段释放燃气的多少，对膛内最大压力的高低起决定性作用。在起始燃烧阶段释放的气体较多，必将使膛内压力上升较快，从而增大了燃速，这将有利于火药的燃烧完全性，但产生了较高的最大压力。钝感系数的减小和钝感层厚度的增大虽能够控制起始燃烧量的多少，但都将使燃烧结束点推迟，因此需要合理地选取钝感层的厚度及其钝感系数，使得其既能满足膛内燃烧完全，又能保证膛内的最大压力不超过约束。由于初始方案中最大膛压已低于约束值，因此对钝感系数和钝感层厚度的独立优化也就没有意义。减小火药的钝感系数，必然降低膛压，初速随之减小；当钝感系数最大时，即等于1,0,火药没有进行钝感处理，这