一种等离子体点火下混合装药内弹道特性参数的计算方法

1.本发明涉及电热化学发射技术，具体涉及考虑混合装药结构的等离子体点火下内弹道特性参数的计算方法。


背景技术：

2.电热化学发射技术是能源混合型发射技术，除含能材料提供部分能量，还有电能一起作用完成弹丸推进发射。发射装置中使用等离子体发生器取代常规装置进行点火，利用脉冲成型网络，输出强脉冲电流至毛细管两端电极，电极放电会加热管内工质，使工质电离产生高温、高压等离子体并以高速注入燃烧室，与火药燃烧生成的气体一起推进弹丸加速前进，使弹丸获得高初速，炮口动能比传统火炮提高15％～35％，并能够在现有火炮上实现低成本工程化改造。
3.现有电热化学发射的内弹道计算模型主要基于单一装药模式建立，主要模拟脉冲网络放电条件改变对内弹道性能产生的影响。文献《电热化学炮等离子体增强作用数值模拟》结合脉冲形成网络放电特点，将等离子体以源项的形式加入内弹道基本方程，建立了电热化学炮的工程实用内弹道计算模型，模拟出放电电压、电容改变对内弹道性能的影响，但并未研究装药结构变化带来的影响。
4.装药结构是在火炮整体结构较为固定时，提升武器威力，增加弹丸初速以及抑制射击有害现象的主要手段。通过调整装药结构，可以调节武器各种性能之间的矛盾，更好满足弹道综合性能的要求。文献《横切棒状和包覆粒状发射药混合装药定容燃烧性能》将9/19的横切棒状药和含有tio2的高分子阻燃物包覆的7/19粒状发射药以不同比例混合进行密闭爆发器实验，研究了混合比例对火药燃烧性能的影响，实验发现混合装药结构能够显著调整火药燃烧性能，调节膛内压力曲线，使得压力平台效应加强。
5.改变等离子体射流参数以及装药结构来改善火药燃烧及内弹道性能是提升电热化学炮威力的有效手段。从目前检索的技术资料中，尚未见电热化学发射技术中能够同时考虑混合装药结构以及等离子体增强作用的内弹道计算模型。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于解决现有电热化学发射内弹道模型中仅考虑单一装药结构的问题。
7.实现本发明目的的技术解决方案为：一种等离子体点火下混合装药内弹道特性参数的计算方法，包括如下步骤：
8.步骤1，确定脉冲电源输入电能计算模型；
9.步骤2，建立等离子体增强作用下火药燃速公式；
10.步骤3，建立两种火药混合下火药形状函数；
11.步骤4，建立弹丸运动方程及混合装药下电热化学发射内弹道方程；
12.步骤5，将输入电能代入电热化学发射内弹道方程，结合火药燃速公式及形状函数
进行时间推进求解，利用弹丸运动方程及电热化学发射内弹道方程最终得到弹丸出膛过程中的膛内压力及弹丸速度曲线。
13.进一步的，步骤1，根据脉冲电源放电能量和电能利用效率，确定脉冲电源输入电能，具体计算方法为：
14.e0＝e
tcpl
15.式中，e0为脉冲电源输入电能，e
t
为脉冲电源放电能量，c
pl
为电能利用效率；e
t
由放电电流及电压条件决定；c
pl
由密闭爆发器实验结果推得，具体为：
[0016][0017][0018]
式中，u(t)和i(t)分别为脉冲电源放电电压及电流，v0为密闭爆发器容积，pm为爆发器内最大压强，ω为装药量，α为余容，c1为热损失系数，f为火药力，k为燃气比热比。
[0019]
进一步的，步骤2，建立等离子体增强作用下火药燃速公式，具体方法为：
[0020][0021]
式中，u为火药燃速，e1为火药弧厚，z为火药相对已燃厚度，u1为燃速因子，n为指数因子，p为燃烧室内压力，βe为电功率增强因子，pe为输入发生器的电功率。
[0022]
进一步的，步骤3，计算两种火药混合下火药形状函数，具体方法为：
[0023]
火药形状函数：
[0024][0025]
式中，n为火药种类数，下角标n表示第n种火药的相关参数，为火药已燃占比，和wn即为第n种火药已燃占比和火药质量；使用多孔火药建模，进行相关计算时应考虑分裂点相关情况：
[0026][0027]
式中，zn为某瞬间第n种火药火药相对已燃厚度，z
kn
为第n种火药分裂后全部燃尽时的相对已燃厚度，χn、λn、μn为第n种火药分裂前火药药型参数，下角标s表示多孔火药分裂后相关参数，χ
sn
、λ
sn
即为第n种火药分裂后药型参数，zi、z
ki
分别由下式进行计算：
[0028][0029][0030]
式中，en为某瞬间第n种火药已燃厚度的一半，e
1n
为火药原始厚度的一半，rn为第n种多孔火药分列时截面内的当量内切圆半径，与火药的形状有关；
[0031]
火药药型参数分别由下式计算：
[0032][0033]
式中，2e1为火药原始厚度，2c表示火药宽度，2a表示火药长度。
[0034]
进一步的，步骤4，建立弹丸运动方程及混合装药下电热化学发射内弹道方程，具体方法为：
[0035]
弹丸运动方程：
[0036][0037][0038]
式中，v表示弹丸速度，l为炮管长度，p为弹底压力，为次要功系数，s为炮膛横截面积，m为弹丸质量；
[0039]
混合装药下电热化学发射内弹道方程：
[0040]
忽略等离子体射流的质量，将等离子体射流当作能量源项加入能量方程中，e0表示脉冲电源输入电能，电热化学发射内弹道基本方程表示为：
[0041][0042]
式中，n为火药种类数，表示药室自由容积缩径长，fn为第n种火药的火药力，wn为第n种火药质量，为第n种火药已燃比，θ为热力系数。
[0043]
进一步的，步骤5，将输入电能代入电热化学发射内弹道方程，结合火药燃速公式及形状函数进行时间推进求解，利用弹丸运动方程及电热化学发射内弹道方程最终得到弹丸出膛过程中的膛内压力及弹丸速度曲线，具体方法为：
[0044]
步骤51：常量确定
[0045]
结合实际发射模型，确定脉冲电源放电电压及电流，确定弹丸质量、炮膛截面积、药室容积、热力系数、次要功系数、弹丸启动压力、火炮身管长，确定所选火药颗粒弧厚、火药长度、火药宽度；
[0046]
步骤52：设置计算步长
[0047]
设置计算步长，将全弹道划分为100～200点；
[0048]
步骤53：初值计算
[0049]
v0＝0；
[0050]
[0051]
l0＝0；
[0052]
式中，下角标0为初始时各变量数值，v0和l0即为初始时弹丸速度及弹丸沿炮膛行程长，ψ0为初始时火药已燃占比，δ为火药装填密度，ρ
p
为火药密度，p0为膛内初始压力，常取为大气压力；
[0053]
步骤54：弹道循环计算
[0054]
将脉冲电源输入电能计算结果代入电热化学发射内弹道方程中，随着时间步长推进，结合火药燃速公式计算火药已燃厚度，结合火药燃速公式计算火药已燃占比，将计算结果代入弹丸运动方程及电热化学发射内弹道方程求解膛内压力及弹丸速度，最终输出弹丸出膛过程中的膛内压力及弹丸速度曲线。
[0055]
一种等离子体点火下混合装药内弹道特性参数的计算系统，基于所述的考虑混合装药结构和等离子体增强作用的内弹道计算方法，实现内弹道曲线的快速计算。
[0056]
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，基于所述的考虑混合装药结构和等离子体增强作用的内弹道计算方法，实现内弹道曲线的快速计算。
[0057]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，基于所述的考虑混合装药结构和等离子体增强作用的内弹道计算方法，实现内弹道曲线的快速计算。
[0058]
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)相对其他电热化学发射内弹道计算模型，本发明提供的计算方法考虑了混合装药结构对内弹道性能的影响，填补了现有模型空白；2)相对实验观测带来的局限性，本发明能够得到完整的弹道曲线及特征点压力及弹丸速度，更能全面分析电热化学发射内弹道过程的变化规律；3)通过设置火药的不同混合比例，能够得到各比例下的弹丸出膛速度，相对常规确定装药结构最佳混合比例的方法，本发明提供的技术方法能够在保证有效性和精度的条件下，快速得到最佳混合比例。
附图说明
[0059]
图1为本发明所选等离子体发生器电流与电压放电曲线。
[0060]
图2为30mm电热化学装置结构示意图。
[0061]
图3为单基管状火药与15/7粒状药在不同混合比例下压力图像。
[0062]
图4为单基管状火药与15/7粒状药在不同混合比例下速度图像。
具体实施方式
[0063]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0064]
本发明基于经典内弹道模型，引入了混合装药结构及等离子体增强作用的修正，建立了等离子体点火下混合装药内弹道特性参数的计算模型，能够快速有效计算内弹道特征点参数及弹道曲线变化规律，解决现有电热化学发射内弹道模型中仅考虑单一装药结构的问题。具体包括如下步骤：
[0065]
步骤1，确定脉冲电源放电参数。
[0066]
如图1，脉冲电源输入电能受到放电能量和电能利用效率的共同影响，可表示为：
[0067]
e0＝e
tcpl
[0068]
式中，e0为脉冲电源输入电能，e
t
为脉冲电源放电能量，c
pl
为电能利用效率；e
t
由放电电流及电压条件决定；c
pl
由密闭爆发器实验结果推得，具体为：
[0069][0070][0071]
式中，u(t)和i(t)分别为脉冲电源放电电压及电流，v0为密闭爆发器容积，pm为爆发器内最大压强，ω为装药量，α为余容，c1为热损失系数，f为火药力，k为燃气比热比。
[0072]
步骤2，建立等离子体增强作用下火药燃速公式。
[0073]
在常规火药燃速公式基础上引入电功率燃速增强因子βe，等离子体作用下的火药燃速可表示为：
[0074][0075]
式中，u为火药燃速，e1为火药弧厚，z为火药相对已燃厚度，u1为燃速因子，n为指数因子，p为燃烧室内压力，βe为电功率增强因子，pe为输入发生器的电功率。
[0076]
步骤3，确定两种火药的形状函数；
[0077]
火药形状函数：
[0078][0079]
式中，n为火药种类数，下角标n表示第n种火药的相关参数，为火药已燃占比，和wn即为第n种火药已燃占比和火药质量；使用多孔火药建模，进行相关计算时应考虑分裂点相关情况：
[0080][0081]
式中，zn为某瞬间第n种火药火药相对已燃厚度，z
kn
为第n种火药分裂后全部燃尽时的相对已燃厚度，χn、λn、μn为第n种火药分裂前火药药型参数，下角标s表示多孔火药分裂后相关参数，χ
sn
、λ
sn
即为第n种火药分裂后药型参数，zi、z
ki
分别由下式进行计算：
[0082][0083][0084]
式中，en为某瞬间第n种火药已燃厚度的一半，e
1n
为火药原始厚度的一半，rn为第n种多孔火药分列时截面内的当量内切圆半径，与火药的形状有关。
[0085]
火药药型参数分别由下式计算：
[0086][0087]
其中
[0088]
式中，2e1为火药原始厚度，2c表示火药宽度，2a表示火药长度。
[0089]
选取单基管状火药及15/7粒状药，其药型参数如下
[0090]
表1药型参数表
[0091]
参数单基管状药粒状药药型参数χi10.7164药型参数λi00.2246药型参数μi0-0.0269药型参数χ
si
11.7616药型参数λ
si
0-0.4323
[0092]
步骤4，建立弹丸运动方程及电热化学发射内弹道方程；
[0093]
弹丸运动方程：
[0094][0095][0096]
式中，v表示弹丸速度，l为炮管长度，p为弹底压力，为次要功系数，s为炮膛横截面积，m为弹丸质量。
[0097]
混合装药下电热化学发射内弹道方程：
[0098]
忽略等离子体射流的质量，将等离子体射流当作能量源项加入能量方程中，e0表示脉冲电源输入电能，电热化学发射内弹道基本方程表示为：
[0099][0100]
式中，n为火药种类数，表示药室自由容积缩径长，fn为第n种火药的火药力，wn为第n种火药质量，为第n种火药已燃比，θ为热力系数。
[0101]
步骤5，将输入电能代入电热化学发射内弹道方程，结合火药燃速公式及形状函数进行时间推进求解，利用弹丸运动方程及电热化学发射内弹道方程最终得到弹丸出膛过程中的膛内压力及弹丸速度曲线；
[0102]
步骤51：常量确定
[0103]
结合实际发射模型，确定脉冲电源放电电压及电流，确定弹丸质量、炮膛截面积、药室容积、热力系数、次要功系数、弹丸启动压力、火炮身管长，确定所选火药颗粒弧厚、火
药长度、火药宽度等参数。
[0104]
如图2，30mm口径电热化学发射装置结构如图，火炮身管长2.75m，药室容积356ml，弹丸启动压力为30mpa，弹丸质量为68.6g。
[0105]
步骤52：设置计算步长
[0106]
通常情况下，将全弹道划分为100～200点即可满足计算要求。
[0107]
步骤53：初值计算
[0108]
v0＝0；
[0109][0110]
l0＝0；
[0111]
式中，下角标0为初始时各变量数值，v0和l0即为初始时弹丸速度及弹丸沿炮膛行程长，ψ0为初始时火药已燃占比，δ为火药装填密度，ρ
p
为火药密度，p0为膛内初始压力，常取为大气压力。
[0112]
步骤54：弹道循环计算
[0113]
将脉冲电源输入电能计算结果代入电热化学发射内弹道方程中，随着时间步长推进，结合火药燃速公式计算火药已燃厚度，结合火药燃速公式计算火药已燃占比，将计算结果代入弹丸运动方程及电热化学发射内弹道方程求解膛内压力及弹丸速度，最终输出弹丸出膛过程中的膛内压力及弹丸速度曲线。
[0114]
如图3、图4，在30mm电热化学发射装置中，考虑单基管状药与15/7粒状药以不同比例混合时，弹丸初速随着混合15/7粒状药比例的增加，呈现先增加后减小的趋势，15％的混合比例能够使得弹丸具有最大的出膛速度。
[0115]
本发明还提出一种等离子体点火下混合装药内弹道特性参数的计算系统，基于所述的考虑混合装药结构和等离子体增强作用的内弹道计算方法，实现内弹道特征点参数和弹道曲线的快速计算。
[0116]
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，基于所述的考虑混合装药结构和等离子体增强作用的内弹道计算方法，实现内弹道特征点参数和弹道曲线的快速计算。
[0117]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，基于所述的考虑混合装药结构和等离子体增强作用的内弹道计算方法，实现内弹道特征点参数和弹道曲线的快速计算。
[0118]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0119]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。