CC BY
23
БАЛЛИСТИКА (ВНЕШНЯЯ, ВНУТРЕННЯЯ)
УДК 623.4
МНОГОКАМЕРНОЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕЧЕНИЯ ГАЗОПОРОХОВОЙ СМЕСИ
В РАБОЧИХ ЗОНАХ РГЧ
В. А. Дунаев, В.М. Казаков, В.И. Козлов, Е.П. Поляков, В.Ю. Сладков, В.М. Теплов
Разработано многокамерное экспериментальное устройство, имитирующее течение газопороховой смеси в характерных полостях разделяющихся боевых частей, позволяющее производить измерение давления и температуры продуктов сгорания порохового заряда. Приведены результаты расчетов процессов, протекающих в экспериментальном устройстве, с целью определения условий проведения экспериментов.
Ключевые слова: разделяющаяся боевая часть, дымный ружейный порох, термопара, внутрибаллистические характеристики.
Анализ конструктивных схем разделяющихся головных частей (РГЧ) показывает, что с точки зрения внутренней баллистики газовой динамики и теории тепломассообмена они могут быть представлены как ряд последовательно расположенных сообщающихся между собой полостей. Источником массы и энергии в РГЧ, как правило, является думный ружейный порох (ДРП) различного фракционного состава, имеющий в продуктах сгорания большое количество конденсированной фазы.
Для определения локальных параметров газа в таких системах используются математические модели различной сложности, в которых продукты сгорания ДРП рассматриваются как газообразная среда с внутренними источниками тепла и массы. Во всех этих моделях учитывается теплообмен продуктов сгорания с различными поверхностями РБЧ, определяющий тепловые нагрузки на элементы конструкции и исполнительные механизмы. При этом теплообмен описывается известными уравнениями теплопроводности, в которые входит коэффициент теплообмена, зависящий от множества различных факторов. Зависимости для определения ко-
3
эффициента теплообмена обычно являются критериальными, строятся на основе обработки экспериментальных данных и, как правило, имеют весьма ограниченную область применения. В рассматриваемом случае использование известных зависимостей осложняется наличием большого количества к-фазы в продуктах горения ДРП, существенно влияющих на процессы теплообмена.
Таким образом, получить корректные внутрибаллистические характеристики процессов в рабочих полостях РГЧ расчетными методами не всегда возможно. Поэтому единственным возможным способом получения достоверных данных по интенсивности тепломассопереноса и тепловых нагрузок в рабочих полостях РГЧ является эксперимент. При этом практически во всех конструкциях РГЧ можно выделить три характерных полости, в которых процесс теплообмена имеет свою специфику. Это рабочая полость основного источника теплоносителя, где располагается заряд взведения, проточный тракт по которому перемещаются продукты сгорания заряд взведения и межэлементные полости или отсеки.
Для определения интенсивности теплообмена в РГЧ было разработано многокамерное экспериментальное устройство (МЭУ) имитирующее течение газопороховой смеси в указанных характерных полостях (рис. 1). Устройство изготовлено на базе кассетной головной части и включает передний отсек с пороховым зарядом; макет боевого элемента; промежуточный отсек (проточный тракт), образованный внутренней поверхностью оболочки и наружной поверхностью макета боевого элемента; донный отсек, снабженный имитатором узла форсирования и сбросовым окном.
Экспериментальное устройство работает следующим образом. В переднем отсеке располагается пороховой заряд 7 из дымного пороха (КЗДП или ДРП), который задействуется электровоспламенителем. Требуемый уровень давления обеспечивается подбором массы навески пороха и открыванием шести расходных каналов 2 в крышке переднего отсека 1, за-глушенных пробками 3. Продукты сгорания заполняют передний отсек и по проточному тракту 10, образованному внутренней поверхностью оболочки 6, наружной поверхностью имитатора боевого элемента 12 и полукольцами 24, поступают в донный отсек 16. Накапливающиеся в донном объеме продукты сгорания, через воспламенительные каналы 19 в поршне 15 воспламеняют донный пороховой заряд 18. При достижении определенного давления срезается крышка 22 и продукты сгорания вытекают в атмосферу через сбросовое окно 21 дна 20.
Для регистрации давления и температуры пяти сечениях к оболочке приварены патрубки в которые ввинчиваются датчики давления 28 и температуры 25, 29. При этом в патрубке 25 устанавливается датчик температуры, имеющий спаренную термопару (ТП), а в патрубке 29 датчик температуры с одной термопарой. Места установки датчиков расположены в переднем отсеке (1 датчик давления и 2 датчика температуры), в
4
проточном тракте (3 датчика давления и 6 датчиков температуры) и в донном отсеке (1 датчик давления и 2 датчиков температуры). Такое расположение датчиков позволяет получить достоверную информацию о процессах протекающих в характерных объемах РБЧ, повысить точность определения тепловых нагрузок и температуры в рабочих полостях.
Рис. 1. Многокамерное экспериментальное устройство: 1 - крышка переднего отсека; 2 - канал резьбовой, 3 - пробка;
4 - полость накопительная; 5 - отсек передний; 6 - оболочка;
7 - заряд пороховой; 8 - орган исполнительный; 9 - отсек парашютный; 10 - канал периферийный; 11 - наполнитель;
12 - элемент боевой; 13 - отсек промежуточный;
14 - орган исполнительный; 15 - поршень;
16 - отсек донный; 17 - соединение резьбовое; 18 - заряд пороховой;
19 - каналы воспламенительные; 20 - дно; 21 - окно сбросовое;
22 - крышка; 23 - винты крепежные; 24 - полукольцо;
25 - термопара спаренная; 26 - основание; 27 - компенсатор объема;
28 - датчик давления; 29 - термопара одиночная
Для того чтобы определить условия проведения экспериментов, прежде всего массу заряда, следует рассчитать внутрибаллистические характеристики (ВБХ) рабочих процессов, протекающих в полостях экспериментального устройства. Расчеты проводились в термодинамической и двумерной газодинамической постановке.
5
При решении задачи в термодинамической постановке использовался разработанный и используемый на предприятии программно-методический комплекс «WnbaП-RGCH». Расчетная схема экспериментального устройства представлена на рис. 2.
Рис. 2. Расчетная схема экспериментального устройства
В качестве заряда использовалась навеска ДРП с температурой вспышки 460 К. Расчеты проводились при отсутствии заряда в донном объеме и закрытом сбросовом окне. Результаты расчетов при 50 = 54 = 0 и начальной температуре Тн = 323 К с учетом теплоотдачи приведены на рис. 3.
Рис. 3. Графики изменения давления и температуры в объеме Ж]
6
Из рис. 3 следует, что максимальное давление в переднем отсеке составляет ртах = 8,65 МПа, а максимальная температура Ттах = 2331 К. Характер кривых давления и температуры для других объемов экспериментального устройства практически аналогичен. В табл. 1 приведены расчетные значенияртах и Ттах при различных начальных температурах.
Таблица 1
ВБХМЭУ при различных начальных температурах
Объем Тн=323 К Тн=223 К ртах
ртах Т 1 тах ртах Т 1 тах Тн=323 К Тн=223 К
1 2 3 4 5 6 7
Ж! 8,45 2302 6,76 1829 8,60 6,12
Ж2 7,67 2032 6,11 1617 8,59 6,12
Жз 7,67 1967 6,11 1566 8,59 6,12
Ж4 7,67 1752 6,11 1396 8,45 6,12
В колонках 6, 7 даны результаты расчетов, проведенных по программному комплексу «МАТМЕХ», используемому на предприятии. Совпадение результатов расчетов по двум программным комплексам, следует признать удовлетворительным. Некоторое завышение максимального давления, полученное при расчетах по комплексу «МАТМЕХ» объясняется не учетом теплоотдачи граничным телам.
Для выбора условий проведения экспериментов, соответствующих условиям функционирования реальных РГЧ, были проведены расчеты процессов в экспериментальном устройстве при различных массах заряда результаты которых представлены в табл. 2. При этом учитывалось, что в донном объеме размещен дополнительный пороховой заряд.
Таблица 2
ВБХ МЭУ при Тн = 323 К
кг 0,2 0,175 0,14 0,1
Объем\ ртах Ттах ртах Ттах ртах Ттах ртах Ттах
4,89 1153 4,23 1150 3,66 1144 2,92 1130
4,23 1024 4,04 1007 3,46 963 2,91 921
Wз 4,16 985 4,02 955 3,0 940 1,66 933
4,04 1035 3,58 1037 3,0 1018 2,1 1018
Еще одними способом регулирования ВБХМЭУ является наличие 6 отверстий диаметром 10 мм в крышке переднего отсека, заглушенных болтами. Результаты расчетов внутрибаллистических характеристик МЭУ при открывании этих отверстий представлены в табл. 3.
7
Таблица 3
ВБХМЭУ при Тн = 223 К
\So103, \м2 0,786 1,572 2,358 3,144 3,93 4,716
Ртах Т 1 тах ртах Т тах ртах Т тах ртах Т 1 тах ртах Т 1 тах ртах Т 1 тах
Объем\
№1 3,58 1152 2,86 1154 2,27 1155 2,10 1156 2,10 1156 1,86 1156
3,45 972 2,84 957 2,21 942 1,75 927 1,37 909 0,98 323
Шв 2,87 943 1,47 933 1,47 933 1,47 933 1,47 933 1,47 933
Ш4 2,86 1019 2,10 1019 2,10 1019 2,10 1019 2,10 1019 2,10 1019
Из табл. 2, 3 следует, что путем подбора массы заряда в переднем объеме можно обеспечить требуемое значение давления во всех объемах МЭУ. Открытие сбросовых отверстий переднего объема в основном оказывает влияние на величину давления в первых двух полостях и практически не влияет на процессы в третьем и четвертом объемах.
Расчеты внутрикамерных процессов в МЭУ в газодинамической постановке проводились по программно-вычислительному комплексу Оаэ2, разработанному на кафедре «Ракетное вооружение» ТулГУ [1]. В качестве исходных данных использовались геометрические характеристики МЭУ и массы зарядов. Давление прорыва мембраны в сбросовом окне - 2,0 МПа. Расчетная схема представлена на рис. 4.
Рис. 4. Расчетная схема МЭУ
На рис. 5 - 7 представлена картина течения продуктов сгорания в различные моменты времени. Точками 1, 2, 3, 4 отмечены места, где определялись параметры потока, представленные на рисунках.
Рис. 5. Картина течения газа и к-фазы при I = 2,0 мс (см. также с. 9)
8
Рис. 5. Окончание
Приведенные результаты расчетов позволяют детально проанализировать процессы, протекающие в характерных объемах МЭУ. Приведем лишь некоторые выводы, в наибольшей степени, влияющие на процесс измерения температуры термопарным методом.
1. Сразу после воспламенения заряда переднего объема возникает волна сжатия, в центре которой, скорость газа достигает значительной величины (700.. .800 м/с). Вблизи стенок переднего объема в месте установки ТП скорость газа не велика (20.50 м/с) и конденсированные частицы практически отсутствуют. Следовательно, вероятность обрыва ТП мала. Температура газа по поперечному сечению объема изменяется весьма существенно от начальной температуры до 1120 К в ядре потока.
Рис. 6. Эпюры распределения параметров потока в проточном (периферийном) канале при / = 2,0 мс
2. При / = 2,0 мс передний объем заполняется продуктами сгорания заряда (рис. 5), давление и температура в нем выравниваются (1100 - 1200 К), ТП равномерно прогревается. Скорость течения по периферийному каналу изменяется от 500 до 300 м/с, а температура - от 1200 до 450 К (рис. 6). Следовательно, на ТП, расположенные в проточном тракте, газовый поток начинает оказываться существенное силовое воздействие. В донном объеме продукты сгорания отсутствуют.
Рис. 7. Картина течения газа и концентрации к-фазы при / = 20,0 мс
(см. также с. 11)
10
Рис. 7. Окончание
3. При X = 20,0 мс (рис. 7) давление в переднем объеме стабилизируется на максимальном уровне (4,4 МПа), скорость газа близка к нулю, температура по поперечному сечению меняется незначительно. На стенках переднего объема видны осевшие частицы ¿-фазы. В донном объеме температура распределяется достаточно равномерно. В объем отсека разделения за счет сгорания заряда давление повышается и часть продуктов сгорания вытекает в донный объем, а после срезания мембраны, происходит сброс газа в атмосферу.
На рис. 8 приведены результаты расчета давления, температуры и скорости потока во всех объемах многокамерного экспериментального устройства.
Полученные кривые достаточно хорошо совпадают с результатами расчетов по термодинамической модели и экспериментальными данными. Существенное отличие заключается в том, что кривые, приведенные на рис. 8, имеют волнообразный характер, что связано с волновыми процессами, протекающими в объемах, которые термодинамическая модель не учитывает.
Двумерная газодинамика <<3а*2>> D:\DDDDD\DWA\_PROGRAMMIR\C_BUILD\GAS2\DAN\2013\KOZLOV\GAS2\DAN\REAL3\400_SC .р(и — □ X
Файлы Расчет Результаты Парам етрь Вид Настройки Помощь
м ^ Гй" я ОЧ^ЧФО! и*]
Р V т Р ТГЪ Р СЗд К | Воздал -| С к \Лс Кк Кв10.004 м
Давление
Р.[Па] - 1 _ 3
4
1.5е+06
0 0.005 0.01 0.015 [[с]
Просмотр результатов | Время = 0.0194097с.. шаг = 1е-07с. I Л
Рис. 8. Изменение давления, температуры и скорости потока во времени
в объемахМЭУ (см. также с. 12)
& Двумерная газодинамика «Сж2э> [>\DDDDD\DWAVPROSRAMMIR\C_BUILD\GAS2\DA^J\2018\KOZLOV\GA52\DД^J\REALЗ\400_г0.PRJ — □ X
Файлы Расчет Результаты Параметры Вид Настройки Помощь
& Ш И I- ао ^ Г¥ Л ^ « & ^ ш Ч Ч ^ Ф О! Ш
Р V Гг" Р vt F Gg К | Воздух 3 Gk Vk Kk Ks 10.0032 м 3
Просмотр результат ре_| Время = Q.Q194097с.. шаг = 1 е-07 с.
Двумерная газодинамика <<Gas2>> D:\DDDDD\DWA\_PROGRAMMIR\C_BUILD\GAS2\DAN\2018\KOZLOV\GAS2\DAN\REALB\400_S0,PRJ — □ X Файлы Расчет Результаты Параметры Вид Настройки Помощь
& НА и U- 00 ^ Па JJ^I^ ^ [jS* Hi ч ^ ч Ф Of Р V т р Vt Г К | Воздух Ч Gk Vk Kk Ks 10.004 м
У[мЛз] Скорость 1 ^
. м
200 IW
/ ----
0 Просмотр результатов 0.005 0.01 0.015 t[c] В ремя = 0.01 Э40Э7с., шаг = 1 е-07с.
Рис. 8. Окончание
Таким образом, разработана конструкция многокамерного экспериментального устройства имитирующего течение газопороховой смеси в характерных полостях РГЧ и позволяющее провести измерение в них давления и температуры продуктов сгорания при различных условиях заряжания. Проведенные расчеты внутрикамерных процессов в МЭУ позволяют определить требуемые условия проведения экспериментальных исследований, идентичные функционированию реальных изделий.
Список литературы
1. Макаровец Н.А., Дунаев В.А., Каширкин А.А., Панасюк М.Ю., Поляков Е.П., Устинов Л.А. Разработка реактивных снарядов РСЗО на базе компьютерных технологий: монография / Н.А. Макаровец [и др.]. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. 210 с.
Дунаев Валерий Александрович, д-р техн. наук, профессор, dwa222@,mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Казаков Владимир Михайлович, начальник отделения, v.m.kazakovamail.ru, Россия, Тула, ОАО «НПО «Сплав» им. А.Н. Ганичева,
Козлов Валерий Иванович, начальник научно-исследовательского сектора, mailasplav.org, Россия, Тула, ОАО «НПО «Сплав» им. А.Н. Ганичева,
Поляков Евгений Павлович, д-р техн. наук, профессор, ms. ivtsaramhler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Сладков Валерий Юрьевич, д-р техн. наук, профессор, sladkovvainhox.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Теплов Владимир Михайлович, начальник сектора, maila splav.org, Россия, Тула, ОАО «НПО «Сплав» им. А.Н. Ганичева
MULTI-CAMERA EXPERIMENTAL DEVICE FOR THE STUDY OF FLOW GAS-POWDER MIXTURE IN THE WORKING AREAS OF SCU
V.A. Dunaev, V.M. Kazakov, V.I. Kozlov, E.P. Polyakov, V. U. Sladkov, V.M. Teplov
A multi-chamher experimental device simulating the flow of a gas-powder mixture in the characteristic cavities of the separating comhat units wasdeveloped, which makes it pos-sihle to measure the pressure and temperature of the comhustion products of the powder charge. The results of calculations of the processes occurring in the experimental device to determine the conditions of the experiments are presented.
Key words: separable comhat unit, smoky gunpowder, thermocouple, intra-hallistic characteristics.
Dunaev Valeriy Alexandrovich., doctor of technical sciences, professor, dwa222@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kazakov Vladimir Mikhailovich, head of Department, v. m. kazakovamail. ru, Russia, Tula, JSC «NPO «Splav» them. A.N. Ganicheva,
Kozlov Valery Ivanovich, head of the research sector, maila splav. org, Russia, Tula, JSC «NPO «Splav» them. A N. Ganicheva,
Polyakov Evgeny Pavlovich, doctor of engineering. Sciences, prof. ms. ivtsa ramhler.ru, Russia, Tula, Tula state University,
Sladkov Valeriy Yurievich, doctor of technical sciences, professor, sladkovvainhox.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Teplov Vladimir Mikhailovich, head of sector, maila splav. org, Russia, Tula, JSC «NPO «Splav» them. A.N. Ganicheva
