弹尾弹射装置间隙密封的火药气体动力学

马慧明; 张亚; 李世中

doi:10.11883/1001-1455(2017)05-0976-07

弹尾弹射装置间隙密封的火药气体动力学

doi: 10.11883/1001-1455(2017)05-0976-07

马慧明^{1, 2},
张亚^1, ,,
李世中¹

1.
中北大学机电工程学院，山西太原 030051
2.
中北大学信息与通信工程学院，山西太原 030051

详细信息

作者简介:
马慧明(1978—)，男，博士研究生，讲师

通讯作者:
张亚，zhangya@nuc.edu.cn

中图分类号: O382;TJ430.6⁺6
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出版历程
- 收稿日期: 2016-06-14
- 修回日期: 2016-10-26
- 刊出日期: 2017-09-25

Gas dynamics of gunpowder for clearance seal of ejection device in projectile base

Ma Huiming^{1, 2},
Zhang Ya^{1
, ,},
Li Shizhong¹

1.
School of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China
2.
School of Information and Communication Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China

摘要

摘要: 针对弹尾开孔安装用于侵彻数据回收的弹射装置后，存在的弹射间隙会使弹体内的测试装置受到火药气体侵蚀破坏的问题，设计了间隙密封结构，对流经间隙的火药气体进行了气体动力学的建模分析，并对密封结构进行了膛压和密封空腔压强测试。结果表明：火药燃烧产生的气体为可压缩性气体，在药室和收缩的间隙通道中为亚声速流动状态，而在扩张的密封空腔中为超声速流动状态；在弹底火药气体温度为2 166.5 K、密度为360 kg/m³、压强为242.9 MPa的条件下，经过密封装置的密封后，密封空腔内的残余气体压强为0.49 MPa。试验所得密封空腔内的最大压强为0.18 MPa，与模型计算结果基本吻合。
- 弹尾 /
- 火药气体 /
- 气流参数 /
- 气体动力学 /
- 间隙密封 /
- 迷宫密封 /
- 密封圈
Abstract: The present study addresses the potential damage that might be suffered by the test device of a projectile body as a result of the gun powder gas coming from the clearance opened in the projection base for installing an ejection device for the recovery of the penetration data. A seal structure of the clearance was designed and a model was built for analyzing the dynamical state of the gunpowder gas flowing in the clearance. The chamber pressure and the seal cavity pressure of the seal structure were tested by experiment. The results show that the gas in the gunpowder combustion was a compressible gas, flowing in a subsonic condition in the powder chamber and the contracting clearance channel, but in a supersonic condition in the expansion seal cavity. When the gunpowder gas in the projection base was sealed by the seal structure and kept at a temperature of 2 166.5 K, a density of 360 kg/m³ and a pressure of 242.9 MPa, the pressure for the residual gas in the seal cavity was 0.49 MPa. The maximum pressure of the test curve in the seal cavity pressure was 0.18 MPa, fairly consistent with the theoretical results. These results can serve as reference for fabricating the seal of the high temperature and high pressure gunpowder gas in the projection base.
- projection base /
- gunpowder gas /
- flow parameter /
- gas dynamics /
- clearance seal /
- labyrinth seal /
- seal ring

HTML全文

人体内肺、脑等组织和器官中含有较多空腔与气、液，是爆炸冲击波重要的致伤靶器官，可导致肺损伤和创伤性脑损伤(traumatic brain injury，TBI)。典型的爆炸冲击波作用时间为2～10 ms，超压峰值在10~500 kPa之间，波的频率分布范围为10～1000 Hz，其特点是频段宽、作用时间短，压力骤然升高，可造成周围材料的剧烈破坏。爆炸冲击波具有无孔不入的特点，即使穿戴头盔，也会因头盔不能有效抵御、减缓冲击波，盔内出现冲击波反射叠加，而导致士兵受到颅脑爆炸伤的威胁。

颅脑爆震伤已成为“现代战争的标签损伤”。根据美国TBI中心（TBICoE）的最新报告，从2000年到2020年，有超过43万的美国军人被诊断为颅脑爆震伤，它是造成士兵死亡的重要原因之一。针对退伍军人的流行病学研究显示，颅脑爆震伤是导致创伤后应激障碍（post-traumatic stress disorders，PTSD）发生的主要原因，显著影响幸存者的认知行为和身心健康，而其带来的药物滥用、暴力伤人、焦虑、失忆、暴躁、抑郁、帕金森、自杀等社会问题，已经引起全球范围的广泛关注。此外，国内发生的重大爆炸事故也导致幸存者和消防人员患有PTSD等典型的颅脑爆震伤后遗症，严重威胁了民众的生命健康安全。因此，研究颅脑爆震伤在军事和民事领域都具有重要意义。

理论与实验研究表明：对中、重度超压冲击波生物致伤以防为主。目前，对肺部爆炸冲击伤机理和伤情评估研究得比较充分，从肺部出血点的面积建立定量的评分标准。然而，颅脑爆震伤是涉及跨空间和时间尺度的复杂科学问题：从空间尺度，涉及到爆炸场景的米量级、头部和大脑的厘米量级、神经细胞的微米量级和蛋白质分子等生物标记物的纳米量级；从时间尺度，涉及到爆炸波产生的微秒量级和脑生物力学响应的毫秒量级，以及神经元继发性损伤和修复的分钟/小时/日/周量级。同时，颅脑爆震伤还涉及脑细胞、轴突、轴索组织的极软材料损伤断裂行为，以及多层级颅骨衰减和耗散冲击波的力学性能等。研究问题的瓶颈是冲击波-装备-人体作用规律复杂，缺少有效的评估方法和测试技术；超压峰值低，现有防弹材料的耗能机制难以发挥作用；均质材料的装备难以有效衰减和耗散宽波长冲击波能量。因此，亟需开展冲击动力学、军事医学和装备防护学的多学科交叉研究，解决爆炸冲击波颅脑致伤机制与防护的关键科学技术问题。

本期专刊共刊载3篇综述和11篇研究论文，内容涉及冲击动力学理论和数值仿真模型、外场实爆动物致伤试验、激波管模拟爆炸动物致伤试验、模拟假人爆炸试验、防护装备验证试验、军事医学的相关生物试验、病理学和行为学研究，以及临床诊治方案等，汇集了近5年国内爆炸冲击伤的部分研究成果。

清华大学庄茁教授　空军军医大学费舟教授

图 1 间隙密封结构

Figure 1. Clearance seal structure

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图 2 理论计算的各通道压强曲线

Figure 2. Theoretical pressure in all passages

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图 3 设置密封圈后的通道压强曲线

Figure 3. Pressure in partial passage after setting seal rings

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图 4 密封试验装置

Figure 4. Seal device for test

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图 5 试验装置结构示意

Figure 5. Sketch map of test device

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图 6 膛压和密封空腔压强测试曲线

Figure 6. Test curves of chamber pressure and seal cavity pressure

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