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中北大学学位论文3彻装甲目标的能力。762X51mmDCS水下枪弹设计指

归档日期:07-08       文本归类:北约标准弹      文章编辑:爱尚语录

  中北大学学位论文3彻装甲目标的能力。762X51mmDCS水下枪弹设计指标为 弹头质量14 2g 空气中初速660m 空气中有效杀伤距离为950m水下的有效射击距离20m。图1 2DCS双核超空泡水下枪弹图1 3DCS双核超空泡水下枪弹弹头特写水下枪械包括水下手枪和水下突击步枪 它们都有相同的特点

  中北大学学位论文3彻装甲目标的能力。762X51mmDCS水下枪弹设计指标为 弹头质量14 2g 空气中初速660m 空气中有效杀伤距离为950m水下的有效射击距离20m。图1 2DCS双核超空泡水下枪弹图1 3DCS双核超空泡水下枪弹弹头特写水下枪械包括水下手枪和水下突击步枪 它们都有相同的特点 即在水下或者空气中都可以使用 是枪械中名符其实的多面手 主要装备海军蛙人或两栖部队使用 用于执行水下渗透、爆破、侦查等特种作战。水下手枪大多都是非自动武器 主要包括英国6管“巴拉”手枪、德国HK公司的P11水下手枪、美国AAI公司的6管手枪、前苏联 5mm水下手枪等后期 苏联 俄罗斯又研制出APS5 66mm水下突击步枪 该枪是世界上第一种水下自动步枪。图1 5mm水下手枪如图1 是前苏联中央精密机械研究所研制设计的特种手枪主要配备蛙人部队或特种部队使用 用于射杀水下近距离目标 同时当蛙人部队登陆到岸上时 也可杀伤陆地近距离目标。该枪是一种体现多介质使用的枪械 即可单纯的在水下、空气中使用 也可以从水下向空中、空中向水下射击 体现了早期的一枪多能的特征 为了达到该目的 从枪到弹进行了专门的结构设计 其结构特点如下 5mm水下手枪被设计为发射箭形弹的4管手枪箭形弹安装在弹壳上 在设计上采用专门的弹夹将4发弹同时从枪管后面装入弹膛。扳机扣动中北大学学位论文4一次 只能将一发弹发射出去。全枪长244mm 质量950g 采用弹匣供弹方式 弹容量为4发 弹药区别于普通枪弹 为了使得该种弹在水下运动时被超空泡完全包裹 达到在较远距离上杀伤目标的作用 为此 该弹设计的十分细长 如图1 4所示 弹丸分为圆锥和圆柱部两部分 圆锥头部留有鼻锥 用于产生空泡 圆柱部较长 长径比很大 故名“箭形弹”。该箭形弹结构特征为 直径4 5mm 长115mm 全弹长145mm 全弹质量21g。该弹在陆地百米处的径向散布为150mm 水下射击精度依水深不同而有差异。图1 5APS水下突击步枪水下及陆上使用情况APS5 66mm水下突击步枪 如图1 西蒙诺夫设计研制主要装备俄罗斯黑海舰队PDSS水下特种部队 装备这种武器主要是为了满足防北约蛙人部队潜水侦查的需要。APS5 66mm水下突击步枪枪管采用滑膛 导气式自动机原理 活塞采用长行程 闭锁机构为机头回转式 开膛待机发设计 枪机框兼有击锤的击发功能 采用26发塑料弧形弹匣供弹 发射MPS5 66mm箭形弹 设计有伸缩式的枪托 准星照门式瞄准机构 可以单连发射击 此外还设有保险机构。APS5 66mm水下突击步枪战技指标如图1 6所示。图1 7所示为APS水下突击步枪使用的5 66mm水下枪弹 通过与图1 4比较可以看出 弹丸都采用类似的结构 均由锥部 含圆头平台 、较长的圆柱部组成 其最明显的不同出现在弹壳上。APS水下突击步枪发射MPS5 66mm水下枪弹 该弹全弹长度150mm 全弹总质量28g 由弹壳、发射药、弹头组成 为了使得弹头具有较好的存速效果 该弹头的质量设计的很大 达到了20 8g 占全弹质量的74 。在弹头部设计有一个直径15mm的圆台 用于水下运动时产生包裹全弹的超空泡 降低水下运动阻力。APS5 66mm水下突击步枪 秉承苏 俄式武器设计的一贯风格 具有苏式武中北大学学位论文5器的高可靠性、结构设计简单、零部件少、威力大、多介质可用等优点。但是该枪也有一些美中不足的地方 这也是苏式武器的通病 例如人机功效差、缺少刺刀挂件、后坐不到位容易导致供弹故障等 但这些并不妨碍其在水下武器设计中的标杆地位 为以后水下枪械的发展奠定了良好基础。图1 6APS性能指标图1 75 66mm水下枪弹及其弹尖特写苏 俄在超空泡的武器工程应用领域 另一个突出的表现是将其应用于鱼雷 开发出速度高达140节的“暴风雪”鱼雷。已有各种资料中关于它的介绍已十分详细 本文不做过多介绍。美国作为世界上的军事强国 在武器的各种应用领域自然不会落后 但在该原理的工程应用中 与俄罗斯人喜欢应用于重型鱼雷领域不同 美国人更喜欢基于超空泡原理的灭雷系统开发设计。水雷作为最早出现的海军武器 伴随着作战的发展已经成为一种廉价、高效的水中兵器 无论是进攻方还是防御方 水雷都是致胜的法宝。水雷可以封锁港口 对敌方实施经济战、封锁战 同时可以把敌方军舰困在港口内 使其不能活动 削弱敌方的战斗力 还可以在敌人可能出现的地方预先布雷 掩护己方实施进攻。由此可见 水雷是一种多面手 可以承担多种任务。随着科技的发展 水雷也向着智能化的方向发展 同时水雷的装药量中北大学学位论文6一般比较大 威力大 导致水雷对舰船的威胁越来越大 如何清除水雷成为各个国家面对的重要问题。在灭雷方面 美国人独树一帜 率先由美国雷锡恩公司设计完成了RAMICS系统 机载高效灭雷系统 如图1 8所示 的研制工作。美国海军“机载快速灭雷系统” RAMICS 是一种采用30mm小口径速射机关炮发射超空泡射弹灭雷的新概念装备。整个系统以MH 60S直升机为平台 使用机载雷达探测发现水雷、使用30mm火炮发射超空泡射弹清除目标水雷等。使用机载平台进行机动 采用前出方式或伴随方式为航母 两栖战斗群提供建制反水雷能力 具有快速、灵活的优点。图1 8美海军RAMICS系统示意图RAMICS系统由5个分系统组成 火炮、弹药、传感器、火控、辅助支援系统。火炮系统由成熟的MK44型自动炮改装而来 包括供弹装置、炮架、摇架、瞄准单元等 用于连续发射超空泡射弹。弹药系统主要使用超空泡射弹 射弹在结构上设计头部空化器 用于保证射入水中后形成稳定的超空泡。从图1 9中可以看出 30mm超空泡射弹由弹壳、发射药、弹芯、弹托组成 为了减小后勤保障压力 采用了北约统一的30mmX173mm弹壳。传感器系统由发射器、接收器、处理器等组成 被吊舱统一集成在直升机前部 自动完成搜索、识别、定位、数据处理等功能。火控系统主要是指火控计算机 用于完成火炮系统的瞄准射击动作。辅助支援系统用于密切配合各个系统完成作战任务。中北大学学位论文7图1 9RAMICS用超空泡尾翼稳定脱壳穿甲弹及其空泡生成情况2000年 美海军在试验中心进行了超空泡射弹的射击实验 共发射130发25mm、30mm口径的超空泡射弹 其中有70发命中水下目标 命中率达到54 这其中就包括击穿了水下6m深处的76mm均质钢板以及7 5m水深处的模拟锚雷。实验综合效果表明 30mm口径的射弹综合效果高于25mm。在以后的相关实验中 美海军便一直在RAMICS系统中采用30mm口径的弹药系统。2003年 美海军将整个火炮系统安装在MH 60S直升机上进行了飞行实验 在整个飞行实验过程中 验证了各个关键系统技术的可靠性。2004年 又进行了全系统集成演练 2007年小批量装备部队进行使用评估。图1 10美海军RAMICS海上试验平台及其弹药毁伤效果1 2国内外超空泡研究现状俄罗斯、乌克兰、德国是世界上早期开展超空泡原理与工程应用研究的国家 开展了许多卓有成效的超空泡基础试验与Fluent仿线m s的广阔区域 基本涵盖了鱼雷、射弹等的设计速度范围 总结得到了许多经验公式。在大量基础研究的基础上 俄罗斯开发出著名的暴风雪鱼雷 德国开发出梭鱼水下导弹。中北大学学位论文8美国的小口径射弹实验主要集中在纽波特海军水下战中心进行 该中心在大量基础研究的基础上进行了水下高亚音速射弹试验的开创性研究 得到了许多关键性的试验数据 在跨音速超空泡射弹试验中甚至捕捉到了弹前激波。图1 11为高速摄像捕捉到的射弹初速为1549m 03时、超空泡射弹在水中产生弹前激波的瞬间。图1 11超音速超空泡射弹试验物理水下射弹 还是鱼雷 在外形结构上都是轴对称体 近年来在该领域的数值仿真模拟方面 所有科学家趋于使用两种水动力数学模型 一是细长体理论模型 二是边界元法。使用这两种计算模型得到的仿真计算结果与理论分析和实验结果符合度很高 尤其对于空泡外形的仿真计算结果尤为精确。Varghese 等人在计算中使用的轴对称体模型实际上是对Chouh方法的扩展与补充使用Thwaites和Falkner SKan方法近似求解空化器的沾湿部分 为保证计算精度 除此之外还对粘性阻力系数进行了检验和修正。V Serebryakov 在细长体理论基础上简化基本控制方程以空泡数σ为特征 得到了一组微积分方程 在计算这些微分方程的基础上 分别研究了非可压状态下、超跨音速两种状态下的空泡流动 除此之外还考虑了气体可压缩性对超空泡状态的影响。Kirschner 及Fine基于速度势改造的边界元法对多种情况下的局部空泡流进行了非线性仿真。采用这种改进的边界元方法 使用Fluent进行某次仿真计算的迭代次数明显要比普通的边界元法达到计算收敛所需要的迭代次数少得多。特别是在求解翼型的局部空泡流中 使用这种改进的方法进行一次迭代求解所得的空泡轮廓图比使用其他方法得到的轮廓图更接近实际空泡轮廓。在国内开展空穴研究的单位、学校有西工大、上海交大、哈工大、哈工程、北理工、海军工程大学、705所、710所等。由张宇文教授领导的课题组在西工中北大学学位论文9大航海实验室从1996年起对空泡减阻机理进行了较为全面细致地研究 在其水洞实验室中对细长体空泡的发展、形成及流体力特性进行了对比实验研究。在试验研究基础上 其研究生还利用势流理论改进的面元法对轴对称体的空泡流场进行了数值模拟 上海交通大学何友声院士带领其科研团队研究了水翼对象的空泡问题 利用边界元法仿真模拟计算水翼超空泡流场 利用水洞实验对圆锥体的超空泡流动问题进行了实验 哈工程安伟光教授领导的研究生课题组及其科研团队主要在其学校配备的水下靶场中进行了长时间的水下高速试验 在试验数据基础上对航行体还进行了形体优化及可靠性分析 在国内来讲这还是相对领先的。总而言之 国内关于空泡绕流的问题无论在试验仿真还是在工程应用上还处于初始阶段。在理论研究方面 基于扰动速度图法推导了对称楔超空泡绕流的阻力系数计算公式。赵健 等通过对泡壁运动方程的理论推导对其精确度、适用范围进行了分析比较 在比较结果基础上提出了分析其他泡壁运动方程的新理论。在数值发展研究方面 高强、张宇文、陈伟政 10 在势流假设基础上 简化求解基本方程 仿真得到了空泡外形与σ及Dn之间的近似函数关系式 该式与经验公式在小空泡数条件下吻合良好 同时还给出了其相对误差。张鹏、傅慧萍 11 使用Fluet6 3混合模型 结合使用UDF 在考虑水的压缩性的条件下 对两种状态分别进行了水下超音速射弹的超空泡流场仿真。结果表明在超音速条件下 射弹阻力与水的压缩性有关 另外 模拟了射弹附近的温度分布 结果表明空泡运动会产生热量 最后使用Fluent不同版本进行相关对比模拟。金大桥、王聪、魏英杰 12 等研究了水下射弹的通气超空泡流场。实验结果表明形成超空泡时的通气率与空化数有关 对通气超空泡射弹的阻力特性、位移特性、速度特性进行了验证。谢正桐、何友声、朱世权 13 利用三分力天平与新设计的测力系统对细长体带攻角空泡进行了深入研究。对空泡起始位置、发展形态、空泡几何特征量和水动力进行了测量 对结果分析了其规律性。易文俊、王中原、熊天红、周卫平 14 利用Fluet6 2的混合多相流模型对水下射弹的阻力特性进行了仿真。在得到空泡形态的基础上 分析了众多因素对超空泡减阻性能的影响 计算得到其减阻率中北大学学位论文10在95 以上。1 3本文主要研究内容及重要意义超空泡武器系统效能的发挥在工程领域不仅取决于超空泡水下射弹的研究 而且还取决于水下炮 枪系统的研制 要想使得超空泡物理现象真正应用于实际作战还依赖于整个武器系统 枪、弹、火控系统等相应的工程设计和对现有武器系统的改造。在借鉴国外武器系统装备发展的基础上 结合我军目前海战装备及水下武器系统的作战对象 包括敌方的蛙人、蛙人运输器、水雷、鱼雷等有价值目标 而言 超空泡水下射弹应当选取小口径弹药 口径集中在20mm——30mm之间 目前在该口径范围内 考虑到弹药系统和后勤装备的情况 结合我军陆上使用的口径 有20mm、23mm、25mm、30mm四种通用口径 在威力及初速上折中选取30mm超空泡脱壳穿甲弹作为本文研究的水下射弹弹种。在武器口径已选择的基础上 借鉴美国RAMICS系统 机载高效灭雷系统 如图1 8所示 的火炮分系统是在成熟小口径炮改进而来的经验 本文计划也在成熟小口径炮的基础上、结合水下炮系统的作战环境 设计新的水下拖曳炮 配合较先进的火控系统 组成一整套作战武器。这是本文结构方面的主要内容。在仿真方面 基于均质平衡流理论 使用FLUENT软件 首先对空包弹排空身管内水的首发启动过程进行了仿真 从仿真的结果上验证设计思想的可靠性 其次 针对水下的战场环境 模拟了超空泡的形成过程 最后 针对对超空泡的多种不同影响因素 分门别类进行仿真以得到不同因素对超空泡形态特征量、减阻能力、射程的影响。21世纪作为海洋经济的时代 我国对海洋的开发、对海权的维护需要一个强大的海军作为坚强的后盾。我坚信 只要我们瞄准科技前沿、紧跟时代步伐 加上国内一大批孜孜不倦的学者 必使我国作为一个强大的海军出现在世界的面前。中北大学学位论文112FLUENT理论及数值模拟方法2 1FLUENT简介2 1FLUENT软件介绍及功能FLUENT是目前世界上市场占有率较高的商业CFD软件包之一最初由FLUENTInc 公司开发研究并投入市场运行 2006年被ANSYSInc 公司合并 目前随ANSYS软件的更新已经推出FLUENT14版本。使用FLUENT软件包分析问题一般要使用到3个分软件 前处理软件、FLUENT求解器、后处理软件。前处理软件主要负责建立模型以及网格划分 包括GAMBIT、TGrid、GeoMesh等 这些模型都具有强大的建模能力 另外各种前处理器还保留了与其他CAD、CAE软件的接口 这就大大丰富了对复杂模型的处理能力 求解器是一个计算黑箱 所有的分析计算都在此完成 后处理软件主要负责生成云图、流线图以及计算报告等 除FLUENT软件本身具备的强大后处理能力外 用户还可以使用Tecplot进行后处理。FLUENT软件包的几种分软件之间的关系如图2 1所示。图2 1FLUENT软件包的分软件之间的关系FLUENT软件可以使用多种网格划分方式 包括二维网格中的三角形、四边形网格和三维网格中的四面体、六面体以及混合网格。FLUENT软件可以求解二维和中北大学学位论文12三维问题 同时可以根据所求结果梯度的大小进行网格自适应。FLUENT软件应用范围非常广 包括 化学组分混合与反应包括燃烧以及表面凝结反应 10 使用Lagrangian轨道模型模拟稀疏相 11 一维风扇、热交换器问题 12 多相流问题 包括空穴流动 13 复杂表面形状下自由表面流问题。2 2FLUENT软件通用求解步骤FLUENT软件作为一款功能强大、界面十分友好的用户软件其基本求解问题的步骤如下 分析问题简化建模 在GAMBIT或其他专业软件中划分网格 msh文件导入FLUENT软件检查网格 选择二维2D 或三维 3D 求解器 如有必要可在单双精度之间切换 确定需要求解方程的个数能量方程、动量方程、质量守恒方程等 初始化全流场个别情况要打补丁 迭代求解10 保存 后处理。

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