0 引言
尾翼稳定脱壳穿甲弹(APFSDS)作为现代战场上用来对付装甲目标的主要作战手段之一,其具有高初速、高硬度、高动能、高毁伤等优点。APFSDS主要由弹体和弹托组成,弹托由卡瓣组成,弹体直径远小于身管口径,穿甲弹在膛内的运动通过弹托来保证。在出炮口后,卡瓣受气动力和重力作用与弹体分离,卡瓣分离引起的弹体周围流场发生剧烈变化会导致弹体气动力的改变,从而影响穿甲弹的作战性能。因此,深入研究APFSDS脱壳机理,优化其脱壳过程对保障APFSDS作战效能具有重要意义。
目前,国内外学者对于APFSDS的动态脱壳动力学已经开展了一系列研究,在理论研究、实验研究和数值模拟方面均取得了一定成果。Schmidtt[1]采用分流板技术的风洞试验,对APFSDS在4.5Ma来流下的流场结构进行捕捉,揭示了分离流场中激波之间的交汇以及激波与弹体之间的相互作用规律。Cayza等[2]基于固定笛卡尔结构网格块的网格自适应方法并结合弹道学理论,对44 mm APFSDS的发射过程进行了模拟,获得了弹托在火药燃气作用下分离的初步结果,实验结果吻合的较好。Takeuchi等[3]采用从重叠网格技术并结合三阶MUSCL的高精度迎风格式对APFSDS在弹道靶道中的的发射和弹托分离过程进行了二维数值模拟,分析了该过程中弹体的加速、气体泄露以及弹托分离过程。李鸿治等[4]利用IB-12中间弹道靶道对近炮口区域脱壳穿甲弹的脱壳过程进行了测量,获得了近炮口处更详细的脱壳流场。钱吉胜等[5]研究了超声速脱壳穿甲弹二维流场,对卡瓣和弹体成不同角度时弹丸周围的流场进行分析比较。黄贵振等[6-7]基于动网格技术耦合流体力学计算方程和六自由度外弹道方程研究了起始扰动、攻角以及膛口射流对弹托分离过程的影响。曹红松等[8]研究了电磁发射超高速穿甲弹的脱壳过程,详细分析了在超高速条件下脱壳过程的流场特性,并研究了不同马赫数对弹托运动轨迹以及弹体气动系数的影响。李侃伟等[9]基于穿甲弹起始扰动理论并结合CFD计算方法,研究穿甲弹在后效期的脱壳过程。
但是,目前国内外关于APFSDS卡瓣数量对脱壳过程影响的相关研究报道较少。本文中基于fluent流体力学计算软件,使用6dof动网格技术,建立APFSDS弹托分离流场的三维数值仿真模型,对不同卡瓣数量下的脱壳过程进行了数值模拟,详细分析了弹托分离过程中激波之间、激波与弹体之间的相互作用特性以及弹托与弹体之间气流的流动规律,得到了不同弹托工况下卡瓣分离轨迹以及分离过程中弹体、弹托气动系数变化曲线,研究能够为穿甲弹弹托相关设计提供重要参考。
1 物理模型和数值计算
1.1 物理模型和基本假设
本文中研究的APFSDS物理模型如图1所示。由于APFSDS实际发射过程和脱壳分离过程受到诸多因数影响,十分复杂,考虑到计算资源和计算方法,做出以下假设:
图1 脱壳穿甲弹物理模型
Fig.1 Physical model of APFSDS
1) 忽略穿甲弹出炮口瞬间,弹托卡瓣之间的断裂过程,将其简化成弹托卡瓣与弹体之间的初始间隙;
2) 忽略后效期火药燃气对弹托分离过程的影响;
3) 忽略弹体与弹托表面的螺纹,处理成光滑表面;
4) 弹托分离流场中复杂的湍流流动用k-ω SST模型描述。
1.2 计算模型和网格划分
APFSDS弹托分离流场计算域模型如图2所示。其中,弹体直径为d,弹体长度为l,卡瓣内壁面与弹体的最大径向长度为0.2d,卡瓣前端距离弹体0.17d,卡瓣尾端距离弹体0.2d。取计算域为半径36.36d,长1.92l的圆柱体,弹体顶部距离圆柱顶面的距离为0.18l,弹体底部距离圆柱底面的距离为0.77l。本文中共研究了3种弹托工况,3种弹托卡瓣的截面形状完全一致,弹托种类分别为2卡瓣弹托、3卡瓣弹托和4卡瓣弹托。
图2 计算模型示意图
Fig.2 Schematic diagram of the calculation model
图3为APFSDS弹托分流流场网格模型示意图,计算域网格采用非结构四面体网格划分,为更加细致准确的描述穿甲弹弹托分离流场,对穿甲弹周围网格加密,如图3(a)、(b)所示,同时为保证弹托和弹体气动力的计算,在弹体和弹托表面画5层边界层网格如图3(c)所示,计算域网格共900万左右。
图3 网格模型示意图
Fig.3 Schematic diagram of the mesh model
1.3 边界条件
计算域外边界设为压力远场边界,来流速度4Ma,攻角为0,压力为一个大气压;弹托表面和弹体表面使用壁面边界,弹托壁面设置6DOF动网格运动,弹托壁面边界层设置为跟随弹托壁面运动,相关参数通过UDF写入。同时,分别赋予弹托卡瓣沿弹体径向20 m/s初速。
2 仿真结果与分析
2.1 不同时刻分离流场分析
以工况2为例,对在4Ma来流下的弹脱分离流场进行仿真计算,根据弹托分离过程中流场结构特点,将弹托分离过程分为初始分离阶段、中间分离阶段、弱耦合阶段和自由飞行阶段,初始分离阶段压力云图如图4所示。
图4 初始分离阶段压力云图
Fig.4 Initial discarding process pressure cloud
在初始分离阶段,弹体前端形成斜激波,同时弹托卡瓣前腔中汇聚气流形成脱体激波,脱体激波给予卡瓣一个翻转力矩,卡瓣在气动力和重力的作用下开始逐渐张开,脱体激波与弹体表面碰撞形成反射激波。同时,原本在卡瓣前腔的回旋气流部分进入卡瓣与弹体之间缝隙,如图5所示,随着卡瓣的翻转运动,卡瓣前端的回旋气流减弱,更多的气流经过卡瓣与弹体之间的间隙,此时在弹体前半端表面和卡瓣前半段内表面逐渐出现高压区。在该阶段卡瓣在气动力作用下主要做翻转运动。
图5 初始分离阶段流线图
Fig.5 Initial discarding process streamline
图6、图7分别描述了中间分离阶段不同时刻压力云图和流线图。从图6(a)、图6(b)可以看到,卡瓣前端的脱体激波与弹体碰撞并在弹体与卡瓣之间形成反射激波,此刻弹体表面压力分布极不均匀。如图6(c)、图6(d)所示,随着卡瓣的翻转,卡瓣前端与弹体间距增大,脱体激波与弹体的碰撞减弱,脱体激波部分逐渐转变成卡瓣内侧的斜激波,卡瓣的翻转运动加剧,在该阶段卡瓣尾部与弹体之间的间距存在逐渐减小的一个过程。从图7可以看到中间分离阶段弹托和弹体之间流速变化规律。如图7(c)所示,可以清楚看到在弹体与卡瓣尾部,由于间隙较小,气流被堵塞,从图6(c)可看到在此区域形成高压区,卡瓣的尾端被气流推动远离弹体,从图6(d)、图7(d)可以看到,此刻的气流堵塞现象减弱,弹体弹托尾部压强新减小,同时,大量激波作用到弹体位移处,会导致弹体气动力出现剧烈变化。在该阶段,弹体周围流场变化剧烈,并且卡瓣与弹体之间可能产生机械碰撞。
图6 中间分离阶段压力云图
Fig.6 Intermediate discarding process pressure cloud
图7 中间分离阶段流线图
Fig.7 Streamline diagram of Intermediate discarding process
图8为弱耦分离阶段和自由飞行阶段压力云图,在弱耦合阶段,卡瓣与弹体之间的距离逐渐增大,来流很顺利通过弹体与卡瓣之间,并随着卡瓣翻转,卡瓣的内表面逐渐成为了迎风面,卡瓣阻力增大,卡瓣产生的激波与弹体尾部激波交汇,如图8(a)所示,弹体尾端出现瞬间高压。此阶段,弹体受到的气动力较为稳定。如图8(b)、图8(c)所示,随着弹体与卡瓣之间距离进一步增大,卡瓣与卡瓣之间,卡瓣与弹体之间均不会出现相互干扰,弹体进入自由飞行阶段。
图8 弱耦合分离阶段和自由飞行阶段压力云图
Fig.8 Pressure clouds ofthe weakly coupled discarding process and the free-flight process
2.2 卡瓣数量对分离姿态的影响
为研究APFSDS弹脱卡瓣数量对分离过程的影响,对2卡瓣弹托、3卡瓣弹托和4卡瓣弹托共3种弹托工况下的弹托分离流场进行分析计算。由图9、图10可知,对工况2、3个卡瓣在其气动力和重力作用下的径向位移和轴向位移距离基本一致,只有微小差距,说明在分离过程中气动力占主导地位,在该时间段内重力对分离过程的影响较小,不同卡瓣的分离姿态沿着弹体周向具有高度对称性,因此本文只对每种工况中的其中1个卡瓣的分离规律进行分析。
图9 工况2:卡瓣相对弹体径向位移
Fig.9 Case 2:Radial displacements of gravity centers of sabots
图10 工况2:卡瓣相对弹体轴向位移
Fig.10 Case 2:Axial displacements of gravity centers of sabots
图11分别为不同时刻卡瓣的分离轨迹,从图11中可以看出,卡瓣的分离轨迹规律基本一致,并且弹托卡瓣数量越多,卡瓣分离过程时间就越短。图12为通过实验识别和图像处理得到的3卡瓣弹托分离图[10],可以看到其与图11仿真结果基本一致,也说明了本文中采用的仿真方法的正确性。
图11 卡瓣分离轨迹
Fig.11 Discarding processes of sabots
图12 实验得到的弹托分离图
Fig.12 Sabot discarding trajectory obtained by dealing with the experimental figures
图13、图14分别描述了不同工况下卡瓣质心沿弹体径向位移和轴向位移随时间变化曲线。
图13 卡瓣相对弹体径向位移
Fig.13 Radial displacements of gravity centers of sabots
图14 卡瓣相对弹体轴向位移
Fig.14 Axial displacements of gravity centers of sabots
从图13中可以看到,在分离初始阶段,3种工况的卡瓣质心运动相近,在径向上开始缓慢远离弹体,在轴向上运动位移很小。在1 ms之后,3种工况下的卡瓣沿弹体径向距离基本相等,当进入中间分离阶段后,由于卡瓣质量、转动惯量以及受到的气动力均不一样,随着弹托卡瓣数量的增加,卡瓣距离弹体的径向位移越大。
从图14中可以看到,卡瓣沿弹体轴向运动位移变化梯度随时间变化增大,说明卡瓣在分离阶段相对弹体向后做加速运动,随着弹托卡瓣数量的增加,卡瓣距离弹体的轴向位移越大。
图15描述了卡瓣阻力系数随时间变化曲线。
图15 卡瓣阻力系数变化曲线
Fig.15 Sabot drag coefficient change curve
从图15中可以看到,3种工况下卡瓣的阻力系数曲线变化基本一致,以工况2阻力系数变化来说明,在0.25 ms左右,阻力系数快速下降,这是由于随着卡瓣开始做翻转运动,本来位于卡瓣前端的漩涡气流部分开始流入卡瓣与弹体之间间隙,作用与卡瓣前端的脱体激波强度减弱,导致压力快速减少,引起阻力系数减少。在0.25～0.65 ms之间,脱体激波与弹体碰撞形成的反射激波重新作用到卡瓣内壁面,产生弹体轴向分力,阻力系数又开始快速增大,并在0.75～1.5 ms之间保持相对稳定。随着卡瓣继续翻转,卡瓣迎风受力面越来越大,阻力系数也持续增大。在4 ms之后,卡瓣的翻转超过90°,卡瓣迎风面积开始减小,卡瓣阻力系数也开始减小。
2.3 卡瓣数量对弹体气动系数影响
脱壳穿甲弹弹体的飞行稳定性和射击精度,受整个脱壳过程的影响。在弹托脱壳过程中,弹托卡瓣的运动会导致弹体周围流场剧烈变化,从而影响穿甲弹的作战性能。图16不同卡瓣数量弹托脱壳过程中弹体气动力和气动力系数变化曲线,从总体上看,弹托卡瓣数量越多,弹体气动力系数和气动力矩系数波动越小,弹托分离过程时间越短,3种工况分离结束时间分别为5、4.2、3.8 ms左右。3种工况下,弹体的阻力系数变化规律一致,在0～0.5 ms之间,由于卡瓣翻转运动,导致卡瓣前端与弹头斜激波的作用快速减弱,让弹头斜激波对弹体施加一个瞬时冲力,出现阻力系数瞬间增大;在0.5～3 ms之间,分离过程产生的激波主要作用于弹体中间位置,对弹体阻力影响较小,因此该段时间内弹体的阻力系数变化比较平稳;而在3～5 ms之间出现的弹体阻力系数下降,是由于在弱耦合阶段,弹托卡瓣运动至弹体尾部,卡瓣产生的斜激波与弹体尾部激波交汇,在弹体尾部高压区产生沿弹体轴向的正向力来平衡弹体顶部斜激波产生的阻力,使得该段时间内弹体阻力系数快速下降。弹体升力系数、侧向力系数、滚转力系数、偏航力矩系数以及仰俯力矩系数受到分离过程中卡瓣姿态影响,在整个过程中存在明显波动变化。
图16 弹体气动力随时间变化曲线
Fig.16 Aerodynamic coefficients of projectile vs.time
为更好描述整个脱壳过程对弹体的影响,通过定义气动力冲量系数来描述脱壳过程对弹体产生的额外作用力和力矩,某一方向的冲量系数越大,说明在脱壳过程弹体在该方向受到的扰动越大。冲量系数定义如下式所示:
Ii=
(Ci-C0i)dt, i=1,2,3,4,5,6
(1)
式(1)中:C1、C2、C3、C4、C5、C6分别为弹体阻力系数、升力系数、侧向力系数、滚转力矩系数、偏航力矩系数以及仰俯力矩系数;T为弹托分离时间;Ii为相应的冲量系数;C0i分别为弹体稳定状态下的气动力和力矩系数。
图17描述了不同工况下弹体冲量系数直方图。从图17中可以看到,阻力冲量系数为负数,说明弹托分离时产生的流场能够减少弹体在该阶段飞行时的阻力。对于3种工况的侧向力冲量系数、滚转力矩冲量系数、偏航力矩冲量系数以及仰俯力矩冲量系数的大小均是工况1最大,工况2和工况3相近,说明工况1方案下脱壳过程对这4个方向上的扰动最大。工况2的升力冲量系数为-0.45,说明工况2方案下脱壳过程会降低弹体的升力,在该方向对弹体产生不利影响。综合考虑,采用工况3方案时,脱壳过程对穿甲弹的扰动最小。
图17 不同工况冲量系数
Fig.17 Impulse coefficients for different working conditions
3 结论
1) 在分离初始阶段,弹头前端旋转气流的快速变化会导致弹体阻力突增,弹托阻力突降;中间分离阶段,弹托前脱体激波和弹体的相互作用会导致弹体气动力的波动变化;在弱耦合阶段,卡瓣激波与弹体激波在弹尾处的交汇,会使弹体阻力系数下降。
2) 随着卡瓣数量增加,弹托分离时间越短,在同一时刻,弹托相对弹体的径向位移和轴向位移越大。
3) 随着卡瓣数量增加,弹体气动力系数和气动力矩系数波动程度越小。整个弹托分离过程,3种工况弹体阻力冲量系数均为负数,弹托分离时产生的流场能够减少弹体在该阶段飞行时的阻力。工况2升力冲量系数为-0.45,采用工况2会对弹体升力产生不利影响。综合考虑下,工况3的4卡瓣弹托在分离过程中对弹体的扰动最小。
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