底排减阻的空气动力学研究已有近五十年历史,底部排气弹的研制也有近三十年。国外的相关研究很早就开始了,从二十世纪五十年代开始,美国航空航天局就开始研究减阻机理,1951年Baker W T等人在底部直径57.15mm的弹丸上进行了实验;1952年 Scanland T S和 Hebrank W H进行了40mm弹丸的超音速自由飞行实验,底部装有烟火剂,底阻减小约65%;1967年至1969年英国皇家兵器研究发展中心进行了风洞实验,对亚音速,特别是超音速条件下的气体喷射进行了广泛的研究,获得重要结果;1960年瑞典开始研究底部排气原理,用口径为75mm、105mm和120mm的海炮进行了射击试验,并在二十世纪七十年代首先成功研制出了底部排气弹,并装备部队[1]。此后意大利、比利时和前苏联相继研制成功底部排气弹。意大利的P3式155mm底部排气弹,弹丸重43.5kg,排气药柱1kg,最大射程达27km,与制式榴弹射程21.27km相比,增程26.9%。比利时的155mm远程全膛底部排气弹,弹丸重46.7kg,排气药柱0.9kg,燃烧时间30s,最大射程达39km,与不带底部排气装置炮弹相比,增程30%。9911
此外,美国军事研究所的Charles J.Nietubicz与Howard J.Gibeling采用时间推进的全平均耦合守恒型N-S方程来研究M864底部排气弹的底部燃烧问题,计算结果表明在高马赫数时结果与实验有很好的吻合,但是在亚音速区域就出现明显的误差[8]。韩国釜山大学的Jeong-Yeol choi,Edward Shin以及韩国防御发展处的Chang-Kee Kim采用数值模拟的方法来研究考虑底部燃烧且装有中央冲压式空气喷气发动机的底部排气弹的底阻效应,该研究给出了在流体动力学和混合燃料推进弹燃烧过程方面的见解[9]。美国明尼苏达大学,空气动力和军事研究中心的Pramod Subbareddy和Grahmam V.Candler采用分离涡模拟的方式研究具有底部排气的超音速底流问题,得到比较精确的湍流数值模拟 [10]。日本东京大学的Takashi Lto和日本空间太空航行科学协会的Kozo Fujii对底部排气的尾部喷管进行了数值模拟研究,发现底部排气对整个弹体的阻力减小起到很大的积极作用[11]。美国军事研究所的J.Sahu采用N-S方程对有和没有底排情况的弹丸底流进行了数值研究。计算结果显示了近尾迹区的流场特性,也证明了在给定的质量流率下,在该跨音速段下底阻和总阻的减少[12]。
国外相关研究建立了底排药柱燃烧的物理数学模型和底排内弹道方程组,研究了底排装置内压力、装药温度、药量、转速等条件对底排药柱燃烧规律的影响。开展了底排条件下底部流动机理的研究,建立了底排条件底阻公式,研究了底排条件下底部流的数值计算。从理论和实验研究方面,开展了各种参数对底阻影响的研究工作,利用多种湍流模型对底部排气弹的底部流动做了研究,得到了具有工程应用价值的经验公式。同时,底排实验技术有较大发展,底排药柱燃速测定系统、旋转试验台、底排风洞、DR582雷达等实验装置,都已应用到实验研究之中。
国内在实验方面的相关研究主要有:文献[13]利用风洞实验方法,得到不同马赫数和不同排气参数下环境压力对底排装置内压力的影响、环境压力与减阻率的关系和环境压力对燃速及燃烧温度的影响。文献[14]提出了在飞行环境中利用弹载存储测试技术获取底排弹点火时间、点火压力以及药室温度等动态参数的实时记录测试方案。文献[15] 从理论和实验上证实了底排药柱初温对射程有较大影响,它将产生较大的射击偏差,降低射击命中率,为解决这一问题,在射表中要增加对底排药柱初温的修正项。文献[16]通过风洞实验手段对底部排气弹的环境温度进行了相关的研究,得出不同环境温度下的底排减阻率,并且指出随着环境温度的增高,底排弹射程减小。文献[17]实验采用预混合可燃气模拟真实底排药剂,改变其化学反应氧平衡系数和热值,研究了这些参数变化对底排弹减阻增程气动力性能的影响。文献[5]采用了底排氢加空气燃烧和底排冷空气的方法进行底排减阻特性的风洞实验来研究亚、跨声速底排减阻特性,研究表明在亚、跨声速下采用底排燃烧的方法均可有效减少弹丸底部阻力,增加射程。文献[19]采用了实验方法研究了提高底部排气弹减阻增程的重要手段,得出结论:在大 值下减阻率增加缓慢,过多的增加底排药剂不会增加炮弹威力,提高进入尾迹区的能量是减阻增程的重要手段,增程效果比加质好3-4倍。文献[20]通过风洞实验研究了底排药剂成份对底排弹减阻增程气动力性能的影响。指出底排减阻率与底排贫氧燃料在尾迹区的二次燃烧特性有关,并通过实验获得了相对完整的且能够反映底部燃烧情况的模型。文献[21]研制了底排专用实验装及其数据采集处理系统;研制了底排压力测量装置与数据采集系统以及底排旋转实验装置等。在底排装置的地面旋转实验研究的基础上给出了几种主要因素对于底排药剂燃速影响的新的燃速公式,进行了静态点火实验,分析了压力随时间变化的情况,阐述了底排药剂点燃时产生的各种状况。
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