Визуализация ДУЛЬНОГО ВЫХЛОПА

ПРИ ВЫСТРЕЛЕ ИЗ ЛЕГКОГАЗОВОЙ ПУШКИ

С. Герасимов^1,2,4, В. Ерофеев³,  И. Каныгин^1,2, Р. Герасимова¹, А. Сальников²

¹ Саровский физико-технический институт НИЯУ МИФИ, Саров, Россия

² Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, Россия

³ Институт проблем машиностроения, Нижний Новгород, Россия

⁴ Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, Нижний Новгород, Россия

s.i.gerasimov@mail.ru, erf04@sinn.ru, John013@yandex.ru, r.v.gerasimova@mail.ru, Salex369@rambler.ru

Оглавление

1. Введение

2. Результаты численного моделирования процесса дульного выхлопа при выстреле из легкогазовой пушки

3. Компьютерная визуализация процесса дульного выхлопа

4. Фоторегистрация процесса дульного выхлопа

Список литературы

Аннотация

Рассмотрено явление дульного выхлопа на примере выстрелов из легкогазовой пушки калибра 24 мм со скоростями до 8 км/с. Проведено расчетно-экспериментальное исследование процесса распространения дульного выхлопа и дульной ударной волны и их взаимодействия с метаемым объектом и внешнетраекторным оборудованием. Представлена компьютерная визуализация процесса на основе результатов численного моделирования. Представлены данные фоторегистрации фаз развития дульного выхлопа и образования конуса головного скачка уплотнения в отраженном свете и теневой фоторегистрации в проходящем свете на фоне полупрозрачного диффузно-рассеивающего экрана, подтверждающие методику численного моделирования и компьютерной визуализации фаз развития дульного выхлопа. Получены параметры изменения воздушной пробки по ее длине при прохождении объектом метания дульного среза. Приводятся зависимости воздушной пробки на дульном срезе от степени вакуумирования баллистического ствола. Зависимости параметров рабочего газа (водорода) на срезе от времени иллюстрируют важнейшие фазы процесса: изменения размеров воздушной пробки, момента выхода метаемого объекта в зону надежной регистрации. Качественное прогнозирование событий определяет безопасное и оптимальное размещение регистрирующей аппаратуры в экспериментах с выстрелом из легкогазовой пушки, что позволяет значительно минимизировать риски и удешевить стоимость проведения натурных экспериментов, дорогостоящих и требующих длительной подготовки.

Ключевые слова: дульный выхлоп, легкогазовая пушка, ударная волна, степень вакуумирования, теневая фоторегистрация.

1. Введение

Целью данной статьи является создание наглядного материала, понятного для широкой круга специалистов, а именно - визуальной картины процесса дульного выхлопа, происходящего при выстреле из легкогазовой пушки. Моделирование дульного выхлопа и визуальное его представление способствуют более ясному пониманию ряда событий, например, изменения размеров воздушной пробки, момента выхода метаемого объекта (МО) в зону надежной регистрации и др. Качественное прогнозирование событий определяет безопасность и оптимальное размещение регистрирующей аппаратуры в экспериментах с выстрелом из легкогазовой пушки (ЛГП), что позволяет значительно минимизировать риски и удешевить стоимость проведения натурных экспериментов, дорогостоящих  и требующих длительной подготовки.

В ходе наземной отработки средств военной техники при проведении аэробаллистических, террадинамических, ударных, осколочных и других видов испытаний испытываемый объект либо метается из ствола баллистической установки, либо устанавливается на заданном расстоянии от среза ствола с целью его нагружения ударником. Оборудование, участвующее в опыте, располагается вдоль траектории полета с учетом физических явлений, сопровождающих выстрел: дульный выхлоп, распространение дульной ударной волны, расхождение на траектории фрагментов поддона метаемого объекта.

Знание воздействия, оказываемого дульным выхлопом и дульной ударной волной на оборудование, а также расстояния, на котором МО выходит за фронт дульной ударной волны, помогает провести правильное расположение оборудования на рабочем поле и осуществить необходимую его защиту. При проведении обращенных ударных испытаний, когда объект испытаний устанавливается близко к дульному срезу баллистического ствола, знание параметров дульного выхлопа позволяет разработать необходимое технологическое оборудование с учетом минимизации преднагружения объекта испытаний дульным выхлопом.

Работа посвящена расчетно-экспериментальному исследованию и визуализации фаз развития дульного выхлопа при выстреле из легкогазовой пушки ЛГУ-16 калибра 24 мм [1] в атмосферу воздуха.

Как показано в [2], дульный выхлоп состоит из воздушной пробки, образующейся при движении МО по вакуумированному баллистическому стволу, рабочего газа, расширяющегося после выхода МО за дульный срез и перемешивающегося с воздухом, а также сформированной ими воздушной (дульной) ударной волны. При движении МО в баллистическом стволе длиной 10 м и степенью вакуумирования 0.1 кПа перед МО формируется воздушная пробка длиной до 0.35 м, давлением до 3 ат и температурой до 2600 К. Скачок уплотнения, формирующийся при выходе воздушной пробки и рабочего газа (водорода) за дульный срез в невозмущенную атмосферу воздуха, является источником дульной ударной волны, наличие которой фиксируется средствами фото и видео регистрации, бесконтактными электромагнитными и радиолокационными датчиками.

2. Результаты численного моделирования процесса дульного выхлопа при выстреле из легкогазовой пушки

Для расчета параметров дульного выхлопа использовалась методика численного программирования внутрибаллистических процессов в легкогазовой пушке и программный комплекс LGP [3], разработанные в  НИИ ПММ ТулГУ. На рисунке 1 представлены зависимости скорости МО от времени при его разгоне в стволе ЛГП для режимов с различными скоростями метания V_д. За нулевой момент времени принят момент форсирования мембраны.

Рис. 1. Зависимости скорости МО от времени в стволе ЛГП

На рисунке 2 представлены результаты расчетов параметров воздушной пробки с использованием методики [3] в виде изменения давления и скорости по длине пробки в момент прохождения МО сечения дульного среза.

Рис. 2. Изменение параметров воздушной пробки по ее длине при прохождении МО дульного среза

Влияние степени вакуумирования баллистического ствола ЛГП на параметры воздушной пробки при выходе ее из канала ствола показано на рисунке 3. Так, при отсутствии вакуумирования баллистического ствола, длина пробки при метании объекта со скоростью 8 км/с увеличивается с 0.35 м (=0.001×10⁵ Па) до 1 м (=1×10⁵ Па), давление в пробке увеличивается с 3×10⁵ до 800×10⁵ Па.

На рисунке 4 представлены зависимости параметров водорода (скорость, давление) от времени в сечении дульного среза при его истечении в атмосферу после выхода МО из ствола ЛГП. За нулевой момент времени принят момент прохождения задним торцем МО сечения дульного среза.

Рис. 3. Зависимости параметров воздушной пробки на дульном срезе от степени вакуумирования (начального давления) баллистического ствола

Рис. 4. Зависимости параметров рабочего газа (водорода) на дульном срезе от времени

3. Компьютерная визуализация процесса дульного выхлопа

Для численных исследований и визуализации параметров дульного выхлопа и связанной с ним ударной волны использованы методика численного моделирования газодинамических процессов с программно–вычислительным комплексом Gas2 [4], а также программа подготовки и дискретизации расчетной области в 2 - мерной осесимметричной постановке Viz2 [4], разработанные в ТулГУ. В основу математической модели газодинамических процессов положены уравнения движения вязкого теплопроводного гомогенного газа. Численное моделирование основано на методе, использующем схемы расщепления метода крупных частиц, реализованном на неравномерной сетке метода конечных элементов. Для построения численной модели использованы гибридные элементы, состоящие из нескольких треугольников.

Пространственные физические границы и размеры расчетной области представлены на рисунке 5. Для внешних границ расчетной области использован тип открытой границы «свободного истечения газа» (вытекание и втекание газа с параметрами в области перед границей), для рабочих газов, вытекающих из ствола ЛГП, использован тип открытой границы «сверхзвукового втекания» (перетекание газа с заданными параметрами V(t), p(t), T(t)), для ствола использована граница «непроницаемая стенка».

Типы границ: 1 – граница сверхзвукового втекания; 2 – граница «свободного» истечения газа; 3 – непроницаемая стенка; 4 – ось симметрии.

Рис. 5. Пространственные физические границы расчетной области: п1 – подобласть
истечения газа (невозмущенная среда); п2, п3, п4 – подобласти для построения
воздушной пробки в виде ступенчатых зависимостей р(х), Т(х), V(х)

Для границы «непроницаемая стенка» задаются условия прилипания (равенство нулю нормальной и касательной составляющих вектора скорости ) и определяется величина теплового потока в стенку .

Через открытые границы происходит конвективный перенос массы газа и соответствующие этой массе переносы импульса и энергии. Для сверхзвукового течения  ,  ,  .

На оси симметрии граничные условия имеют вид: ,  (где n- внутренняя нормаль к оси, X=(W,P,T)).

В качестве начальных условий задавались термодинамические параметры в подобластях п1-п4 (p, u, T), а также скорость МО. Воздушная пробка моделировалась подобластями п2-п4, каждая из которых имела свои начальные значения параметров газа.

Размеры дискретной ячейки составляли 3´3 мм, всего расчетная область насчитывала 290 тыс. ячеек. МО задавался аэробаллистической моделью при метании со скоростями 1.7 и 3 км/с и цилиндром для скорости 8 км/с.

Дульная волна представляет собой эллипс, центр которого смещается в направлении выстрела. Положения дульной ударной волны в различные моменты времени и распределение максимального давления в околодульном пространстве при выстреле из ЛГУ-16 со скоростью 8 км/с показаны на рисунке 6.

Рис. 6. Положения дульной ударной волны в различные моменты времени и изолинии максимального
давления в околодульном пространстве при выстреле из ЛГУ-16 со скоростью 8 км/с

Волна, в каком бы направлении она не перемещалась, имеет фазы сжатия и разрежения. Зависимости давления от времени в ряде маркеров расчетной области, расположенных на осях  OX, OY, OX1, представлены на рисунке 7. Максимальный перепад давления имеет место в направлении выстрела (по оси OX).

Для экспериментального определения границ промежуточной и внешней баллистики (выход МО за фронт ударной волны, образуемой дульным выхлопом) при выстреле из пороховой баллистической установки калибра 14 мм со скоростью 690 м/с в невозмущенную атмосферу воздуха использовалась методика из работы [5].

Рис. 7. Зависимости давления от времени в маркерах, расположенных в направлениях осей OX, OY, ОХ1 для скорости метания 8 км/с

Визуализация полученных результатов численного моделирования процесса дульного выхлопа и образования головного скачка уплотнения в виде полей давлений при выстреле со скоростью 3 км/с представлена на рисунке 8. Расчеты проведены с воздушной пробкой длиной 300 мм, за исключением рисунка 8а, где представлен холостой выстрел (МО отсутствует). Границы распространения рабочего газа находятся внутри сферы дульной ударной волны и головного скачка.

а) tз=256 мкс	б) tз=98 мкс
в) tз=120 мкс	г) tз=256 мкс

Рис. 8. Развитие дульного выхлопа и образование конуса головного скачка

(визуализация с использованием программного комплекса Gas2, V_д=3 км/с, l_пр=300 мм)

4. Фоторегистрация процесса дульного выхлопа

Для экспериментального подтверждения результатов численного моделирования и визуализации процесса дульного выхлопа были проведены эксперименты с фоторегистрацией фаз развития дульного выхлопа и образования конуса головного скачка уплотнения при выстреле из легкогазовой пушки ЛГУ-16. Фоторегистрация проводилась двумя методами - в отраженном свете и в проходящем свете на фоне полупрозрачного диффузно рассеивающего экрана. Результаты фоторегистрации в отраженном свете показаны на рисунке 9, при проведении теневой фоторегистрации в проходящем свете на фоне полупрозрачного диффузно рассеивающего экрана – на рисунке 10.

Для регистрации скорости движения объектов на траектории использовались контактные (пленочные датчики пробойного типа) и бесконтактные (электромагнитные, радиочастотные, световые) датчики положения, которые располагаются на некотором расстоянии друг от друга и фиксируют время прохождения объектом их сечений. Использование данных методов хронографирования возможно при условии, что МО опережает дульный выхлоп, сопровождающий его вылет из ствола баллистической установки, состоящий из высокотемпературной воздушной пробки, образующейся перед МО при его разгоне в стволе, и рабочих газов (водорода). Рабочий газ, обладая высоким запасом внутренней энергии, расширяется после выхода из баллистического ствола, обгоняет метаемый объект, и далее тормозится в зависимости от среды истечения.

Запуск фоторегистрирующей аппаратуры осуществлялся  с помощью фотоприемного устройства (ФПУ), измеряющего освещенность в районе дульного среза и формирующего импульс запуска по некоторому ее пороговому значению при появлении на дульном срезе свечения, характеризующего выход фронта воздушной пробки на дульный срез. Оптическая регистрация осуществлялась аналоговой фотокамерой с затвором с электронно-оптическим преобразователем (ЭОП) при использовании газодинамического газоразрядного излучателя, а также скоростной цифровой видеокамерой «VS-Fast», в которой изображение с экрана ЭОП передается на фоточувствительную поверхность быстродействующей ПЗС-матрицы и записывается в память компьютера.

На снимках рис. 9а и 9б показаны фазы образования дульного выхлопа с задержками 7 мкс и 205 мкс от импульса ФПУ при метании объекта со скоростью 3 км/с, длина воздушной пробки составила 480 мм. На снимке 9б с t_з=205 мкс наблюдается образование конуса головного скачка при выходе МО из зоны дульного выхлопа.

При регистрации дульного выхлопа на фоне непрозрачного экрана (рисунки 9в, 9г ) наряду с изображением процесса в отраженном свете на экране наблюдаются теневые изображения оптических неоднородностей среды (ударных волн) и самого дульного выхлопа, которые не совпадают ввиду того, что скорость распространения дульного выхлопа много меньше скорости распространения дульной ударной волны.

а)  tз=7 мкс	б)tз=205 мкс
в) tз=256 мкс	г)  tз=301 мкс

Рис. 9.  Развитие дульного выхлопа и образование конуса головного скачка
(фоторегистрация в отраженном свете): а), б) скорость метания V_д=3 км/с, Длина
пробки l_пр=480 мм; в) V_д=2.5 км/с, l_пр=48 мм; г) V_д=1.7 км/с, l_пр=40 мм

Теневая фоторегистрация процесса развития дульного выхлопа и образования конуса головного скачка в проходящем свете при использовании точечного источника света на фоне полупрозрачного диффузно-рассеивающего экрана представлена на рисунке 10. Метод теневой регистрации основан на зависимости показателя преломления прозрачных сред от локальной плотности среды, что реализуется в отклонении света при прохождении оптической неоднородности. Данная схема регистрации относится к прямотеневой с использованием точечного источника света, фотограмметрическая обработка изображения осуществляется с использованием метода светящейся точки [6]. На рисунке 10а зафиксирован фронт дульной ударной волны, представляющий собой сферу радиусом 250 мм, и выход «носика» МО за дульный срез. На рисунках 10б и 10в видны фронт дульной ударной волны, фронт головного скачка уплотнения, разделяющие невозмущенный газ от ударносжатого, а также истечение рабочего газа (водорода).

а) tз=256 мкс	б) tз=128 мкс
в) tз=450 мкс

Рис. 10. Развитие дульного выхлопа и образование конуса головного скачка
(теневая фоторегистрация в проходящем свете на фоне полупрозрачного
диффузно рассеивающего экрана): а) скорость метания Vд=2.8 км/с, длина
пробки lпр=540 мм; б) Vд=1.6 км/с, lпр=120 мм; в) Vд=3 км/с, lпр=520 мм.

4. Заключение

Картины, полученные в результате фоторегистрации процесса дульного выхлопа, отражают реальную картину, наблюдаемую в аэробаллистическом эксперименте, и по характеру распространения хорошо согласуются с результатами численного моделирования и компьютерной визуализации процесса.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект №14-19-01637.

Список литературы

1.П.Н.Калмыков, Н.В.Лапичев, Д.Е.Мартюшов, А.В.Сальников, Ю.И.Файков, Г.П.Шляпников. Двухступенчатая легкогазовая пушка для исследования высокоскоростных ударных явлений // Сб. докладов IV научной конференции ВРЦ РАРАН «Современные методы проектирования и отработки РАВ». Саров. РФЯЦ–ВНИИЭФ. 2006. с.813-823.

2.В.А. Дунаев, В.Н. Савкина, А.В.Сальников. Расчетное исследование параметров промежуточной баллистики при выстреле из легкогазовой пушки. // Сб. докладов VI научной конференции ВРЦ РАРАН «Современные методы проектирования и отработки РАВ». Саров. РФЯЦ–ВНИИЭФ. 2009.

3.Ю.П.Хоменко, В.З. Касимов, О.В.Ушакова. Численное моделирование внутри-баллистических процессов в легкогазовой пушке. - ПМТФ. 2003. т.44. №5. с.1-10.

4.Дунаев В.А. Численное моделирование взаимодействия газовой струи с элементами конструкций // Прикладные задачи газодинамики и механики деформируемых и недеформируемых твердых тел. Сб. научн. трудов ТулГУ, 1996. с.109-108.

5.В.А. Бердников, Г.Ф. Копытов, С.И. Герасимов. Экспериментальное определение границы промежуточной и внешней баллистики при проведении выстрела из пороховых метательных установок. // Сб. докладов V научной конференции ВРЦ РАРАН «Современные методы проектирования и отработки РАВ». Саров. РФЯЦ–ВНИИЭФ. 2008. с.993-1000.

6.С.И.Герасимов, Ю.И.Файков. Теневое фотографирование в расходящемся пучке света: Монография. –ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ». Саров. 2010. – 344с.

---

VISUALIZATION OF MUZZLE EXHAUST
FOLLOWING THE LIGHT GAS GUN SHOT

S. Gerasimov^1,2,4, V. Erofeev³, I. Kanygin^1,2, R. Gerasimova¹, A. Salnikov²

¹ Sarov Physics and Technical Institute of National Research Nuclear University «MEPHI», Nizhny Novgorod, Russian Federation

² Russian Federal Nuclear Center – All-Russia Research Institute of Experimental Physics, Sarov, Russian Federation

³ Institute of Problems of Mechanical Engineering, Nizhny Novgorod, Russian Federation

⁴ Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev, Nizhny Novgorod, Russian Federation

.i.gerasimov@mail.ru, erf04@sinn.ru, John013@yandex.ru, r.v.gerasimova@mail.ru, Salex369@rambler.ru 

Abstract

The process of muzzle exhaust following the shot of a light gas gun of 24-mm caliber at velocities of up to 8 km/s is investigated. Developments of muzzle exhaust and muzzle shock wave and their interaction with projectile and measurement facility are studied numerical-experimentally. Computer visualization of the process is presented using numerical modeling. The experimental data including direct as well as shadow (in passing light on a semitransparent diffusing-surface base plate) photography registration of conical shock wave head are in good agreement with numeral results and computational visualization of phases of the muzzle exhaust. Parameters of air lock along its length at passing the projectile against muzzle cross section have been obtained. Dependencies of working gas (hydrogen) parameters versus time at the muzzle cross-section illustrate the basic stages of the process such as the change in air lock size and the moment of appearance of the projectile in a zone of reliable registration. The high-quality forecasting of the stages of the process defines the safe and optimal location of measurement facility in the light-gas gun experiments that allows one to considerable reduce risks and cost of the expensive natural experiments demanding a long time preparation.

Key words: muzzle exhaust, light gas gun, shock wave, computational modeling, visualization, degree of vacuum, shadow photography.

References

1.P.N.Kalmykov, N.V. Lapichev, D.E. Martyushov, A.V. Salnikov, Yu.I.Faykov, G.P. Shlyapnikov. Dvukhstupenchataya legkogazovaya pushka dlya issledovaniya vysokoskorostnykh udarnykh yavleniy [Two-stage light gas gun for investigating fast shock processes]. Proceedings of the IV Workshop on The modern methods of constructing and testing rocket and artillery armament. Sarov, RFNC–VNIIEF, 2006, pp. 813-823.

2.V.A. Dunaev, V.N. Savkina, A.V. Salnikov. Raschetnoe issledovanie parametrov promezhutochnoy ballistiki pri vystrele iz legkogazovoy pushki [Numerical investigation of intermediate ballistics at light gas gun shooting]. Proceedings of the VI Workshop on The modern methods of constructing and testing rocket and artillery armament. Sarov, RFNC–VNIIEF, 2009.

3.Yu.P. Chomenko, V.Z. Kasimov, O.V. Ushakova. Chislennoe modelirovanie vnutri-ballisticheskikh protsessov v legkogazovoy pushke  [Numerical modeling intermediate ballistics for light gas gun]. Prikladnaya mekhanika i tekhnicheskaya fizika [Journal of Applied Mechanics and Technical Physics], vol. 44. ¹ 5. 2003,  pp. 1-10.

4.V.A. Dunaev. Chislennoe modelirovanie vzaimodeystviya gazovoy strui s elementami konstruktsiy  [Numerical modeling of interaction between gas jet and construction]. Proceedings of TulGU Workshop on Applied problems of gasdynamics and mechanics of solids, 1996, pp. 108-109.

5.V.A. Berdnikov, G.F. Kopytov, S.I. Gerasimov. Eksperimentalnoe opredelenie granitsy promezhutochnoy i vneshney ballistiki pri provedenii vystrela iz porokhovykh metatelnykh ustanovok [Experimental defining of the intermediate-external ballistics boundary at shooting with a powder missile device]. Proceedings of the V Workshop on The modern methods of constructing and testing rocket and artillery armament. Sarov, RFNC–VNIIEF, 2008, pp .993-1000.

6.S.I. Gerasimov, Yu.I. Faykov. Tenevoe fotografirovanie v raskhodyaschemsya puchke sveta: Monografiya  [Shadow photography in a diverging beam. Monograph]. Sarov, RFNC-VNIIEF, 2010, pp. 344.