兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (6): 240401-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0401
闫铭1, 王昕捷1,2,*(), 黄风雷1,2,**(
), 尤飒1
收稿日期:
2024-05-22
上线日期:
2025-06-28
通讯作者:
基金资助:
YAN Ming1, WANG Xinjie1,2,*(), HUANG Fenglei1,2,**(
), YOU Sa1
Received:
2024-05-22
Online:
2025-06-28
摘要:
高超声速战斗部飞行时表面通常承受严重的气动加热,并经过结构传热影响内部装药的热安全性。为此,整体采用有限体积法,流固边界上采用双向耦合,模拟高超声速战斗部气动加热和结构传热问题。结合炸药化学反应动力学模型,开展了不同速度和攻角下的高超声速战斗部气动加热温度场分布规律和装药热-点火响应分析。研究结果表明:高超声速气动加热和结构传热下战斗部飞行时弹体和装药温度最高处主要集中在头部,并向后、向内递减,不同攻角下温度呈现不对称分布,迎风面温度随攻角的增大而升高,背风面温度随攻角的增大而降低;引入化学反应动力学模型,马赫数6高超声速战斗部装药约35.4s在装药顶部发生点火,温度为574K,战斗部飞行速度越快,所受气动加热越严重,其装药点火时间越短;设计了一种典型热防护结构,使得战斗部在以高超声速飞行100s的过程中,外壳和装药温度平均降低79.12%和71.45%,并保证内部装药不点火;研究结果可为高超声速战斗部热安全性评估提供技术支撑。
中图分类号:
闫铭, 王昕捷, 黄风雷, 尤飒. 高超声速气动加热下战斗部装药热-点火响应与典型结构热防护特性[J]. 兵工学报, 2025, 46(6): 240401-.
YAN Ming, WANG Xinjie, HUANG Fenglei, YOU Sa. Thermal-ignition Response of Warhead Charge and Characteristics of Typical Thermal Protection Structure under Hypersonic Aerodynamic Heating[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(6): 240401-.
边界层第1层 法向网格高度/ mm | 边界层网 格增长率 | 边界层网 格层数 | 全域网格 总数/万 | 计算时 长/h | y+ |
---|---|---|---|---|---|
0.1 | 1.3 | 14 | 281 | 24 | 48.00 |
0.05 | 16 | 487 | 48 | 8.94 | |
0.01 | 22 | 553 | 52 | 1.09 | |
0.005 | 25 | 666 | 64 | 0.50 |
表1 边界层网格无关性
Table 1 Grid independence of boundary layer
边界层第1层 法向网格高度/ mm | 边界层网 格增长率 | 边界层网 格层数 | 全域网格 总数/万 | 计算时 长/h | y+ |
---|---|---|---|---|---|
0.1 | 1.3 | 14 | 281 | 24 | 48.00 |
0.05 | 16 | 487 | 48 | 8.94 | |
0.01 | 22 | 553 | 52 | 1.09 | |
0.005 | 25 | 666 | 64 | 0.50 |
参数 | 量热完全空气数值 | 热完全空气数值[ |
---|---|---|
r/(kg·m-3) | 理想气体 | 理想气体 |
Cp/(J·kg-1·K-1) | 1006.43 | Nasa-9 |
λ/(W·m-1·K-1) | 0.0242 | 欧肯关系 |
μ/(kg·m-1·s-1) | 1.7894×10-5 | 布洛特内曲线 |
表2 流体域物性参数
Table 2 Physical parameters of fluid zone
参数 | 量热完全空气数值 | 热完全空气数值[ |
---|---|---|
r/(kg·m-3) | 理想气体 | 理想气体 |
Cp/(J·kg-1·K-1) | 1006.43 | Nasa-9 |
λ/(W·m-1·K-1) | 0.0242 | 欧肯关系 |
μ/(kg·m-1·s-1) | 1.7894×10-5 | 布洛特内曲线 |
No. | 材料 | Z/s-1 | E/(J·mol-1) | Q/(J·kg-1) | ΔSf/(J·mol-1·K-1) | Ef/(J·mol-1) | ΔSr/(J·mol-1·K-1) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | DNAN | 1.2×1011 | 1.72×105 | 4.92×106 | |||
2 | HMX | 1.89×105 | -2.5×104 | 123.00 | 2.04×105 | 89 | |
3 | HMX | 8.65×104 | -2.5×104 | -40.37 | 1.02×105 | -75.2 | |
4 | HMX | 3.16×1016 | -1.2×105 | 2.0×105 | |||
5 | HMX | 2.00×1015 | 3.2×106 | 1.731×105 | |||
6 | NTO | 9.93×1017 | 2.72×105 | 5.87×106 | |||
7 | Binder | 1.1×1012 | 1.675×105 | 6.005×105 |
表3 反应动力学参数[21]
Table 3 Reaction kinetic parameters[21]
No. | 材料 | Z/s-1 | E/(J·mol-1) | Q/(J·kg-1) | ΔSf/(J·mol-1·K-1) | Ef/(J·mol-1) | ΔSr/(J·mol-1·K-1) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | DNAN | 1.2×1011 | 1.72×105 | 4.92×106 | |||
2 | HMX | 1.89×105 | -2.5×104 | 123.00 | 2.04×105 | 89 | |
3 | HMX | 8.65×104 | -2.5×104 | -40.37 | 1.02×105 | -75.2 | |
4 | HMX | 3.16×1016 | -1.2×105 | 2.0×105 | |||
5 | HMX | 2.00×1015 | 3.2×106 | 1.731×105 | |||
6 | NTO | 9.93×1017 | 2.72×105 | 5.87×106 | |||
7 | Binder | 1.1×1012 | 1.675×105 | 6.005×105 |
材料 | ρ/(kg·m-3) | Cp/(J·kg-1·K-1) | λ/(W·m-1·K-1) | L/(J·kg-1) | Ts/K | Te/K |
---|---|---|---|---|---|---|
DNAN(solid) | 1450 | 315.3+2.65T | 0.25 | 175000 | 370 | |
DNAN(liquid) | 1330 | 1250 | 0.17 | 375 | ||
HMX | 1850 | 92.93+3.305T | 0.4368-0.000444T | |||
NTO | 1850 | 1088 | 0.27 | |||
Binder | 2020 | 1000.43 | 0.0527 | |||
Al | 2719 | 871 | 1.39 |
表4 装药的物理性质参数[21]
Table 4 Physical property parameters of charge[21]
材料 | ρ/(kg·m-3) | Cp/(J·kg-1·K-1) | λ/(W·m-1·K-1) | L/(J·kg-1) | Ts/K | Te/K |
---|---|---|---|---|---|---|
DNAN(solid) | 1450 | 315.3+2.65T | 0.25 | 175000 | 370 | |
DNAN(liquid) | 1330 | 1250 | 0.17 | 375 | ||
HMX | 1850 | 92.93+3.305T | 0.4368-0.000444T | |||
NTO | 1850 | 1088 | 0.27 | |||
Binder | 2020 | 1000.43 | 0.0527 | |||
Al | 2719 | 871 | 1.39 |
材料 | r/(kg·m-3) | Cp/(J·kg-1·K-1) | λ/(W·m-1·K-1) |
---|---|---|---|
超高温陶 瓷[ | 5330 | Cp1 | λ1 |
气凝胶[ | 220 | 800 | 0.0232(293K), 0.0252(1073K), 0.0317(1273K) |
表5 热防护层材料物理性质参数
Table 5 Physical parameters of insulation zone
材料 | r/(kg·m-3) | Cp/(J·kg-1·K-1) | λ/(W·m-1·K-1) |
---|---|---|---|
超高温陶 瓷[ | 5330 | Cp1 | λ1 |
气凝胶[ | 220 | 800 | 0.0232(293K), 0.0252(1073K), 0.0317(1273K) |
马赫数 | 有无热防护层 | 超高温陶瓷 | 气凝胶 | 外壳 | 装药 |
---|---|---|---|---|---|
5 | 有 | 1015.22 | 991.817 | 311.07 | 303.45 |
无 | 1032.89 | 705.98 | |||
6 | 有 | 1442.50 | 1412.51 | 318.41 | 305.61 |
无 | 1446.58 | 994.48 | |||
7 | 有 | 1962.09 | 1950.02 | 329.56 | 309.18 |
无 | 1908.76 | 1350.52 | |||
8 | 有 | 2643.60 | 2635.01 | 342.39 | 313.62 |
无 | 2424.84 | 1783.84 |
表6 各马赫数下有无热防护结构战斗部各区域最高温度
Table 6 Maximum temperature at each region of warhead with or without heat insulation under different Mach numbers K
马赫数 | 有无热防护层 | 超高温陶瓷 | 气凝胶 | 外壳 | 装药 |
---|---|---|---|---|---|
5 | 有 | 1015.22 | 991.817 | 311.07 | 303.45 |
无 | 1032.89 | 705.98 | |||
6 | 有 | 1442.50 | 1412.51 | 318.41 | 305.61 |
无 | 1446.58 | 994.48 | |||
7 | 有 | 1962.09 | 1950.02 | 329.56 | 309.18 |
无 | 1908.76 | 1350.52 | |||
8 | 有 | 2643.60 | 2635.01 | 342.39 | 313.62 |
无 | 2424.84 | 1783.84 |
[1] |
董恒, 黄风雷, 武海军, 等. 异形弹体高速侵彻/穿甲机理研究进展[J]. 兵工学报, 2024, 45(9):2863-3887.
doi: 10.12382/bgxb.2024.0040 |
|
|
[2] |
崔玉红, 徐艺哲, 吕凡熹, 等. 临近空间高超声速飞行器武器投放影响因素[J]. 航空学报, 2023, 44(24):128539.
doi: 10.7527/S1000-6893.2023.28539 |
doi: 10.7527/S1000-6893.2023.28539 |
|
[3] |
彭子昂, 于勇, 周玲, 等. 攻角对翼身组合体边界层转捩及气动热影响的数值研究[J]. 航空动力学报, 2025, 40(6):20230801.
|
|
|
[4] |
|
[5] |
徐俊杰. 气动加热对装药质量及侵彻安定性影响的数值模拟研究[D]. 太原: 中北大学, 2021.
|
|
|
[6] |
刘增达. 基于气动加热的超音速战斗部装药侵彻安定性分析[D]. 太原: 中北大学, 2021.
|
|
|
[7] |
黄鑫, 浦健, 王建华, 等. 曲面对层板/热障涂层耦合结构冷却特性的影响[J]. 工程热物理学报, 2023, 44(7):1800-1807.
|
|
|
[8] |
|
[9] |
曾宇, 汪洪波, 孙明波, 等. SST湍流模型改进研究综述[J]. 航空学报, 2023, 44(9):027411.
|
|
|
[10] |
陈文. 高速侵彻条件下战斗部装药安全性研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2009.
|
|
|
[11] |
|
[12] |
|
[13] |
李鹏, 陈坚强, 丁明松, 等. LENS风洞试验返回器模型气动热特性模拟[J]. 航空学报, 2021, 42(增刊1):726400.
|
|
|
[14] |
闫铭. 高超声速气动加热下战斗部装药侵彻安定性研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2025.
|
|
|
[15] |
王源杰. 考虑多振动温度模型的高温气体效应数值模拟研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2016.
|
|
|
[16] |
|
[17] |
白孟璟, 段卓平, 白志玲, 等. 内/外隔热复合结构炸药装药快速烤燃热防护效应[J]. 兵工学报, 2024, 45(5):1555-1563.
doi: 10.12382/bgxb.2023.0065 |
doi: 10.12382/bgxb.2023.0065 |
|
[18] |
肖有才, 王瑞胜, 范晨阳, 等. 带壳JH-14C传爆药烤燃实验及响应特性数值模拟[J]. 爆炸与冲击, 2023, 43(7):40-51.
|
|
|
[19] |
刘瑞峰, 王昕捷, 黄风雷, 等. 2,4-二硝基苯甲醚基熔铸炸药宏细观烤燃响应特性数值分析[J]. 兵工学报, 2022, 43(2):287-296.
|
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2022.02.006 |
|
[20] |
寇永锋, 杨坤, 张斌, 等. 基于烤燃实验和数值模拟的战斗部装药热安全性[J]. 兵工学报, 2023, 44(增刊1):41-49.
|
doi: 10.12382/bgxb.2023.0917 |
|
[21] |
刘瑞峰. DNAN基熔铸炸药烤燃响应特性[D]. 北京: 北京理工大学, 2022.
|
|
|
[22] |
王少平, 董受全, 李晓阳, 等. 高超声速反舰导弹作战效能指标体系研究[J]. 指挥控制与仿真, 2016, 38(5):41-46.
|
|
|
[23] |
周树平, 陈景昊, 文锋, 等. 一种用于高超声速导弹的轻质热防护结构:CN211234149U[P]. 2020-08-11.
|
|
|
[24] |
张倩玮, 陈意高, 崔红, 等. SiC-ZrC复相超高温陶瓷改性C/C复合材料的研究进展[J]. 材料导报, 2024, 38(3):84-93.
|
|
|
[25] |
邢悦, 井致远, 陈永雄, 等. 航空航天用气凝胶材料的研究进展[J]. 材料导报, 2022, 36(22):137-151.
|
|
|
[26] |
|
[1] | 刘贞娴, 蒋建伟, 李梅, 谢泓炜. 压环对爆炸成型弹丸成型影响的高精度仿真分析[J]. 兵工学报, 2025, 46(1): 231193-. |
[2] | 杨茜, 冯榆坤, 陈作钢, 张岩. 浅水条件下喷水推进船航态及喷射流形态研究[J]. 兵工学报, 2024, 45(S2): 123-132. |
[3] | 姜豪杰, 彭永, 孙宇雁, 王子国, 徐佳沛. RC桥墩的爆炸毁伤规律及快速计算模型[J]. 兵工学报, 2024, 45(S2): 305-316. |
[4] | 许辉, 陈作钢, 蔡佑林. 基于壁模化大涡数值模拟的喷水推进泵内湍流运动特性分析[J]. 兵工学报, 2024, 45(S2): 55-64. |
[5] | 金文, 蒋建伟, 门建兵, 李梅, 李海峰, 周鑫. 柱形容器约束下内装粉体冲击响应特性[J]. 兵工学报, 2024, 45(S1): 183-190. |
[6] | 张琨, 赵长啸, 韩彪, 纪冲, 张波, 张凯凯, 唐蓉. 多弹丸协同冲击下柱壳装药响应特性数值模拟及试验[J]. 兵工学报, 2024, 45(S1): 70-80. |
[7] | 王卿硕, 郭磊, 高洪寅, 何源, 王传婷, 陈鹏翔, 何勇. 梯度弹体结构轴向振动仿真研究[J]. 兵工学报, 2024, 45(S1): 191-199. |
[8] | 杨贵涛, 郭锐, 宋浦, 高光发, 俞旸晖. 形成串联爆炸成型弹丸的组合药型罩结构参数研究[J]. 兵工学报, 2024, 45(9): 3056-3070. |
[9] | 鲁航, 刘昊然, 陈泰然, 黄彪, 王国玉, 陈慧岩. 喷水推进两栖车辆水面航行特性试验与数值计算研究[J]. 兵工学报, 2024, 45(8): 2629-2645. |
[10] | 郭俊廷, 余永刚. 埋头弹药二次点火过程复杂流场特性[J]. 兵工学报, 2024, 45(7): 2282-2293. |
[11] | 李延泽, 钱林方, 付佳维, 陈龙淼. 基于热化学烧蚀模型的身管寿命等效折算系数研究[J]. 兵工学报, 2024, 45(5): 1426-1435. |
[12] | 严泽臣, 岳松林, 邱艳宇, 王建平, 赵跃堂, 施杰, 李旭. 水下爆炸冲击波反射压力计算方法的改进[J]. 兵工学报, 2024, 45(4): 1196-1207. |
[13] | 任国武, 康怀浦, 张绍龙, 张崇玉, 陈永涛, 汤铁钢. 两点侧面对称起爆下不同金属的激波斜碰行为[J]. 兵工学报, 2024, 45(11): 3892-3902. |
[14] | 王泽华, 潘腾, 刘瀚, 周宏元, 黄广炎, 张宏. 基于THUMS模型的人员胸部爆炸冲击波致伤机理[J]. 兵工学报, 2024, 45(10): 3754-3764. |
[15] | 李婧, 孙晓霞, 马兴龙, 朱文祥. 开孔泡沫金属传热和流动特性[J]. 兵工学报, 2024, 45(1): 122-130. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||