对“拍头助跑”现象的解释与探索——基于数值模拟方法

大做题家 · 发表于 2024-8-24 06:59:57

前段时间有坛友@yeye107 发现，在jolt等短管发射器上给气缸末端开槽/打孔能获得更高的初速，大家对这个发现甚是热情。我尝试使用自行编写的模拟程序对这个现象进行研究（更多相关文章可参考我之前帖子），现将结果总结如下：
1.气缸末端开孔会使膛内压强峰值最大时刻提前来临，使软弹加速更加急促
2.其他参数不变情况下，只移动气缸开孔位置，软弹峰值速度变化不明显
3.开孔导致的气量降低在长管情况下会倒吸软弹，造成速度下降

下面是具体数据：
首先是对发射器内弹道的粗略解释。我使用女武神的发射器参数进行模拟，关键参数主要有气缸长宽，拍头重量和软弹重量。此处拍头重30g，软弹1.2g。
下图是一次模拟的参数和数据图表，以时间作为横轴：
绿色曲线是拍头在气缸中的位置，可以看到一开始拍头运动速度较快，但移动过气缸中段时由于压缩空气巨大的回弹力不再向前运动，出现轻微的反弹现象。
红线为膛内压力，初期随拍头运动迅速增大，软弹向前加速后，又因拍头回弹和软弹前移而下降。膛内压力与软弹加速度直接相关。
黄线为软蛋速度，可见中段压力大时，软弹加速明显，前段和后段速度变化都不大。
蓝线为软弹位置，运动的前一半时间，软弹位置变化不剧烈，后半段由于加速的影响，软弹开始高速运动。
需要注意的是由于模拟不全面的影响，最终结果相对实际值（跑分）有20%左右偏高，因此不能用作准确定量分析，但可用于观察膛内运动模式的特点。

气缸开孔对内弹道的影响：
由于时间—压力曲线不能准确地反映软弹加速度和膛内位置的关系，下文图表都使用软弹在膛内的位移作为横轴，主要关注软弹加速度和速度的变化特点。首先是普通气缸，有效长度91mm：
注意代表弹丸加速度的红线，它在弹丸向前运动7mm时达到极值，约为14500米/秒平方（就是1450倍重力加速度）在此后迅速下降。黄线则是弹丸速度，可以看到在一开始的二十多厘米，弹丸速度就达到了最大值的一多半。

在气缸上开孔，将有效长度分别降低至70，55，40mm后运行模拟，可以发现随着气缸变短，峰值压力越来越大，对应的位移也越来越短。这是因为拍头在真正压缩空气前，被弹簧加速了一段距离，已经拥有一定速度。因此相比从零速度就开始压缩空气的普通情况，这种时候的拍头压缩情况要更迅猛一些，相对地，峰值后压强压强也会更快下降。
在40mm长度的情况下，弹丸的最大加速度到达了3600个重力加速度，而且此时对应的位移仅有2mm不到，可谓是十分极端了。

最后，我整理了几种情况下的最大速度，峰值压力，80%，90%以及100%速度对应的弹丸位置图表如下：
可以发现气缸开孔能使加速过程更急促，缩短最大速度对应的位移（也就是管长），从而改善短发射器的表现，这对短款发射器帮助比较大。

另外，气缸开孔貌似对峰值速度不会有太大影响——归根结底，内膛中的空气只是传递能量的介质，软弹能跑到多少分，第一看弹簧中蓄积了多少能量；第二看出膛时，这些能量有多少被传递给了软弹，又有多少耗散在了发射过程中摩擦，泄气，拍头回弹，气体未膨胀完全等等问题上。

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