新型多路高低壓微拋射系統(tǒng)＊

楊 衛(wèi)，張 皎，王 聰，李 飛

（中北大學(xué)，太原 030051）

0 引言

針對新一代微型戰(zhàn)場偵察與作戰(zhàn)裝備的發(fā)展需求，研究地面微型攻擊系統(tǒng)需要對從常規(guī)發(fā)射技術(shù)到小口徑發(fā)射技術(shù)，再至微小型彈丸發(fā)射技術(shù)的規(guī)律性進(jìn)行研究。

到目前為止，關(guān)于單路的高低壓拋射器已經(jīng)屢見不鮮。當(dāng)需要同時發(fā)射多發(fā)炮彈時，就必須使用與炮彈數(shù)目相同的拋射器，通過同一個點(diǎn)火信號同時控制炮彈發(fā)射。但是，各炮管與炮彈之間的間隙存在裝配誤差，單路高低壓微拋射器高低壓室之間的傳火通道的大小、長度也存在誤差。高壓室的容積、拋射藥的質(zhì)量存在誤差，點(diǎn)火具接到點(diǎn)火信號、點(diǎn)燃時間不同步，傳統(tǒng)的單路高低壓微拋射器無法克服以上誤差，容易出現(xiàn)炮口速度散布偏大，影響射擊精度，穩(wěn)定性要求提高，這些原因使得高低壓拋射器設(shè)計難度加大。

文中用新型多路高低壓微拋射系統(tǒng)，采用儲、運(yùn)、發(fā)一體化設(shè)計，并由多路高低壓拋射器組成，使用多路高低壓轉(zhuǎn)換技術(shù)，在一個高壓室產(chǎn)生高壓氣體，通過多個傳火通道，氣體進(jìn)入低壓室，推動戰(zhàn)斗部發(fā)射。根據(jù)高低壓的比例參數(shù)，計算高低壓室的體積以及裝藥量。通過合理的氣路設(shè)計，使戰(zhàn)斗部受力均勻。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

新型多路高低壓微拋射系統(tǒng)由定向器、基座、多路高低壓微拋射器、A戰(zhàn)斗部、B戰(zhàn)斗部等組成，下面以四路高低壓微拋射器為例進(jìn)行進(jìn)一步的說明，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)由四套相同的發(fā)射器組成，四組分工負(fù)責(zé)360°中各自相對的 90°區(qū)域，如圖2所示。多模戰(zhàn)斗部與定向器采用分體固連方式，安全發(fā)火裝置及保險裝置采用兩套冗余設(shè)計。通過內(nèi)彈道計算確定膛壓后，選定戰(zhàn)斗部彈帶過盈量；采用彈丸藥筒合裝的方式，藥筒底火組件與定向器設(shè)計成螺紋連接，以此解決彈丸在定向管內(nèi)定位的問題。

圖2 系統(tǒng)總體示意圖

1.2 多路高低壓微拋射器

高低壓發(fā)射原理非常適合于那種小裝藥量、膛壓和初速均比較低的發(fā)射武器，如步兵使用的榴彈發(fā)射器，在該項目中要求發(fā)射過程中產(chǎn)生的過載不易過大、射程范圍比較小、裝藥量小，因此，采用高低壓發(fā)射方式［1］。多路高低壓微拋射器由一路變成了四路，并且采用機(jī)電一體化設(shè)計。這樣，不僅使整體的重量大大降低，并且降低了對發(fā)射管質(zhì)量、強(qiáng)度的要求，使多路炮管發(fā)射的同步一致性得到了保證。由于新型多路高低壓微拋射器采用同一個高低壓室，同一個點(diǎn)火具，消除了由于高壓室的容積、拋射藥的質(zhì)量、點(diǎn)火具接到電信號的時間的先后、點(diǎn)燃時間的先后（影響最大）、發(fā)射電路不匹配造成的誤差，使射擊更加穩(wěn)定，從而提高射擊的精度。

多路高低壓微拋射器主要由十部分組成（見圖3）。之所以設(shè)計成環(huán)形，是因?yàn)榭梢酝瑫r與4個電連接器連接。這樣只要一個發(fā)火電路就可以了，從而降低了制造成本。

圖3 多路高低壓微拋射器結(jié)構(gòu)示意圖

多路高低壓微拋射器使用多路高低壓轉(zhuǎn)換技術(shù)。在一個高壓室產(chǎn)生高壓氣體，通過4個傳火通道，氣體進(jìn)入低壓室，根據(jù)高低壓的比例參數(shù)，計算高低壓室的體積以及裝藥量。設(shè)計高低壓室的形狀時，要做到使4個戰(zhàn)斗部受力均勻。

2 理論分析

2.1 戰(zhàn)斗部拋射飛行分析

設(shè)拋射彈丸出炮口速度為v；水平傾角為θ；彈丸上升段時間為t1；彈丸下降段時間為t2；彈丸射程為S；高程為H。這里g為重力加速度。

設(shè)彈丸的質(zhì)量為m1，根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的動能定理有：

設(shè)發(fā)射火藥的火藥力為f，發(fā)射火藥的質(zhì)量為m2，則有火藥藥力W：

發(fā)射火藥點(diǎn)火燃燒對彈丸作有用功，設(shè)能量利用系數(shù)為a，根據(jù)能量守恒定律：

這里取火藥力f＝294.3J／g，設(shè)火藥質(zhì)量為m2，假設(shè)火藥藥力的20%被用于作功，即能量利用系數(shù)a＝0.2，由式（5）和式（6）有：

根據(jù)相關(guān)背景技術(shù)指標(biāo)，微拋射器可定向發(fā)射戰(zhàn)斗部射程為50 m，在不考慮其它因素的條件下，可以求出彈丸最低出炮口理論速度v，再由式（2）和式（3）可以得出在此條件下發(fā)射的最大高度為H＝13.2 m，已經(jīng)滿足設(shè)計要求。

2.2 炮口速度計算

現(xiàn)在設(shè)戰(zhàn)斗部的質(zhì)量為m，A為彈底截面積，S1為戰(zhàn)斗部在定向管內(nèi)的實(shí)際滑行長度，KT為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（一般取1.02～1.2），p為低壓室的平均壓力，則炮口速度的計算公式為［3］：

高低壓發(fā)射戰(zhàn)斗部不僅要提高炮口的速度，還要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)速，使炮口的速度散布誤差小于5%。為此，采取措施穩(wěn)定低壓室的壓力，保證炮口速度的穩(wěn)定性。

2.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

系統(tǒng)在無駐地措施的情況下，系統(tǒng)不會發(fā)生翻滾、滑移。從理論上講，要實(shí)現(xiàn)這一目的，必須使氣體從噴管中流出所產(chǎn)生的推力和彈丸及火藥氣體所產(chǎn)生的后坐力相互抵消，或兩者所產(chǎn)生的動量保持平衡。高低壓發(fā)射時，高低壓拋射器所受后坐力為AP，戰(zhàn)斗部在管內(nèi)與推彈環(huán)、發(fā)射管壁產(chǎn)生一個摩擦力F，反后坐力為F1，則系統(tǒng)所受不平衡力為：

當(dāng)FZ＝0時，表示系統(tǒng)處于完全平衡狀態(tài)，此時系統(tǒng)的穩(wěn)定性最好，但實(shí)際發(fā)射時，由于各種因素的變化影響，F(xiàn)Z不會都等于零。在該系統(tǒng)中通過對稱分布，合理的公差配合計算，合理的氣路設(shè)計，使得氣路分布達(dá)到平衡，使得發(fā)射時產(chǎn)生的后坐力在徑向上保持平衡。從而在無駐地措施的情況下，系統(tǒng)保證穩(wěn)定發(fā)射。

3 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析

為驗(yàn)證該系統(tǒng)設(shè)計方法的正確性、可行性和穩(wěn)定性，達(dá)到項目所需的有效殺傷半徑10 m，同步發(fā)射4個A戰(zhàn)斗部，使得A戰(zhàn)斗部初速為70 m／s，微發(fā)射器發(fā)射后系統(tǒng)移動范圍不超過10c m，旋轉(zhuǎn)不超過5°的要求，就必須對該系統(tǒng)進(jìn)行微戰(zhàn)斗單元?dú)霃綄?shí)驗(yàn)、測速實(shí)驗(yàn)、發(fā)射過程移動測試實(shí)驗(yàn)等相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

3.1 微戰(zhàn)斗單元?dú)霃綄?shí)驗(yàn)

按GJB3197－1998炮彈試驗(yàn)方法403扇形靶中計算，子彈的擊穿破片密集殺傷半徑為5.22 m，有效破片密集殺傷半徑大于8 m，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

3.2 微拋射系統(tǒng)測速實(shí)驗(yàn)

把上述的系統(tǒng)通過驗(yàn)證裝置裝彈后進(jìn)行發(fā)射試驗(yàn)，經(jīng)過3次重復(fù)性的試驗(yàn)，得到微拋射系統(tǒng)的發(fā)射初速，如表1所示。

表1 微拋射器發(fā)射初速試驗(yàn)數(shù)值

在測試得到的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算炮口初速的中間偏差和散布。

表2 微拋射器發(fā)射初速試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過三次試驗(yàn)，測得A戰(zhàn)斗部的炮口的速度散布誤差小于5%，達(dá)到了穩(wěn)速的效果，為達(dá)到有效射程奠定了好的基礎(chǔ)。

3.3 微拋射系統(tǒng)移動量測試

在無駐地措施下，微拋射器在發(fā)射彈丸的過程中，系統(tǒng)在徑向幾乎沒有位移，從而保證發(fā)射的穩(wěn)定性和可靠性。試驗(yàn)過程如圖4和圖5所示。

圖4 戰(zhàn)斗部發(fā)射前

圖5 戰(zhàn)斗部發(fā)射后

由圖4和圖5可以看出，系統(tǒng)在發(fā)射完戰(zhàn)斗部后未出現(xiàn)翻滾、較大滑移的現(xiàn)象，由此從試驗(yàn)的角度驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，這對以后的應(yīng)用和推廣有非常重要的意義。

4 結(jié)論

新型多路高低壓微拋射系統(tǒng)在理論和實(shí)驗(yàn)中都得到了驗(yàn)證，此設(shè)計方法可以推廣到更多路的高低壓拋射器的設(shè)計中，并且都能達(dá)到比較好的效果。對多路高低壓微拋射系統(tǒng)又有了更進(jìn)一步的認(rèn)識，為以后的深入研究和應(yīng)用具有重要的意義。

［1］ 金志明.槍炮內(nèi)彈道學(xué)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2005.

［2］ 徐誠，王亞平.火炮與自動武器動力學(xué)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

［3］ 賀北斗.火箭發(fā)射裝置設(shè)計［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1988.