某氣囊裝置拋撒子彈的實(shí)驗(yàn)研究

劉志華，李賢連，王 健，楊 穎

（國營九六三四廠，湖南 岳陽， 414100）

目前，在子母戰(zhàn)斗部中，子彈的拋撒方式有多種，其中常見的有活塞式拋撒和氣囊拋撒兩種，它們的動力源主要是采用產(chǎn)氣藥劑。但兩種拋撒方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)：活塞式拋撒子彈的優(yōu)點(diǎn)是能量利用率高，子彈拋撒速度快，其缺點(diǎn)是子彈拋撒過載大，活塞作用距離要求較長，容易損壞子彈和彈體結(jié)構(gòu)，從而對彈體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和子彈強(qiáng)度的要求提高，這對于一些要求沖擊過載小、不耐沖擊的子彈不適用。氣囊拋撒子彈為柔性拋撒，其優(yōu)點(diǎn)是能量利用率較高，子彈拋撒速度均勻，子彈拋撒過載小，適用于沖擊過載小、不耐沖擊的子彈拋撒。因此，對于一些要求沖擊過載小的高精尖的子彈拋撒，采用以產(chǎn)氣藥劑為動力源的氣囊拋撒技術(shù)更為適用，目前在軍事領(lǐng)域已多有應(yīng)用。所以，對氣囊拋撒子彈進(jìn)行可行性和拋撒機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究很有必要。在本氣囊裝置拋撒子彈中，進(jìn)行了單艙子彈拋撒和多艙子彈定時、定序拋撒，在多艙子彈定時、定序拋撒中，需要考察子彈先行拋撒單元對后續(xù)艙拋撒單元的影響，本文完成了上述內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)研究工作。

1 氣囊拋撒子彈裝置設(shè)計

圖1為該氣囊裝置拋撒子彈效果圖，其動力源為一種能快速產(chǎn)生氣體的產(chǎn)氣藥劑，氣袋材料為一種高強(qiáng)度纖維織物。氣囊裝置共設(shè)計了5個拋撒艙。其工作過程是：隔板點(diǎn)火器傳火點(diǎn)燃第1艙氣囊拋撒單元產(chǎn)氣藥劑，第1艙氣囊拋撒單元開始工作，燃燒產(chǎn)生的氣體進(jìn)入氣袋內(nèi)，氣袋克服四周子彈和箍帶的約束力膨脹做功，四周子彈位移將箍帶脹斷，勻速地向外拋撒出去。同時第1艙氣囊拋撒單元產(chǎn)氣點(diǎn)燃第1艙氣囊拋撒單元與第 2艙氣囊拋撒單元之間的傳火組件。傳火組件點(diǎn)火后，經(jīng)過一定延期時間點(diǎn)燃第2艙氣囊拋撒單元，依此類推。根據(jù)艙與艙延期時間需要，設(shè)計好延期點(diǎn)火時間。圖2為氣囊裝置單艙結(jié)構(gòu)示意圖。主要試驗(yàn)條件為：氣囊裝置為5個拋撒單元艙，每艙子彈數(shù)量為5枚，周向均勻排布，單個模擬子彈質(zhì)量為1kg，各艙的裝藥量根據(jù)各艙子彈拋撒速度要求不同有所不同，艙與艙延期時間控制在5～8ms。

圖1 氣囊拋撒子彈效果Fig.1 The effect of scattering bullet by gasbag device

圖2 氣囊單艙結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure schematic of single cabin of gasbag

將氣囊拋撒裝置垂直擺放在1.5m高的工作臺上，用高速攝影儀記錄子彈拋撒全過程，并測量艙與艙子彈拋撒的延期時間和子彈的拋撒速度。采用由壓電式壓力傳感器、電荷放大器以及動態(tài)信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的壓力測試系統(tǒng)，記錄氣體發(fā)生器出口處的壓力——時間變化曲線。為更好地分析和計算裝藥量對子彈拋撒速度和拋撒過載的影響，在拋撒裝置與高速攝影儀垂直的一側(cè)2m處插上兩根距離為3m的紅白色標(biāo)志桿，通過讀取同側(cè)子彈通過兩根紅白色標(biāo)志桿的時間間隔來計算子彈的飛行速度，同時可根據(jù)子彈落高和子彈落點(diǎn)距彈心距離計算各枚子彈的飛行速度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 拋撒過程分析

圖3為單艙子彈拋撒和多艙子彈定時定序拋撒對比試驗(yàn)的高速攝影照片。

由圖3中可以看出，無論單艙拋撒單元還是多艙拋撒單元，四周子彈向外拋撒的速度基本一致，而且其落點(diǎn)圓周分布均勻。多艙拋撒單元定時定序拋撒時，子彈先行拋撒單元對后續(xù)拋撒單元基本無影響，因而多艙拋撒子彈方案是可行的。

圖3 單艙子彈拋撒和多艙子彈拋撒試驗(yàn)對比Fig.3 Scattering bullet by single cabin and multi-cabins

2.2 壓力變化規(guī)律

圖4為單艙拋撒試驗(yàn)典型的壓力P——t曲線圖。

圖4 單艙拋撒試驗(yàn)的P —— t曲線Fig.4 P —— t curve of single cabin scattering bullets

由圖4可見，壓力P隨時間t的變化是一個先上升后下降的過程，在上升過程中，存在一個上升速度先快后慢的過程。主要原因是氣囊產(chǎn)氣速度本身是一個先快后慢的過程，同時氣囊在產(chǎn)氣過程中，氣袋內(nèi)壓力增大，當(dāng)氣袋內(nèi)壓力達(dá)到一定壓力值時，子彈開始位移，氣袋內(nèi)容積增大，氣囊內(nèi)壓力上升速度有所減慢，當(dāng)囊內(nèi)壓力達(dá)到四周子彈和箍帶的約束力時，箍帶斷裂，氣囊達(dá)到最大壓力值Pm。峰值壓力Pm的大小與裝藥量有關(guān)，與產(chǎn)氣藥劑的產(chǎn)氣速度有關(guān)，與氣袋克服四周子彈和箍帶的約束力有關(guān)。在特定條件下，峰值壓力Pm的大小與裝藥量成正比，與產(chǎn)氣速度成正比，與四周子彈和箍帶的約束力成正比。在本氣囊裝置中，產(chǎn)氣藥劑選用較快燃速的產(chǎn)氣藥劑，單艙拋撒四周子彈質(zhì)量共 1kg×5，箍帶的約束力為 3 000N×2。

2.3 裝藥量對子彈拋撒速度、子彈拋撒承受過載及內(nèi)彈道特性的影響

2.3.1 子彈的拋撒速度和子彈拋撒承受的過載與裝藥量的關(guān)系

子彈的拋撒速度和子彈拋撒承受的過載與裝藥量的關(guān)系測試結(jié)果見表1。

表1 單艙子彈的拋撒速度和子彈拋撒承受過載的測試結(jié)果Tab.1 The test result of scattering speed and scattering overload of the bullet

由表1可見，序號1～4的氣囊本體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足裝藥量要求，子彈拋撒速度和拋撒承受的過載隨裝藥量的增加而增加，呈現(xiàn)出較好的變化規(guī)律性；當(dāng)達(dá)到一定裝藥量后，氣囊結(jié)構(gòu)破壞，子彈拋撒速度不再增加，甚至減少，拋撒過載明顯增大。子彈拋撒速度通過子彈落高和測量子彈的飛行距離計算，子彈拋撒承受的過載通過內(nèi)置彈載傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量。

2.3.2 峰值壓力與裝藥量的關(guān)系

圖5為表1中序號1～4實(shí)驗(yàn)獲得的峰值壓力與裝藥量的關(guān)系曲線。

圖5 峰值壓力與裝藥量的關(guān)系Fig.5 Relation between peak pressure and mass of charge

由圖 5可見，峰值壓力隨藥量的增加而增大，這種現(xiàn)象符合一般產(chǎn)氣藥劑的燃燒規(guī)律。因?yàn)樗幜吭黾樱瑓⑴c燃燒的藥劑表面積增加，產(chǎn)生的氣體和熱量增加，即燃燒速度增大，氣囊內(nèi)的壓力隨之增大。在單艙正常拋撒試驗(yàn)條件下，峰值壓力范圍為 2.5～3.5MPa，相應(yīng)的子彈過載為150g～350 g。

2.3.3 產(chǎn)氣作用時間及壓力上升速度與裝藥量的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)獲得的產(chǎn)氣作用時間與裝藥量關(guān)系曲線見圖6，壓力上升速度與裝藥量的關(guān)系曲線見圖7。由圖6～7可見，產(chǎn)氣作用時間隨裝藥量的增加而減少，而壓力上升速度隨裝藥量的增加而增大。

圖6 產(chǎn)氣作用時間與藥量的關(guān)系曲線Fig.6 Relation between gas producing time and mass of charge

因?yàn)樗幜吭黾?，藥劑的燃燒速度相?yīng)加快，產(chǎn)氣時間縮短，囊內(nèi)壓力隨之增加，所以壓力的上升速度增加，同時，由于子彈出艙速度快，氣囊的泄壓時間縮短。產(chǎn)氣時間在一定程度上反映了拋撒內(nèi)彈道持續(xù)時間，可為多艙定時定序拋撒時制定延期時間提供參考。

圖7 壓力上升速度與藥量的關(guān)系曲線Fig.7 Relation between pressure rising rate and mass of charge

2.4 氣囊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對子彈拋撒效果的影響

為考核氣囊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對子彈拋撒結(jié)果的影響，進(jìn)行了對比試驗(yàn)。對比試驗(yàn)的氣囊本體材料采用低強(qiáng)度鋁合金材料，適當(dāng)增加裝藥量，當(dāng)氣囊結(jié)構(gòu)損壞時，對比子彈的拋撒速度，結(jié)果見表1。

由表 1可以看出，當(dāng)氣囊本體結(jié)構(gòu)損壞時，子彈的拋撒速度明顯低于正常狀態(tài)，子彈拋撒速度極差增大，子彈拋撒落點(diǎn)不均勻，且子彈拋撒過載明顯增大。該試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)氣囊結(jié)構(gòu)損壞時，氣袋未能完全膨脹，氣囊瞬間泄壓，作用在各個子彈上的力不同，對子彈的拋撒結(jié)果產(chǎn)生較大影響。

3 結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)證明采用以氣體發(fā)生劑為動力源的氣囊裝置拋撒子彈具有子彈拋撒速度較快，且子彈速度在一定范圍內(nèi)可以通過調(diào)整氣體發(fā)生劑的裝藥量來進(jìn)行調(diào)節(jié)，以及壓力峰值低、對子彈拋撒過載小的優(yōu)點(diǎn)。

（2）氣囊拋撒多枚子彈時，氣囊四周子彈速度基本一致，且分布比較均勻。

（3）獲得了子彈拋撒速度、子彈拋撒承受的過載、產(chǎn)氣壓力、產(chǎn)氣作用時間等參數(shù)與裝藥量的關(guān)系。

（4) 氣囊結(jié)構(gòu)損壞會降低子彈的拋撒速度。

[1]王浩.子母彈內(nèi)燃式氣囊拋撒模型及計算機(jī)仿真[J].兵工學(xué)報,2001,22(2):178-181.

[2]徐復(fù)銘,包昌火,謝文心.氣體發(fā)生劑及氣體發(fā)生器[M].北京:國防工業(yè)出版社,1988.

[3]楊啟仁.子母彈飛行動力學(xué)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1998.

[4]鮑廷鈺,邱文堅.內(nèi)彈道學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1995.