一種具有高低壓藥室裝藥藥盒的設(shè)計(jì)研究

王殿湘，吳玉均，仵和平，楊正才，喬改霞，趙 亮

（1.海軍駐西安彈藥專業(yè)軍代表室，陜西 西安，710025；2.北方特種能源集團(tuán)有限公司西安慶華公司, 陜西 西安，710025）

智能地雷用于遲滯、阻礙、打擊并毀傷敵方運(yùn)動(dòng)的集群裝甲目標(biāo)，其主要優(yōu)點(diǎn)是隱蔽性高、靈活性強(qiáng)、作用時(shí)間短、打擊精度較高，因此在設(shè)計(jì)該武器系統(tǒng)時(shí)要求其發(fā)射身管較短、質(zhì)量較輕、發(fā)射系統(tǒng)作用時(shí)間快、具有穩(wěn)定的初速。為了可靠實(shí)現(xiàn)以上指標(biāo)，作為武器系統(tǒng)核心部件之一的發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤為重要，發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)就在藥盒的設(shè)計(jì)上。本文利用藥盒裝藥高壓燃燒、低壓膨脹做功的原理對裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，將發(fā)射藥裝填在體積較小、強(qiáng)度較高且開有排氣孔的高壓室內(nèi)，作用時(shí)，發(fā)射藥在高壓室內(nèi)燃燒產(chǎn)生的氣體通過排氣孔到達(dá)低壓室，然后推動(dòng)子彈藥運(yùn)動(dòng)。該藥盒結(jié)構(gòu)可保證發(fā)射藥在高壓室燃燒完全，充分地利用了發(fā)射藥的能量，同時(shí)，由于武器系統(tǒng)承受的壓力較低，減小了身管的厚度和武器的質(zhì)量，從而保證了智能地雷武器系統(tǒng)的研制。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)

1.1 技術(shù)難點(diǎn)

目前，高低壓裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要應(yīng)用在輕型武器上，以減小武器承受壓力的同時(shí)獲得高初速，如槍榴彈、高射炮等。而本文設(shè)計(jì)的藥盒應(yīng)用在智能地雷發(fā)射系統(tǒng)上，其發(fā)射身管較短，子彈藥與身管一樣長，而且子彈藥的形狀特殊，與輕型武器的發(fā)射裝置有很大的區(qū)別，使得該武器發(fā)射系統(tǒng)藥盒裝藥沒有多少可借鑒的經(jīng)驗(yàn)；同時(shí)，該武器還要求較輕的質(zhì)量、較小的體積，這給藥盒的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，既要保證該武器系統(tǒng)具有穩(wěn)定的射速、較短的作用時(shí)間，還要保證武器系統(tǒng)便于攜帶、作用時(shí)承受壓力較小等要求。

1.2 設(shè)計(jì)途徑

為了保證發(fā)射藥在膛內(nèi)燃燒完全，同時(shí)降低武器系統(tǒng)承受的壓力，必須使用速燃發(fā)射藥，如使用 2/1樟發(fā)射藥。但速燃發(fā)射藥趨向于增加膛壓和增大武器的質(zhì)量，通過采用高低壓藥室裝藥的藥盒設(shè)計(jì)可使該問題得到有效地解決。而藥盒的設(shè)計(jì)則主要是通過對高低壓藥室理論模型的建立，對藥盒襯墊材料、厚度以及氣體流出孔的數(shù)量、尺寸和位置進(jìn)行對比試驗(yàn)，從而得出較優(yōu)的藥盒設(shè)計(jì)方案。

1.3 高低壓藥室理論模型的建立

對智能地雷發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，同時(shí)結(jié)合高低壓藥室裝藥作用原理，對高壓室向低壓室的兩相流動(dòng)進(jìn)行分析，建立了如圖1所示的裝藥模型。

圖1 裝藥模型Fig.1 Model of charge

其彈道循環(huán)過程為：點(diǎn)火具引火點(diǎn)燃高壓室的裝藥，火藥裝藥在定容高壓室燃燒，直到火藥氣體壓力達(dá)到高壓室的破孔壓力，將高壓室襯墊穿透；然后，火藥氣體和已燃藥粒從高壓藥室隔離板的孔中流出，高壓藥室的火藥繼續(xù)燃燒，通過隔離板的火藥也繼續(xù)在低壓室燃燒，當(dāng)?shù)蛪核幨业膲毫_(dá)到武器系統(tǒng)子彈藥啟動(dòng)壓力后，子彈藥開始沿著發(fā)射身管運(yùn)動(dòng)。燃燒先在高壓室中結(jié)束，然后只有火藥氣體從孔中流過，接著低壓藥室的火藥燃燒接近結(jié)束，直到完全結(jié)束，子彈藥在火藥氣體膨脹過程中繼續(xù)加速運(yùn)動(dòng)。結(jié)合試驗(yàn)，給出了高壓室和低壓室的壓力——時(shí)間曲線，如圖2所示，其裝藥是25g 2/1樟發(fā)射藥。

根據(jù)建立的理論模型，利用密閉爆發(fā)器試驗(yàn)的方法，對藥盒襯墊材料、厚度以及氣體流出孔的數(shù)量、尺寸等因素進(jìn)行了對比及驗(yàn)證試驗(yàn)，分析了其對彈道特征的影響，得出了藥盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的較優(yōu)方案。

圖2 高壓室和低壓室的壓力——時(shí)間曲線Fig.2 P——t curve in high and low pressure chamber

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 襯墊材料對彈道性能的影響

為了使藥盒的襯墊能夠在發(fā)射藥全面燃燒并達(dá)到一定壓力后才被穿透，同時(shí)為了保證彈道的一致性，選用5L密閉爆發(fā)器，在固定裝藥量為25g 2/1樟發(fā)射藥、開孔數(shù)量為24、氣體流出孔為φ8mm的條件下，對不同藥盒襯墊材料、不同厚度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，其結(jié)果如表1所示。

表1 襯墊材料對彈道性能的影響Tab.1 Influence of pad material on ballistic performance

表1試驗(yàn)結(jié)果表明，選用鋁帶作為襯墊材料優(yōu)于其它幾種材料，從不同厚度試驗(yàn)結(jié)果上分析得到，選用0.2～0.3mm厚度能夠較好地滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)保證了藥盒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2.2 氣體流出孔數(shù)量和直徑對彈道性能的影響

為了確定藥室間氣體流出孔的數(shù)量和直徑的影響，選用5L密閉爆發(fā)器，在25g 2/1樟發(fā)射藥、襯墊為（0.25±0.05）mm鋁帶的情況下，分別對12孔、直徑φ6mm，24孔、直徑φ4mm，24孔、直徑φ5mm，24孔、直徑φ6mm進(jìn)行了試驗(yàn)研究，其結(jié)果如表2所示。

表2 氣體流出孔數(shù)量和直徑對彈道性能的影響Tab.2 Influence of number and diameter of gas hole on ballistic performance

試驗(yàn)結(jié)果表明，壓力隨著藥盒氣體流出孔數(shù)量的增加、孔徑的增大而減小；峰值時(shí)間隨著藥盒氣體流出孔數(shù)量的增加、孔徑的增大而延長。為了使藥盒作用后結(jié)構(gòu)完好，同時(shí)可靠實(shí)現(xiàn)發(fā)射藥的完全燃燒，提高火藥利用率，選用氣體流出孔為24孔、φ6mm的藥盒能夠較好地滿足以上要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高壓燃燒、低壓做功。

2.3 不同裝藥量對彈道性能的影響

在氣體流出孔為φ6mm、24孔，襯墊為（0.25±0.05）mm鋁帶的情況下，為了確定裝藥量對彈道性能的影響，結(jié)合智能地雷發(fā)射系統(tǒng)試驗(yàn)，對不同裝藥量的藥盒進(jìn)行了試驗(yàn)研究，其結(jié)果如表3所示。

表3試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著裝藥量的增加，平均膛壓增大，而平均炮口初速幾乎沒有多大變化，藥盒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也幾乎不受裝藥量的影響，根據(jù)總體的技術(shù)指標(biāo)要求，選取裝藥量23g即能滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 不同裝藥量對彈道性能的影響Tab.3 Influence of charge quantity on ballistic performance

3 結(jié)論

本文進(jìn)行了高低壓裝藥結(jié)構(gòu)藥盒理論模型的建立以及驗(yàn)證試驗(yàn)，重點(diǎn)對高低壓形成的影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過對藥盒襯墊材料及其厚度、氣體流出孔數(shù)量及大小的試驗(yàn)對比，得出了當(dāng)藥盒襯墊選擇0.3mm的鋁帶，氣體流出孔數(shù)量為24、大小為φ6mm時(shí)能較好地改善智能地雷武器系統(tǒng)的內(nèi)彈道性能；同時(shí)通過對不同裝藥量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得出了藥盒裝藥量與膛壓的線性關(guān)系，對智能地雷發(fā)射系統(tǒng)裝藥量的調(diào)整提供了經(jīng)驗(yàn)。該藥盒的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了火藥利用率高、裝藥燃燒完全、武器系統(tǒng)承受的壓力較低，以及減小燃燒室、發(fā)射管的壁厚和武器系統(tǒng)的質(zhì)量等要求，為該武器系統(tǒng)的成功研制打下了基礎(chǔ)。

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