超高射頻火炮射擊實(shí)驗(yàn)及內(nèi)彈道仿真

張緒明，侯 健，郭 棟

(海軍工程大學(xué)兵器工程系，武漢 430033)

超高射頻火炮因采用串聯(lián)欲裝填發(fā)射方式可以獲得極高的發(fā)射速度以及靈活的發(fā)射方式，所以極具發(fā)展前景。在身管內(nèi)串聯(lián)放置的多發(fā)彈丸通過點(diǎn)火控制裝置連續(xù)不斷地發(fā)射出去，因而內(nèi)彈道過程非常復(fù)雜，澳大利亞金屬風(fēng)暴公司在工程實(shí)現(xiàn)上進(jìn)行了較廣泛的研究，國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)主要對其發(fā)射過程進(jìn)行了一定的探討，并進(jìn)行了原理炮實(shí)驗(yàn)。本文進(jìn)行了串聯(lián)排列的膛內(nèi)三發(fā)和五發(fā)彈丸的較高射頻的連發(fā)實(shí)驗(yàn)，并利用經(jīng)典內(nèi)彈道模型對膛內(nèi)過程進(jìn)行了模擬仿真，就發(fā)射頻率對超高射頻火炮的內(nèi)彈道性能和出炮口速度的影響進(jìn)行了數(shù)值仿真［1－9］。

1 發(fā)射原理及膛內(nèi)壓力測試

超高射頻火炮試驗(yàn)裝置和控制測試裝置的連接示意圖如圖1所示。點(diǎn)火控制裝置根據(jù)預(yù)設(shè)射擊頻率控制各個(gè)藥室依次引燃底火，發(fā)射身管設(shè)有一系列測壓孔，壓電測壓傳感器測得的壓力值，經(jīng)過膛壓信號調(diào)理電路由單片機(jī)采集并記錄，最后通過計(jì)算機(jī)處理得到各測試點(diǎn)的壓力變化曲線。由首發(fā)彈丸穿過紙靶的時(shí)間間隔可測得彈丸初速彈丸出炮口速度。

2 射擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對上述裝藥結(jié)構(gòu)的超高射頻火炮進(jìn)行了三連發(fā)和五連發(fā)頻率的實(shí)驗(yàn)，下面是一些典型射擊結(jié)果曲線。

2.1 三連發(fā)射擊實(shí)驗(yàn)膛壓曲線

圖2中壓力曲線由上至下依次為G1、G2、G3點(diǎn)處測得。其中G1點(diǎn)位于第一發(fā)彈藥室處，G2點(diǎn)位于第二發(fā)彈藥室處，G3點(diǎn)位于第三發(fā)彈藥室處，分別用于測試所處藥室處的壓力變化。G1與G2，G2與G3之間的間隔距離均為一個(gè)彈長。

圖1 試驗(yàn)裝置及控制測試裝置連接示意圖

圖2 三連發(fā)實(shí)驗(yàn)P－t曲線

2.2 五連發(fā)射擊實(shí)驗(yàn)膛壓曲線

在上述三連發(fā)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了某射擊頻率的五連發(fā)射擊試驗(yàn)。圖3是發(fā)射五發(fā)彈丸時(shí)G1、G2、G3、G4、G5的壓力曲線，五個(gè)點(diǎn)分別對應(yīng)五個(gè)藥室。

從圖2和圖3可見，實(shí)彈射擊所得的各彈丸膛壓數(shù)據(jù)規(guī)律相同，即當(dāng)每發(fā)彈及其發(fā)射裝藥相同，裝填條件相同，啟動壓力相同，第二發(fā)彈丸及后續(xù)彈丸的最大膛壓均高于第一發(fā)彈丸的最高膛壓，其中第二發(fā)彈丸的最大膛壓最高。但三連發(fā)時(shí)測得的第二、第三發(fā)彈丸膛壓均比五連發(fā)時(shí)測得的第二、第三發(fā)彈丸膛壓偏低，這是由于三連發(fā)時(shí)各彈丸膛內(nèi)運(yùn)動行程均大于五連發(fā)時(shí)前三發(fā)彈丸，使三連發(fā)時(shí)各發(fā)彈丸出炮口后的氣體壓力低于五連發(fā)時(shí)相對應(yīng)的彈丸，即三連發(fā)時(shí)各發(fā)彈丸啟動壓力低于五連發(fā)時(shí)相對應(yīng)的彈丸啟動壓力。

3 膛內(nèi)過程數(shù)值仿真

為了建立經(jīng)典的內(nèi)彈道數(shù)值模型，特提出一下幾點(diǎn)假設(shè):火藥燃燒服從幾何燃燒定律;火藥燃燒和彈丸的運(yùn)動是在平均壓力的條件下進(jìn)行的;火藥燃燒速度與壓力成正比;在燃燒期間和燃燒結(jié)束后，火藥的燃燒生成物始終保持不變，即把火藥力f和火藥氣體余容α當(dāng)作常量來處理;用次要功系數(shù)來考慮各種次要功，膛壁的熱散失忽略不計(jì);彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動時(shí)，密閉良好，不存在漏氣現(xiàn)象;以滑膛炮為研究對象，不考慮擠進(jìn)功，認(rèn)為膛壓達(dá)到彈前啟動壓力時(shí)彈丸開始運(yùn)動。

超高射頻發(fā)射火炮內(nèi)彈道基本方程組見文獻(xiàn)［6－13］。在其基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了涉及頻率的變化對內(nèi)彈道性能的影響。本文以多孔火藥為例，進(jìn)行了超高射頻串聯(lián)發(fā)射五連發(fā)射擊時(shí)的三種射擊狀態(tài)的內(nèi)彈道仿真。

圖3 五連發(fā)實(shí)驗(yàn)P－t曲線

3.1 射頻較低時(shí)內(nèi)彈道仿真結(jié)果及分析

每發(fā)彈丸質(zhì)量及其發(fā)射藥的裝藥量相同，裝填條件相同，啟動壓力相同，射擊間隔為10 ms，后發(fā)彈丸擊發(fā)時(shí)前發(fā)彈丸火藥燃?xì)庖雅趴?。圖4－圖7為射頻較低時(shí)P－t，v－t，P －l，v－l仿真結(jié)果。

圖4 5發(fā)彈丸P－t曲線

圖5 5發(fā)彈丸v－t曲線

圖6 5發(fā)彈丸P－l曲線

圖7 5發(fā)彈丸v－l曲線

從圖4－圖7，若每發(fā)彈及其發(fā)射裝藥相同，裝填條件相同，啟動壓力相同，則每發(fā)彈到達(dá)最大膛壓時(shí)，彈丸速度、彈丸行程、所用時(shí)間相同;后發(fā)彈丸出炮口速度要比前發(fā)彈丸出炮口速度略有增加，這是由于后發(fā)彈丸膛內(nèi)運(yùn)動行程大于前發(fā)彈丸。

3.2 射頻較高時(shí)內(nèi)彈道仿真結(jié)果及分析

每發(fā)彈丸質(zhì)量及其發(fā)射藥的裝藥量相同，裝填條件相同，啟動壓力相同，射擊間隔為5 ms，前發(fā)彈丸火藥燃?xì)馍形磁趴蘸蟀l(fā)彈丸就已擊發(fā)。圖8－圖11為射頻較高時(shí)P－t，v－t，P －l，v－l仿真結(jié)果。

從圖8－圖11，若每發(fā)彈及其發(fā)射裝藥相同，裝填條件相同，啟動壓力相同，則第二發(fā)彈丸及后續(xù)彈丸的最大膛壓均高于第一發(fā)彈丸的最高膛壓，其中第二發(fā)彈丸的最大膛壓最高，這是由于前發(fā)彈丸火藥燃?xì)鈮毫蟀l(fā)彈丸的影響，使后發(fā)彈丸啟動壓力均高于第一發(fā)彈丸;第二發(fā)彈丸至第五發(fā)彈丸最大膛壓依次降低，這是由于后發(fā)彈丸膛內(nèi)運(yùn)動行程、速度均大于前發(fā)彈丸，使后發(fā)彈丸出炮口后的氣體壓力低于前一發(fā)彈丸，即后發(fā)彈丸啟動壓力低于前發(fā)彈丸啟動壓力;后發(fā)彈丸出炮口速度要比前發(fā)彈丸出炮口速度略有增加，這是由于后發(fā)彈丸膛內(nèi)運(yùn)動行程大于前發(fā)彈丸。

圖8 5發(fā)彈丸P－t曲線

圖9 5發(fā)彈丸v－t曲線

圖10 5發(fā)彈丸P－l曲線

圖11 5發(fā)彈丸v－l曲線

3.3 射頻很高時(shí)內(nèi)彈道仿真結(jié)果及分析

每發(fā)彈丸質(zhì)量及其發(fā)射藥的裝藥量相同，裝填條件相同，啟動壓力相同，射擊間隔為3 ms，前發(fā)彈丸火藥燃?xì)馍形闯雠诳诤蟀l(fā)彈丸就已擊發(fā)。圖12－圖15為射頻較高時(shí)P－t，v－t，P －l，v－l仿真結(jié)果。

圖12 5發(fā)彈丸P－t曲線

圖13 5發(fā)彈丸v－t曲線

圖14 5發(fā)彈丸P－l曲線

圖15 5發(fā)彈丸v－l曲線

從圖12－圖15，若每發(fā)彈及其發(fā)射裝藥相同，裝填條件相同，啟動壓力相同，則由于射頻很高，前發(fā)彈丸還沒出炮口，后發(fā)彈丸就已擊發(fā)，前發(fā)彈丸對后發(fā)彈丸運(yùn)動產(chǎn)生很大阻力，導(dǎo)致第二發(fā)彈丸最大膛壓比第一發(fā)彈丸最大膛壓高出近60 MPa，第二發(fā)彈丸及其后彈丸最大膛壓相差不大;后發(fā)彈丸出炮口速度要比前發(fā)彈丸出炮口速度要小，這是由于后發(fā)彈丸開始運(yùn)動時(shí)受彈前壓力的作用，啟動壓力提高，但發(fā)射時(shí)間間隔太小，由于彈前壓力過大，后發(fā)彈丸在定容燃燒階段已經(jīng)達(dá)到非常高的膛壓，火藥燃燒結(jié)束點(diǎn)大大提高，炮膛工作容積利用率反而下降，最終造成炮口速度下降。

4 結(jié)束語

本文進(jìn)行了某口徑火炮的串聯(lián)3發(fā)和5發(fā)較高射頻的實(shí)驗(yàn)，并建立了超高射頻火炮的內(nèi)彈道經(jīng)典模型，詳細(xì)分析了射擊頻率對金屬風(fēng)暴武器系統(tǒng)內(nèi)彈道參數(shù)的影響。分析結(jié)果表明:實(shí)彈射擊所得的各彈丸膛壓數(shù)據(jù)規(guī)律和射頻較高時(shí)內(nèi)彈道仿真得出的數(shù)據(jù)規(guī)律基本相符。因此，從實(shí)彈射擊所測得的膛壓曲線可以看出該型超高射頻串聯(lián)發(fā)射裝置是可行的;隨著射擊頻率的提高，前發(fā)彈與次發(fā)彈之間的內(nèi)彈道過程耦合越明顯，使得武器的內(nèi)彈道過程也越復(fù)雜。由于超高射頻火炮在高射頻時(shí)會出現(xiàn)彈道耦合的現(xiàn)象，影響彈丸出炮口時(shí)的運(yùn)動參數(shù)，進(jìn)而影響到射擊精度;后續(xù)研究應(yīng)對發(fā)射裝置進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證與改進(jìn)，同時(shí)優(yōu)化改進(jìn)內(nèi)彈道的分析模型，爭取早日達(dá)到實(shí)戰(zhàn)要求。本文的研究結(jié)果為超高射頻火炮內(nèi)彈道設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

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(責(zé)任編輯周江川)