隨行裝藥優(yōu)化設(shè)計(jì)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

隨行裝藥優(yōu)化設(shè)計(jì)

祁臣勇

(中北大學(xué)，太原030051)

摘要:為了優(yōu)選出30 mm隨行裝藥結(jié)構(gòu)的點(diǎn)火延遲時(shí)間、隨行藥燃速和隨行藥火藥力三者的優(yōu)化組合，保證在最大膛壓不超出指標(biāo)的條件下獲得較高的彈丸初速。采用固體隨行裝藥零維內(nèi)彈道模型編寫(xiě)程序求數(shù)值解，在此基礎(chǔ)上采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)隨行裝藥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化試驗(yàn)方案，利用正交表安排數(shù)值模擬試驗(yàn)，運(yùn)用綜合平衡法分析試驗(yàn)結(jié)果，得出優(yōu)選方案并用數(shù)值模擬試驗(yàn)驗(yàn)證。優(yōu)選方案為：點(diǎn)火延遲時(shí)間1.766 ms，隨行藥燃速系數(shù)2.67×10-8 m/(s.pan)，隨行藥火藥力1 050 MPa.dm3/kg。驗(yàn)證結(jié)果說(shuō)明用正交法安排數(shù)值模擬試驗(yàn)可以優(yōu)選出較好的隨行裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：隨行裝藥；數(shù)值模擬；正交試驗(yàn)

收稿日期：2014-08-06

基金項(xiàng)目：火炸藥研究基金(404060202)

作者簡(jiǎn)介：祁臣勇(1981—)，男，碩士研究生，主要從事火藥裝藥研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.017

中圖分類號(hào)：TJ410.52

文章編號(hào)：1006-0707(2015)01-0060-04

本文引用格式：祁臣勇.隨行裝藥優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(1):60-63.

Citationformat:QIChen-yong.OptimizationDesignofTravelingCharge[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(1):60-63.

OptimizationDesignofTravelingCharge

QIChen-yong

(NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China)

Abstract:The purpose of this study is to select the optimization results of delay time, burning rate, and the travel charge impetus of 30 mm traveling charge structure in order to have a higher muzzle velocity of projectile under the condition of maximum bore pressure. According to the adoptive traveling charge scheme in 30 mm cannon, a zero dimension interior ballistic model of solid traveling charge was used to get a program for numerical solution. The travel charge optimization test scheme was designed by orthogonal experimentation. The orthogonal layout was used to arrange tests, and then the synthesized balance method was adopted to analyze the data of numerical simulation. The optimized ignition delay time, burning rate and the travel charge impetus were obtained and validated with numerical simulation tests. The optimal solution is that the delay time is 1.766 ms, the burning rate is 2.67×10-8 m/(s.pan), and the travel charge impetus is 1 050 MPa.dm3 kg.Verification results show that the method which optimizes parameter by using numerical simulation tests arranged by orthogonal is feasible.

Keywords:travelingcharge;numericalsimulation;orthogonaldesign

隨行裝藥技術(shù)是在彈丸底部裝填一定量的火藥，當(dāng)主裝藥膛壓達(dá)到最大值后，隨行裝藥開(kāi)始燃燒產(chǎn)生大量的氣體，增加彈后壓力，提高彈丸初速。隨行裝藥可以在最大膛壓和總裝藥量不變的前提下提高彈道效率，獲得較高的炮口初速。隨行裝藥的關(guān)鍵技術(shù)包括隨行技術(shù)、點(diǎn)火延遲時(shí)間的控制技術(shù)和高燃速火藥技術(shù)[1]。選取恰當(dāng)?shù)狞c(diǎn)火延遲時(shí)間、隨行藥燃速和隨行藥能量是隨行裝藥設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本研究采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)30mm隨行裝藥結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬優(yōu)化試驗(yàn)方案，并利用零維內(nèi)彈道模型對(duì)隨行裝藥進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析點(diǎn)火延遲時(shí)間、隨行藥燃速和隨行藥火藥力對(duì)最大膛壓和彈丸初速的影響，優(yōu)選出點(diǎn)火延遲時(shí)間、隨行藥燃速和隨行藥火藥力的優(yōu)化組合。

1隨行裝藥內(nèi)彈道模型[2]

1) 主裝藥的藥型函數(shù)

2) 主裝藥的燃速方程

3) 隨行藥的藥型函數(shù)

4) 隨行裝藥的燃速方程

5) 彈丸速度與行程關(guān)系式

6) 彈丸運(yùn)動(dòng)方程

7) 隨性裝藥點(diǎn)燃后的內(nèi)彈道基本方程

其中：

2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

假定隨行裝藥試驗(yàn)在30mm火炮上進(jìn)行，選取點(diǎn)火延遲時(shí)間A、隨行藥燃速B和隨行藥火藥力C作為正交設(shè)計(jì)因素，將最高膛壓和彈丸初速作為正交試驗(yàn)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：最高膛壓低于30mm榴彈膛壓指標(biāo)，彈丸初速越高越好。根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在隨行裝藥試驗(yàn)和理論研究所取得的成果[3-6]試驗(yàn)中各因素的水平值如表1所示。

在相同的計(jì)算條件下，數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果不存在試驗(yàn)誤差引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)，所以正交表不設(shè)計(jì)空白列考察偶然誤差。試驗(yàn)需要考察3個(gè)單因素，自由度總和為： f總=3×(3-1)=6。正交表L9(34)的自由度為8，本設(shè)計(jì)方案可選用L9(34)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，表頭設(shè)計(jì)如表2所示。

表1　正交分析因素及水平

表2　表頭設(shè)計(jì)

根據(jù)表2，將因素A、B和C的3個(gè)水平分別填入L9(34)的第一、第二和第三列中，便得到9種不同的試驗(yàn)方案，如表3所示。

表3　試驗(yàn)方案

3正交試驗(yàn)和結(jié)果分析

利用隨行裝藥內(nèi)彈道模型，分別數(shù)值模擬正交表中的9組隨行裝藥，其數(shù)值結(jié)果見(jiàn)表4。

采用綜合平衡法進(jìn)行分析，表5列出了雙指標(biāo)的極差分析結(jié)果，其中Ki(i=1，2，3)表示各因素的第i水平在試驗(yàn)中所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)值之和。

根據(jù)表5中極差的大小判斷，對(duì)于最大膛壓，優(yōu)化組合是A3B3C3，各因素影響程度關(guān)系是：B>A>C；對(duì)于彈丸初速，優(yōu)化組合是A1B1C3，各因素影響程度關(guān)系是：B>C>A。這2個(gè)方案不完全相同。各指標(biāo)隨因素的水平變化規(guī)律如圖1所示。

表4　正交試驗(yàn)結(jié)果

表5　雙指標(biāo)極差分析

圖1　各指標(biāo)隨因素的水平變化規(guī)律

將圖1和表5結(jié)合分析，得到較好的試驗(yàn)方案是A2B2C3，該方案在正交表中沒(méi)有出現(xiàn)，需要模擬計(jì)算，與其他方案進(jìn)行比較。

4優(yōu)化組合的數(shù)值模擬及分析

對(duì)分析出來(lái)的較好方案進(jìn)行數(shù)值模擬，第一壓力峰值303.796 0MPa，第二壓力峰值303.775 4MPa，彈丸初速942.543 8m/s,。p-t曲線圖如圖2所示。

圖2　優(yōu)化方案的p-t曲線

隨行裝藥的點(diǎn)火延遲時(shí)間為1.766ms。其位置位于主裝藥的最大壓力點(diǎn)之后，燃燒分裂點(diǎn)之前。如果隨行裝藥點(diǎn)火過(guò)早，隨行藥在高膛壓下快速燃燒，主裝藥與隨行藥同時(shí)燃燒釋放出大量的氣體和能量，有可能形成過(guò)高的膛內(nèi)最大壓力，影響射擊安全性。如果隨行裝藥在主裝藥燃燒分裂點(diǎn)后點(diǎn)燃，隨行藥燃燒釋放的能量得不到充分利用，甚至不能完全燃燒，且炮口壓力過(guò)大，影響射擊精度。同時(shí)，會(huì)形成雙峰之間過(guò)低的峰谷，增加了膛內(nèi)的壓力波動(dòng)，對(duì)火炮設(shè)計(jì)的安全性帶來(lái)影響。

隨行藥燃速系數(shù)為2.67×10-8m/(s·pan)。如果隨行藥燃速過(guò)低，燃燒產(chǎn)生的少量氣體填充到彈丸高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的彈后真空中，無(wú)法有效提高彈后壓力，隨行裝藥的效果不明顯。如果隨行藥燃速過(guò)高，隨行藥燃燒產(chǎn)生的能量會(huì)使膛內(nèi)壓力迅速升高，形成的第二壓力峰峰值比第一壓力峰大。過(guò)高的膛壓會(huì)威脅到射擊安全。

隨行藥的火藥力為1 050MPa·dm3/kg?；鹚幜κ前l(fā)射藥能量的標(biāo)志。高能量的火藥燃燒生成的氣體，在氣固交界面上形成較大的推力，該推力與彈丸底部附近的氣體壓力相結(jié)合，對(duì)彈丸的做功能力增強(qiáng)，彈丸初速提高。此外，選用火藥力高的隨行藥，可以在不改變隨行藥能量的前提下減少隨行藥的裝藥量，減小彈丸的消極質(zhì)量，有利于提高彈丸初速。

5結(jié)論

采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的綜合平衡法進(jìn)行分析，較好的隨行裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)組合是：A2為點(diǎn)火延遲時(shí)間，第2水平，1.766ms；B2為隨行藥壓力全沖量，第2水平,2.67×10-8m/(s·pan)；C3為隨行藥火藥力，第3水平，1 050MPa·dm3/kg。綜合衡量，這一結(jié)果優(yōu)于正交表中的方案，說(shuō)明用正交法安排數(shù)值模擬試驗(yàn)可以優(yōu)選出較好的隨行裝藥結(jié)構(gòu)，對(duì)隨行裝藥參數(shù)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]金志明.高速推進(jìn)內(nèi)彈道學(xué)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001：286.

[2]楊京廣，余永剛.固體隨行裝藥內(nèi)彈道模型及數(shù)值模擬[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2006(2)：1-5.

[3]北京大學(xué)數(shù)學(xué)力學(xué)系概率統(tǒng)計(jì)組 正交試驗(yàn)法[M].北京：石油化學(xué)工業(yè)出版社,1976.

[4]王浩.隨行裝藥火炮經(jīng)典內(nèi)彈道模型與實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究[J].兵工學(xué)報(bào),1996,17(4)：298-302.

[5]楊京廣.固體隨行裝藥內(nèi)彈道實(shí)驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算[D].南京:南京理工大學(xué),2006： 29-302.

[6]王浩.隨行裝藥效果與敏感性研究[J].彈道學(xué)報(bào),1996 8(1)：20-25.

[5]崔軍，趙海龍，皇才進(jìn). 基于發(fā)射裝藥技術(shù)提高穿甲彈初速研究[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2014(5):4-6.

(責(zé)任編輯周江川)