激光點火窗口動態(tài)承壓能力的試驗研究*

劉 偉，魏建國，王育維，張洪漢

(西北機電工程研究所，陜西咸陽 712099)

大口徑火炮激光點火是將激光能量透過炮尾的光學(xué)窗口傳輸?shù)教艃?nèi)點火藥，最終實現(xiàn)整個發(fā)射藥床點火的過程[1]。相比于傳統(tǒng)點火方式，激光點火具有機械結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、射速高等優(yōu)點[2-3]，因此有著良好的應(yīng)用前景。在激光點火過程中，光學(xué)窗口直接承受著高溫、高壓火藥氣體的沖擊，其工作的可靠性直接關(guān)系到火炮作戰(zhàn)的可持續(xù)性以及己方士兵的安全。為了保證參試人員和設(shè)備的安全，窗口材料需要具有耐高溫高壓的特性，并且必須在上炮試驗前經(jīng)過動態(tài)承壓能力測試。Ritter等人[4]利用密閉爆發(fā)器裝填M232A1模塊裝藥模擬了火炮發(fā)射過程中的內(nèi)彈道環(huán)境，并對多種光學(xué)窗口的動態(tài)承壓能力進行了試驗測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些窗口均遭受了不同程度的損壞。其主要原因是密閉爆發(fā)器與火炮膛內(nèi)動態(tài)加壓環(huán)境存在區(qū)別，火炮膛內(nèi)的壓力在最大壓力點后隨著彈丸的運動逐漸下降，而密閉爆發(fā)器腔內(nèi)壓力在達(dá)到最大值之后維持30～60 s的高壓狀態(tài)。這種測試方法不能模擬火炮膛內(nèi)壓力下降階段，并且更容易對光學(xué)窗口造成損壞。Howard[5]和馬昌軍等人[6]建立了藥室內(nèi)部壓力變化的數(shù)學(xué)模型，提出利用射流干擾法解決藥室內(nèi)火藥氣體對光學(xué)窗口造成污染的問題，這種方法同時也降低了火藥氣體直接沖擊光學(xué)窗口的強度。

針對靶場試驗費用高、耗時長的特點，設(shè)計了一種半密閉動態(tài)加壓裝置，并利用該裝置對火炮激光點火所用的藍(lán)寶石窗口進行動態(tài)壓力載荷測試，以模擬火炮內(nèi)彈道過程中膛內(nèi)的高壓加載狀態(tài)。

2 動態(tài)壓力載荷特性與模擬加載裝置

2.1 動態(tài)壓力載荷特性

圖1給出了火炮激光點火裝置示意圖。光學(xué)窗口在發(fā)射過程中承受動態(tài)高壓載荷的沖擊。某大口徑榴彈炮的發(fā)射過程通常持續(xù)十幾毫秒，膛內(nèi)壓力峰值高達(dá)380 MPa，壓力加載狀態(tài)具有時間短、壓力高、沖擊強等特點。在壓力上升階段，某時刻壓力p隨時間t變化的速率稱為該時刻的升壓速率Sp。在光學(xué)窗口承受動態(tài)壓力加載的過程中，最大壓力、升壓速率、平均升壓速率是動態(tài)壓力載荷的主要特性，其數(shù)值可以根據(jù)射擊時實測火炮膛內(nèi)壓力-時間曲線確定。

圖1 火炮激光點火裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the gun’s laser ignition device

2.2 動態(tài)壓力模擬加載裝置

圖2 半密閉動態(tài)壓力加載裝置Fig.2 Schematic diagram of semi-closedpressure-loading vessel

試驗裝置主要由半密閉壓力加載裝置和動態(tài)壓力測試系統(tǒng)等組成，可以用于模擬火炮發(fā)射過程中光學(xué)窗口在動態(tài)高壓加載下的可靠性。其中半密閉壓力加載裝置如圖2所示?？梢钥闯?，裝藥爆炸后，在光學(xué)窗口左端腔室內(nèi)部充滿高溫、高壓的火藥氣體，與火炮膛內(nèi)狀態(tài)類似。試驗過程中，裝置容積、泄壓孔的直徑等參數(shù)固定，通過調(diào)整裝藥量可以模擬不同內(nèi)彈道環(huán)境中光學(xué)窗口承受的動態(tài)壓力加載狀態(tài)。裝置本體上設(shè)置有測壓孔和泄壓孔，結(jié)合動態(tài)壓力測試系統(tǒng)，可以記錄整個試驗過程中腔室內(nèi)部壓力隨時間的變化情況。

3 動態(tài)壓力加載數(shù)學(xué)模型

3.1 動壓載荷模型的建立

為了對模擬加壓裝置內(nèi)的壓力變化進行預(yù)測，建立了腔室內(nèi)火藥燃燒及燃?xì)饬鲃拥臄?shù)學(xué)模型[7-10]，主要控制方程如下。

(1) 發(fā)射藥燃速方程

(1)

(2) 火藥氣體生成速率方程

(2)

(3) 腔室內(nèi)火藥氣體質(zhì)量守恒方程

(3)

(4) 火藥氣體狀態(tài)方程

(4)

(5) 泄壓孔氣體流量方程

(5)

式中：up、n、e1、zk分別為發(fā)射藥的燃速系數(shù)、燃速指數(shù)、1/2弧厚、燃燒結(jié)束時的相對已燃厚度；χ、λ、μ為發(fā)射藥的形狀特征量；χs、λs為火藥在減面燃燒階段的形狀特征量；V0、mg、φ、ρg分別為腔室容積、氣體總質(zhì)量、氣體空隙率、氣體密度；p1、p2分別為為腔室內(nèi)、外壓力；ωb、ω、Ψ、z分別為點火藥質(zhì)量、發(fā)射藥質(zhì)量、發(fā)射藥已燃百分比、相對已燃厚度；f、ρp、α分別為發(fā)射藥的火藥力、密度和余容；dh/dt為泄壓孔質(zhì)量流量；mout為從泄壓孔流出氣體的總質(zhì)量；C0為小孔流量系數(shù)，0

3.2 模型驗證

圖3 理論計算和實測壓力變化的比較Fig.3 Comparison of test and calculated p-t curves

試驗中采用單基8/7發(fā)射藥，其主要參數(shù)如下：火藥力為930 J/g，余容為0.001，比熱比為1.23，密度為1.6 g/cm3；裝藥量為19 g，半密閉加壓裝置容積V0=80 mL，泄壓孔直徑d=1.6 mm。將以上參數(shù)代入動態(tài)載荷模型，計算得出半密閉動態(tài)加壓裝置內(nèi)壓力隨時間的變化情況，并將結(jié)果與實測結(jié)果進行比較，如圖3所示?？梢钥闯?，實測壓力曲線與理論計算結(jié)果符合較好，兩者壓力峰值的相對誤差為3.17%，表明動態(tài)載荷模型能夠較好地描述半密閉加壓裝置內(nèi)壓力的變化過程。

4 光學(xué)窗口動態(tài)承壓能力試驗

4.1 試驗條件的確定

根據(jù)某大口徑火炮全裝藥最大膛壓小于425 MPa(含單發(fā)跳動)的要求，為保證該火炮激光點火的安全性，光學(xué)窗口必須能夠承受最大壓力為425 MPa的沖擊。圖4為全裝藥時火炮高溫內(nèi)彈道壓力隨時間的變化曲線。圖5為升壓速率隨時間的變化，其中最大升壓速率為90.2 GPa/s。

為了模擬激光點火過程中光學(xué)窗口承受的動態(tài)壓力載荷，可以采用動態(tài)載荷模型對試驗條件進行預(yù)測。計算結(jié)果表明：當(dāng)半密閉加壓裝置容積V0=80 mL，泄壓孔直徑為1.6 mm時，裝填30.1 g單基8/7發(fā)射藥，該裝置內(nèi)的最大壓力預(yù)計將達(dá)到432 MPa，滿足動態(tài)壓力加載模擬試驗的要求。

圖4 火炮膛內(nèi)實測壓力變化曲線Fig.4 p-t curves of the gun chamber in the test

圖5 火炮膛內(nèi)實測升壓速率變化曲線Fig.5 Sp-t curves of the gun chamber in the test

4.2 試驗結(jié)果與分析

取單基8/7發(fā)射藥30.1 g，對同一藍(lán)寶石窗口進行3發(fā)重復(fù)的動態(tài)壓力加載試驗。試驗中點火壓力均為10 MPa，圖6給出了裝藥量為30.1 g時腔室內(nèi)實測壓力-時間曲線。由圖6可知，3條曲線在壓力變化較大的階段幾乎完全重合，最大壓力的平均值為428.7 MPa，與理論值(432 MPa)非常接近。

圖7(a)為試驗前藍(lán)寶石光學(xué)窗口的照片，試驗后，對光學(xué)窗口上火藥氣體殘渣進行清理，得到激光點火窗口的圖像如圖7(b)所示。通過對比可知，連續(xù)經(jīng)受3次動態(tài)高壓沖擊載荷后，藍(lán)寶石光學(xué)窗口的表面和內(nèi)部均未出現(xiàn)裂紋，且透光性能保持良好，表明藍(lán)寶石光學(xué)窗口的強度滿足試驗要求，可以承受最高壓力為428.7 MPa的動態(tài)高壓載荷。

圖6 發(fā)射藥量為30.1 g時膛內(nèi)實測壓力曲線Fig.6 p-t curves of the semi-closed vesselwith 30.1 g propellant

圖7 試驗前及試驗后經(jīng)清洗處理的藍(lán)寶石窗口照片F(xiàn)ig.7 Photos of sapphire window before test andsubjected to cleaning process after test

圖8為半密閉加壓模擬裝置與火炮全裝藥發(fā)射時內(nèi)彈道試驗實測壓力-時間曲線對比圖。圖9為火炮膛內(nèi)和半密閉加壓裝置中升壓速率隨時間的變化情況。大量的試驗結(jié)果表明，當(dāng)加載壓力小于100 MPa時，藍(lán)寶石窗口不會受到破壞。由圖8和圖9可知，火炮和半密閉加壓模擬裝置的內(nèi)部壓力幾乎同時達(dá)到100 MPa(3 ms時刻)，隨后，半密閉加壓裝置內(nèi)的升壓速率迅速超過火炮膛內(nèi)的升壓速率，并一直持續(xù)到壓力達(dá)到峰值以后。由此可知，半密閉加壓裝置中加壓速率更高，使用半封閉加壓裝置進行模擬時，藍(lán)寶石窗口更容易受到破壞。

圖8 半密閉加壓裝置和火炮膛內(nèi)實測壓力曲線Fig.8 p-t curves of semi-closed vessel and gun chamber

圖9 半密閉加壓裝置和火炮膛內(nèi)實測升壓速率曲線Fig.9 Sp-t curves of semi-closed vessel and gun chamber

表1 兩種試驗裝置中試驗結(jié)果的比較Table 1 Comparison of results obtained by the gun chamber and semi-closed vessel

5 結(jié) 論

設(shè)計了一種能夠用于模擬火炮膛內(nèi)動態(tài)高壓加載狀態(tài)的半密閉動態(tài)加壓裝置，建立了該裝置內(nèi)壓力變化的數(shù)學(xué)模型，通過理論計算預(yù)測得出動態(tài)壓力模擬載荷的試驗條件。動態(tài)壓力加載試驗的結(jié)果表明：在最大壓力為428.7 MPa的條件下，被試藍(lán)寶石窗口完好無損，其動態(tài)承壓能力能夠滿足某大口徑火炮激光點火的使用要求。該半封閉動態(tài)加壓裝置為炮用激光點火窗口動態(tài)承壓能力的測試提供了一種可行的模擬方法。

[1] 王爭論.激光點火與其他點火方式在火炮中的分析研究 [J].紅外與激光工程,2008,37(增刊):422-425.

WANG Z L.Analysis on the laser and other ignition of guns [J].Infrared and Laser Engineering,2008,37(Suppl):422-425.

[2] 趙 翔,蘇 偉,杜 濤,等.激光點火技術(shù)綜述 [J].紅外與激光工程,2009,38(增刊):405-407.

ZHAO X,SU W,DU T,et al.Review on laser ignition technique [J].Infrared and Laser Engineering,2009,38(Suppl):405-407.

[3] 劉 偉,王育維,魏建國,等.黑火藥激光點火數(shù)值模擬與試驗研究 [J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報,2013(2):67-70.

LIU W,WANG Y W,WEI J G,et al.Numerical modeling and experiment research of black powder laser ignition process [J].Journal of Gun Launch & Control,2013(2):67-70.

[4] RITTER J J,HOUMAN B E,THAIMAN W.Dynamic pressure testing of a 155 mm howitzer ballistic window using a closed bomb vessel:ARL-TR-5266 [R].Maryland:US Army Research Laboratory,2010.

[5] HOWARD S L,CHANG L M,GROSH J.Hydrodynamic breech window design concept for laser ignition of large-caliber guns:ARL-TR-1094 [R].Maryland:US Army Research Laboratory,1996.

[6] 馬昌軍,張小兵.射流干擾實現(xiàn)激光點火窗口防污的數(shù)值模擬及優(yōu)化 [J].兵工學(xué)報,2013,34(1):8-13.

MA C J,ZHANG X B.Simulation and optimization of optical window contamination prevention method using jet flow in laser ignition system [J].Acta Armamentarii,2013,34(1):8-13.

[7] 金志明.槍炮內(nèi)彈道學(xué) [M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2004:11-30.

JIN Z M.Gun interior ballistics [M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press,2004:11-30.

[8] 芮筱亭,贠來峰,王國平,等.彈藥發(fā)射安全性導(dǎo)論 [M].北京:國防工業(yè)出版社,2009:48-78.

RUI X T,YUN L F,WANG G P,et al.Introduction to launch safety of ammunition [M].Beijing:National Defense Industry Press,2009:48-78.

[9] 翁春生,王 浩.計算內(nèi)彈道學(xué) [M].北京:國防工業(yè)出版社,2006:116-118.

WENG C S,WANG H.Computational interior ballistics [M].Beijing:National Defense Industry Press,2006:116-118.

[10] 金志明,翁春生.高等內(nèi)彈道學(xué) [M].北京:高等教育出版社,2003:120-121.

JIN Z M,WENG C S.Advanced interior ballistics [M].Beijing:Higher Education Press,2003:120-121.