爆炸螺栓作用同步性對彈丸著靶影響規(guī)律

張學(xué)倫，李　真，王昭明

(重慶紅宇精密工業(yè)有限責(zé)任公司，重慶　402760)

?

爆炸螺栓作用同步性對彈丸著靶影響規(guī)律

張學(xué)倫，李真，王昭明

(重慶紅宇精密工業(yè)有限責(zé)任公司，重慶402760)

摘要：針對火箭橇試驗中彈丸終點(diǎn)彈道參數(shù)的準(zhǔn)確性直接影響到彈丸終點(diǎn)效應(yīng)評估的真實(shí)性，提出爆炸螺栓作用的時序及同步性對彈丸運(yùn)動參量及著靶姿態(tài)的影響規(guī)律；利用CFD-FASTRAN氣動力分析軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了彈丸著靶運(yùn)動參量及著靶攻角的變化關(guān)系，從中得出了爆炸螺栓作用的時序及同步性對彈丸運(yùn)動參量及著靶姿態(tài)的影響規(guī)律；結(jié)果表明：爆炸螺栓作用時序及同步性對彈丸的運(yùn)動參量及著靶姿態(tài)的影響較小。

關(guān)鍵詞：爆炸螺栓；同步性；彈丸；著靶參量；火箭橇試驗

Citation format:ZHANG Xue-lun，LI Zhen，WANG Zhao-ming.Influence of Explosive Bolts’ Synchronization on Projectile Impact Attitude [J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):23-26.

彈丸終點(diǎn)彈道參數(shù)的準(zhǔn)確性直接影響到彈丸終點(diǎn)效應(yīng)評估的真實(shí)性。因此，保障彈丸的終點(diǎn)彈道參數(shù)是評估彈丸終點(diǎn)毀傷效應(yīng)的前提。

在地面彈丸終點(diǎn)效應(yīng)考核試驗中，火箭橇試驗法[1]是目前較為常用的方法?；鸺猎囼灱夹g(shù)中，采用爆炸螺栓實(shí)現(xiàn)彈與橇車的分離，即被試彈丸通過前、后兩道壓環(huán)固定，壓環(huán)兩側(cè)通過爆炸螺栓沿豎向固定在橇車立柱上。火箭橇運(yùn)行到預(yù)定位置時，爆炸螺栓通電作用，釋放固定彈丸的壓環(huán)，彈丸按照規(guī)定的終點(diǎn)彈道運(yùn)動參量自由飛向目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對彈丸終點(diǎn)毀傷效應(yīng)的打擊。由于彈丸與橇車分離技術(shù)本身的復(fù)雜性，對其影響分離的干擾因素認(rèn)識不夠深入，常常導(dǎo)致試驗結(jié)果與預(yù)設(shè)結(jié)果偏離。夏洪利[2]等進(jìn)行了戰(zhàn)斗部終點(diǎn)效應(yīng)著靶攻角控制技術(shù)的研究，但未涉及爆炸螺栓作用時序及同步性對彈丸終點(diǎn)運(yùn)動參量及姿態(tài)參量的研究。

文中利用CFD-FASTRAN氣動力分析軟件對某型彈丸著靶運(yùn)動參量、姿態(tài)參量進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，主要從彈丸終點(diǎn)運(yùn)動時間、質(zhì)心運(yùn)動軌跡、速度變化及攻角變化的方面考察了爆炸螺栓作用時序及作用同步性等因素的變化對彈丸終點(diǎn)參量的影響。

1數(shù)值模擬計算模型

1.1計算基本假設(shè)

計算模型的建立基于以下假設(shè)：不考慮結(jié)構(gòu)卡環(huán)的變形及分離瞬間的結(jié)構(gòu)相互干擾；不計撬車對彈丸的氣動干擾；不考慮卡環(huán)釋放過程中對彈丸的干涉；忽略彈丸與結(jié)構(gòu)連接間的摩擦力。

1.2模型及坐標(biāo)系

計算過程中涉及兩個坐標(biāo)系，即地面坐標(biāo)系OXYZ和彈丸自身坐標(biāo)系O1X1Y1Z1。彈丸被釋放的初始時刻，彈丸自身坐標(biāo)系O1X1Y1Z1相對地面坐標(biāo)系OXYZ在繞Z軸方向預(yù)置2°夾角，飛行過程中彈丸相對地面坐標(biāo)系運(yùn)動。

地面坐標(biāo)系OXYZ是與地球表面固連的坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)O在發(fā)射瞬時彈丸的質(zhì)心上，OX軸為彈道面與水平面交線，指向目標(biāo)為正，OY軸沿垂線向上，OZ軸與其他兩軸垂直并構(gòu)成右手坐標(biāo)系[3]。

彈丸自身坐標(biāo)系采用彈體坐標(biāo)系，原點(diǎn)O1在質(zhì)心上；O1X1軸與彈丸縱軸重合指向頭部為正；O1Y1軸位于彈丸縱向?qū)ΨQ面內(nèi)與O1X1軸垂直，指向上為正；O1Z1軸垂直于O1X1Y1平面，方向按右手直接坐標(biāo)系確定。圖1為彈丸坐標(biāo)系及約束示意圖。

圖1　彈丸坐標(biāo)系及約束示意圖

1.3控制方程[4]

根據(jù)彈丸約束情況，建立彈丸自身坐標(biāo)系相對地面坐標(biāo)系的六自由度運(yùn)動方程如下：

1.4計算方法及參數(shù)

計算中湍流模型選擇S-A湍流模型，采用標(biāo)準(zhǔn)大氣參數(shù)。彈丸初始攻角預(yù)置為2°、初始速度預(yù)設(shè)為860 m/s，設(shè)置爆炸螺栓作用時刻點(diǎn)到著靶點(diǎn)的距離為21 m。爆炸螺栓作用時序及同步性分別設(shè)置為以下3種工況：

工況1：前、后爆炸螺栓同時作用，相當(dāng)于彈丸從始至終處于自由飛的狀態(tài)，不需要添加約束。

工況2：前端爆炸螺栓比后端爆炸螺栓先作用4 ms的情況，在后爆炸螺栓處添加鉸鏈約束，約束生效時間為0～4 ms，4 ms后戰(zhàn)斗部處于自由飛狀態(tài)。

工況3：前端爆炸螺栓比后端爆炸螺栓后作用4 ms的情況，在前爆炸螺栓處添加鉸鏈約束，約束生效時間為0～4 ms，4 ms后彈丸處于自由飛狀態(tài)。

計算時先進(jìn)行一定次數(shù)穩(wěn)態(tài)計算，然后分別加載3種情況的運(yùn)動模式，設(shè)置好約束條件進(jìn)行3次動態(tài)過程計算[4]。

2計算結(jié)果及分析

2.1彈丸運(yùn)動參數(shù)

對比3種工況對彈丸運(yùn)動情況的影響，主要包括沿X方向飛行到21 m所用的時間、質(zhì)心運(yùn)動軌跡、速度變化等。

因彈丸初始速度高，飛行距離較短，在飛行時間上3種工況差別不大。彈丸沿X方向飛行到21 m所用的時間，工況1、工況2、工況3分別為0.024 46 s、0.024 45 s、0.024 45 s。4 ms 時刻，工況1、工況2和工況3的彈丸X方向位移為3.437 5 m、3.437 9 m和3.437 9 m。

彈丸水平方向飛行到21 m時，彈丸質(zhì)心運(yùn)動軌跡差別不大，工況1、工況2、工況3的Y方向位移分別為0.733 4 m、0.732 8 m、0.733 1 m。

圖2和圖3為分別為戰(zhàn)斗部X方向速度和Y方向速度隨X方向位移的變化關(guān)系。由圖中可以看出3種工況的速度變化有所不同，引起這種現(xiàn)象主要原因是爆炸螺栓作用的延遲使得彈丸姿態(tài)角不同。對于工況2和工況3速度變化出現(xiàn)拐點(diǎn)的時刻即為最后一組爆炸螺栓作用時刻。

圖2　X方向速度隨X方向位移的變化

圖3　Y方向速度隨X方向位移的變化

工況1、工況2和工況3的X方向速度變化范圍分別為[859.476 m/s，858.836 m/s]、[859.476 m/s，858.939 m/s]、[859.476 m/s，858.930 m/s]；工況1、工況2和工況3的Y方向速度變化范圍分別為[30.014 m/s，29.983 m/s]、[30.014 m/s，29.971 m/s]、[30.018 m/s、29.985 m/s]。從數(shù)據(jù)上看3種工況的速度變化差距并不是很明顯。

從計算結(jié)果上來看，爆炸螺栓作用的時序及同步性對彈丸運(yùn)動參數(shù)的影響并不大，僅是參數(shù)的變化趨勢上有略微不同。

2.2彈丸姿態(tài)角

彈丸的姿態(tài)角即彈丸自身坐標(biāo)系相對于地面坐標(biāo)系的姿態(tài)，圖4為彈丸繞X軸、Y軸和Z軸的轉(zhuǎn)動角隨X方向位移的變化關(guān)系。由圖中可以看出在0～4 ms內(nèi)，3種工況對彈丸的姿態(tài)角有一定影響，隨著飛行的繼續(xù)，3種工況的姿態(tài)角差距逐漸增大。由圖也可以看出3種工況彈丸繞X軸和Y軸的轉(zhuǎn)動角差別很小，僅在Z軸方向差距較大，這種現(xiàn)象主要跟彈丸的受力情況相關(guān)。

圖4　轉(zhuǎn)動角隨X方向位移的變化

彈丸在空氣中飛行時，主要受到作用在壓心上的氣動升力Fl、氣動阻力Fd和作用在重心的重力，彈丸所受的氣動力主要集中在頭部曲線附近，質(zhì)心在壓心后，彈丸為靜不穩(wěn)定的，示意圖見圖5所示。

圖5　彈丸受力分析示意圖

工況1彈丸處于自由飛的狀態(tài)，氣動力足以平衡重力，平穩(wěn)飛行。工況2，氣動力相對鉸鏈點(diǎn)2產(chǎn)生的力矩被重力產(chǎn)生的力矩抵消一部分，因彈丸為靜穩(wěn)定的，有自我恢復(fù)平衡的趨勢，從而引起彈丸姿態(tài)的調(diào)整。工況3，氣動力相對鉸鏈點(diǎn)1產(chǎn)生的力矩和重力對鉸鏈點(diǎn)1產(chǎn)生的力矩相互疊加，因此工況3時彈丸姿態(tài)的變化幅度比工況2的大。

從計算數(shù)據(jù)上看，3種工況繞X軸和Y軸的角度差別很小，僅繞Z軸的角度有一些差別，但總的來說差距不大。繞Z軸方向的轉(zhuǎn)動角速度見表1。

表1　繞Z軸轉(zhuǎn)動角速度

從計算結(jié)果來看爆炸螺栓作用的時序及同步性對彈丸著靶姿態(tài)影響不大。本文計算爆炸螺栓作用同步性延遲時間為4 ms，而實(shí)際爆炸螺栓產(chǎn)品的作用同步性不會超過1 ms，因而爆炸螺栓作用的時序及同步性不是造成彈丸著靶時姿態(tài)不可控狀態(tài)的主要因素。

3結(jié)論

運(yùn)用CFD-FASTRAN氣動力分析軟件對彈丸在爆炸螺栓前后同時作用、前端爆炸螺栓比后端爆炸螺栓先作用4 ms、前端爆炸螺栓比后端爆炸螺栓后作用4 ms三種作用時序及同步性條件下彈丸著靶運(yùn)動參量及姿態(tài)參量進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到以下結(jié)論：

1) 3種情況下，彈丸飛行時間、飛行位移、質(zhì)心軌跡和飛行速度變化等，在數(shù)值上差距不大，僅在變化趨勢上略有不同；

2) 3種情況對彈丸著靶姿態(tài)的影響不大，僅在繞Z軸方向的角度差別大一些，但均不會造成彈丸著靶姿態(tài)不可控。

本文在仿真過程中將彈丸的約束簡化為鉸鏈，屬于一種較為極端的狀態(tài)。而實(shí)際情況是爆炸螺栓作用不同步，彈丸處于一種較牢固的約束狀態(tài)，僅是約束裝置變形可能導(dǎo)致彈丸初始姿態(tài)有所變化。如果約束裝置較為可靠，彈丸的初始姿態(tài)角變化幅度會比鉸鏈狀態(tài)更小，更加不會對彈丸著靶姿態(tài)造成大的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙繼波，趙峰，譚多望,等.火箭橇加載試驗技術(shù)研究[J].爆炸與沖擊， 2007,27(5)：572-576.

[2]夏洪利，趙衛(wèi)星，黨峰.戰(zhàn)斗部終點(diǎn)效應(yīng)火箭橇試驗著靶攻角控制技術(shù)[C]//第十三屆全國戰(zhàn)斗部與毀傷技術(shù)學(xué)術(shù)交流會論文集.黃山：[出版社不詳]，2013：1394-1397.

[3]錢杏芳，林瑞雄，趙亞男.導(dǎo)彈飛行動力學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

[4]ESI CFD Inc.CFD-FASTRAN V 2011.0 User Manual [M].ESI-Group,2011.

[5]王軍評，毛勇建，董龍雷,等.火箭橇試驗推力測量方法研究[J].振動與沖擊，2013，32(18)：75-79.

[6]王健，張旭光，孔維紅.火箭橇水剎車高速沖擊入水安全性分析[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013,2013(6).

[7]劉軍，李磊子.火箭橇氣動阻力系數(shù)取值方法技術(shù)研究[C]//中國空氣動力學(xué)會測控專業(yè)委員會六屆四次空氣動力測控技術(shù)交流會論文集.襄陽：[出版社不詳]，2013.

[8]王超，王躍鋼.火箭橇試驗分離制導(dǎo)工具誤差的有效性分析[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報，2012，20(2).

[9]唐瑞，姚冉中.基于高速火箭橇測速系統(tǒng)的誤差分析 [J].現(xiàn)代電子技術(shù)， 2015(1)：59-63.

[10]丁春全，周昊，馮志杰.火箭橇試驗減振系統(tǒng)力學(xué)仿真研究[J].艦船電子工程，2012,32(8)：21-25.

[11]付宇，陳亞奇，儀建華，等.模擬飛行條件下固體火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)彈道性能測試技術(shù)研究[J].四川兵工學(xué)報，2015(10):36-39.

(責(zé)任編輯周江川)

Influence of Explosive Bolts’ Synchronization on Projectile Impact Attitude

ZHANG Xue-lun，LI Zhen，WANG Zhao-ming

(Chongqing Hongyu Precision Industrial Co., Ltd., Chongqing 402760, China)

Abstract:The accuracy of the rocket sled test parameters for the projectile ballistic projectile end effects directly affects the authenticity of the effectiveness assessment, and we proposed the influence law of explosive bolts timing and synchronization on parameters of projectile motion and the law of the attitude of the target; Numerial simulation study of the analysis software was proposed by using pneumatic dynamic code CFD-FASTRAN. The variation relations between projectile’s movement parameters and target attack angle were analyzed. The results show that the influence of explosive blots’ action sequence and synchronization on projectile’s movement parameters and impact attitude is negligible.

Key words:explosive bolt; synchronization; projectile; impact parameter；rocket sled test

文章編號：1006-0707(2016)03-0023-04

中圖分類號：TJ55

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.006

作者簡介：張學(xué)倫(1966—)，男，研究員，主要從事彈藥工程研究。

收稿日期：2015-10-25；修回日期：2015-12-02

本文引用格式：張學(xué)倫，李真，王昭明.爆炸螺栓作用同步性對彈丸著靶影響規(guī)律[J].兵器裝備工程學(xué)報，2016(3):23-26.

【裝備理論與裝備技術(shù)】