一種高速破片加速裝置設(shè)計(jì)研究

羅智恒,向 永,何 碧,韓 勇

(1.中國工程物理研究院 化工材料研究所,四川 綿陽 621900;2.中國工程物理研究院 研究生院,四川 綿陽 621999)

破片發(fā)射裝置是破片撞擊試驗(yàn)中高速破片的加載手段,通過對(duì)破片的定向驅(qū)動(dòng),得到滿足速度和質(zhì)量要求的破片。常用的破片發(fā)射裝置包括破片發(fā)生器、爆炸成型彈丸(EFP)和二級(jí)輕氣炮等。Held[1]設(shè)計(jì)了一種無約束的單枚破片發(fā)射發(fā)生器,將破片置于柱殼裝藥的一端定向驅(qū)動(dòng),建立起破片參數(shù)與破片威力的對(duì)應(yīng)關(guān)系;文獻(xiàn)[2]借鑒定向戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)概念,設(shè)計(jì)了特殊的藥型罩參數(shù),通過裝藥型面的張角設(shè)計(jì)控制破片飛散方向,從而獲得高密度破片群;這種裝置有利于試驗(yàn)測(cè)試和分析,適合大藥量戰(zhàn)斗部試驗(yàn),成本可控,但為一次性裝置,不可重復(fù)使用。二級(jí)輕氣炮加載破片雖然一致性和速度穩(wěn)定性均較好,但成本昂貴,防護(hù)困難,試驗(yàn)條件要求高。

本文按照破片試驗(yàn)所需破片參數(shù)設(shè)計(jì)了一款口徑為25 mm的彈丸發(fā)射裝置,用于發(fā)射破片,采用火藥燃燒驅(qū)動(dòng)的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高速破片加速,經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證,效果良好。

1 高速破片內(nèi)彈道計(jì)算和發(fā)射裝置設(shè)計(jì)

1.1 彈丸發(fā)射裝置內(nèi)彈道計(jì)算

根據(jù)內(nèi)彈道計(jì)算基本公式組,采用迭代計(jì)算方法,計(jì)算火藥驅(qū)動(dòng)彈丸的內(nèi)彈道參數(shù),燃速方程采用正比燃速方程以估算簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)火藥的裝藥情況[3-4]。

幾何燃燒定律為

ψ=χz(1+λz)

(1)

式中:Ψ為火藥燃燒掉的相對(duì)質(zhì)量;χ,λ為火藥幾何燃燒的系數(shù);z為火藥已燃燒的相對(duì)厚度;ψ,χ,λ,z均為無量綱量。

正比燃速方程為

(2)

式中:p為膛內(nèi)壓力,kPa;Ik為燃?xì)鈮毫θ珱_量,kPa·s。

彈丸運(yùn)動(dòng)方程為

(3)

式中:S為炮管截面積,m2;φ為次要功系數(shù),且為無量綱量;m為彈丸質(zhì)量,kg;v為彈丸速度,m/s。

內(nèi)彈道能量轉(zhuǎn)換基本方程為

(4)

式中:lψ為自由容積縮徑長(zhǎng)度,m;l為彈丸運(yùn)動(dòng)距離,m;f為火藥力,kN·m/kg;me為裝藥質(zhì)量,kg;絕熱指數(shù)θ=k-1,且為無量綱量。

擬設(shè)計(jì)25 mm口徑、炮膛長(zhǎng)度4 m的發(fā)射裝置,其內(nèi)彈道計(jì)算使用的火藥參數(shù)見表1。表中,ρ′為火藥密度,α為火藥氣體余容。對(duì)2種質(zhì)量彈丸的發(fā)射內(nèi)彈道進(jìn)行了計(jì)算,圖1是200 g火藥驅(qū)動(dòng)75 g彈丸的壓力、速度、位置的計(jì)算結(jié)果,其中,膛壓為243 MPa,出口速度為2 500 m/s。表2給出了不同裝藥量的膛壓、出口速度結(jié)果。表中,mp為彈丸質(zhì)量,me為火藥裝藥量,ρ為裝填密度,p為膛壓,vp為出口速度。選用火藥的裝填密度在一般火炮設(shè)計(jì)的裝填密度經(jīng)驗(yàn)值范圍[5]400～700 kg/m3內(nèi)。

表1 計(jì)算用火藥參數(shù)

圖1 典型內(nèi)彈道計(jì)算結(jié)果

mp/gme/gρ/(kg·m-3)p/MPavp/(m·s-1)752006792432 500751806111772 160751605431271 86075140475901 580502006791712 470501806111252 16050160543901 86050140475631 570

1.2 發(fā)射裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)內(nèi)彈道初步計(jì)算,擬將發(fā)射規(guī)模控制在彈丸質(zhì)量75 g、裝藥量200 g左右,考慮到加工因素,設(shè)計(jì)的彈丸發(fā)射裝置發(fā)射炮管為多段拼接,見圖2。

圖2 25 mm彈丸發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 強(qiáng)度校核和安全系數(shù)分析

根據(jù)第二強(qiáng)度理論(最大線性應(yīng)變理論)校核炮管強(qiáng)度[7-8],炮管的承壓極限為

(5)

(6)

式中:p1為承壓極限,MPa;σs為材料屈服/拉伸強(qiáng)度,MPa;a為炮管徑比,且為無量綱量;r2為炮管外徑,mm;r1為炮管內(nèi)徑,mm。

設(shè)計(jì)裝置的膛壓-位置曲線見圖3,各段的強(qiáng)度核算結(jié)果見表3。表中,pmax為最大膛壓,pY為屈服承壓極限,μY為屈服安全系數(shù),pT為拉伸承壓極限,μT為拉伸破壞安全系數(shù),在炮膛和基管段的膛壓最大,其值為250 MPa,設(shè)計(jì)發(fā)射裝置使用高強(qiáng)度鋼材,其標(biāo)稱拉伸強(qiáng)度為1 400 MPa,由此計(jì)算安全系數(shù)(材料標(biāo)稱強(qiáng)度/材料強(qiáng)度)可達(dá)到3.9,因此該裝置設(shè)計(jì)有足夠的安全余量。

圖3 不同裝藥量的內(nèi)彈道膛壓-位置曲線

炮管段名pmax/MPa屈服強(qiáng)度核算pY/MPaμY拉伸強(qiáng)度核算pT/MPaμT延長(zhǎng)管1086456.08547.9延長(zhǎng)管1346454.88546.4延長(zhǎng)管1726453.88545.0延長(zhǎng)管2306452.88543.7基管2506592.68723.5炮膛2506822.79033.6

2 高速破片加速試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)使用25 mm彈丸發(fā)射裝置裝填發(fā)射藥,對(duì)彈丸(破片和彈托組合件)進(jìn)行發(fā)射試驗(yàn),用炮口前方安裝收彈箱回收彈丸,采用高速攝影測(cè)試彈丸飛出情況和彈速,并采用通斷網(wǎng)靶測(cè)試彈丸速度。試驗(yàn)布局示意圖如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖

根據(jù)破片試驗(yàn)要求,設(shè)計(jì)了如圖5所示的試驗(yàn)用彈丸,其中,破片材料為軟鋼,質(zhì)量為18.4 g;彈托材料為聚四氟乙烯,采用3種彈托,破片與彈托可組合成37 g、55 g、73 g 3種質(zhì)量的彈丸進(jìn)行試驗(yàn)。

圖5 試驗(yàn)彈丸示意圖

試驗(yàn)前對(duì)火藥驅(qū)動(dòng)37 g、55 g、73 g 3種質(zhì)量彈丸的內(nèi)彈道情況進(jìn)行了計(jì)算,繪制了速度、壓力與裝藥量、彈丸質(zhì)量的關(guān)系圖,見圖6。圖中,虛線為裝藥量,實(shí)線右側(cè)為危險(xiǎn)區(qū)域,其他線為彈丸質(zhì)量。由于該裝置的發(fā)射膛壓需限制在250 MPa以下,因此,試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)彈丸質(zhì)量和裝藥情況綜合分析,可通過比對(duì)內(nèi)彈道計(jì)算、強(qiáng)度校核的安全系數(shù)分析結(jié)果,控制裝藥量避免超出發(fā)射裝置膛壓限制。

發(fā)射裝置的性能檢測(cè)試驗(yàn)順序以膛壓逐步升高的順序進(jìn)行,試驗(yàn)裝藥量參照表4進(jìn)行裝填。表中,mp為彈丸和彈托的總質(zhì)量,me為火藥裝藥量,vs為預(yù)定速度,ps為預(yù)計(jì)膛壓。根據(jù)圖6中發(fā)射藥量-彈速關(guān)系曲線,分析預(yù)估膛內(nèi)壓力情況,以保證膛壓在不超過250 MPa狀態(tài)下工作。

2.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

驗(yàn)證試驗(yàn)實(shí)際使用了約50 g和65 g的組合彈丸,獲得較理想的加速效果,試驗(yàn)結(jié)果見表5。表中,ms為鋼制彈丸質(zhì)量,vp為實(shí)測(cè)彈丸速度。試驗(yàn)表明,采用本文所設(shè)計(jì)的發(fā)射裝置,可以將18.4 g鋼質(zhì)的彈丸加速至1 840 m/s,達(dá)到彈藥安全性破片試驗(yàn)的要求。

表5 25 mm彈丸發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果

圖7是試驗(yàn)前、試驗(yàn)后的彈丸照片,發(fā)射的破片撞擊沙袋后仍具有良好的完整性。

圖7 試驗(yàn)前及試驗(yàn)后彈丸照片

3 結(jié)束語

通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,說明所設(shè)計(jì)的25 mm彈丸發(fā)射裝置系統(tǒng)方案是合理可行的。通過試驗(yàn),獲得了25 mm彈丸發(fā)射裝置的裝藥量與彈速的關(guān)系;考察了2種破片、彈托組合,在不同裝藥量加速時(shí)的破片速度;試驗(yàn)也確認(rèn)了彈丸發(fā)射裝置使用的安全性。該試驗(yàn)裝置可以靈活安裝,利于裝置的重復(fù)利用,縮短了試驗(yàn)周期,減少了試驗(yàn)成本,為高速破片加速提供了一種新的解決方案。