一種高速破片加載裝置設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

李廣嘉，呂永柱，孔慶強(qiáng)，梁安定

(西安近代化學(xué)研究所， 西安 710065)

破片速度是評(píng)價(jià)破片戰(zhàn)斗部毀傷效能的重要指標(biāo)之一[1]。由于速度是導(dǎo)出量，無(wú)法直接測(cè)量，存在精度、場(chǎng)地、經(jīng)濟(jì)等方面限制導(dǎo)致時(shí)間、距離測(cè)量精度不高，進(jìn)而影響戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，顯然這種獲取判據(jù)的方法已經(jīng)不滿(mǎn)足于現(xiàn)今的戰(zhàn)斗部破片速度特性研究。現(xiàn)有技術(shù)中，常規(guī)制式身管類(lèi)破片加載裝置只能將破片加載到最高速度1 600 m/s，在實(shí)際工程運(yùn)用上，對(duì)于戰(zhàn)斗部破片威力性能評(píng)估、目標(biāo)易損性、戰(zhàn)斗部裝藥安定性等破片類(lèi)的試驗(yàn)研究，該類(lèi)測(cè)試裝備則不能覆蓋常規(guī)戰(zhàn)斗部破片速度的研究需求。另一種作為破片加載裝置的輕氣炮，可以將破片加載到8 000 m/s的速度，但是輕氣炮加載破片的質(zhì)量為0.58 g[2]，不能滿(mǎn)足戰(zhàn)斗部實(shí)際破片質(zhì)量需求，而且試驗(yàn)必須在室內(nèi)進(jìn)行，存在機(jī)動(dòng)性差，速度重復(fù)性差，破片易碎，適用范圍小等缺點(diǎn)。因此，本文設(shè)計(jì)了一種破片加載裝置，采用增大藥室，提高裝藥量和延長(zhǎng)身管長(zhǎng)度，加強(qiáng)做功能力，以此提高裝置發(fā)射破片初速。該裝置與測(cè)速靶組建的破片速度測(cè)試系統(tǒng)，獲取了3種10組不同工況條件的破片速度值，結(jié)果表明破片高速加載裝置可以將15 g破片速度加載到2 149 m/s，且加載的破片速度穩(wěn)定，重復(fù)性好，能夠覆蓋工程上戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)最為關(guān)心1 500～2 200 m/s發(fā)射初速為目標(biāo)，可以用于檢驗(yàn)戰(zhàn)斗部加載破片能力、戰(zhàn)斗部目標(biāo)易損性等，具有一定的應(yīng)用價(jià)值，能夠?yàn)閼?zhàn)斗部研究提供了新的技術(shù)途徑[3-5]。

1 破片加載裝置

1.1 破片加載裝置結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)破片加載裝置由發(fā)射體和移動(dòng)牽引發(fā)射架兩部分組成，發(fā)射體包括身管、組合炮閂、備帽、復(fù)進(jìn)機(jī)、助推器和底座。移動(dòng)牽引發(fā)射架底部為鋼質(zhì)平臺(tái)，與發(fā)射體底部鋼板設(shè)計(jì)相同的安裝螺栓孔，使其與發(fā)射體緊密配合，使該裝置具有完備的發(fā)射身管水平調(diào)節(jié)、炮口方向自由調(diào)整等功能。加載裝置將質(zhì)量2～30 g的破片初速加速到1 500～2 200 m/s，發(fā)射架必須具有足夠的初力，并在后座作用的過(guò)程中存儲(chǔ)足夠的能量，完成后座復(fù)進(jìn)循環(huán)，以有效控制加載裝置發(fā)射破片時(shí)受力和運(yùn)動(dòng)。

破片加載裝置發(fā)射體設(shè)計(jì)思路是：將發(fā)射身管長(zhǎng)度延長(zhǎng)至4 m，其中發(fā)射身管口徑為25 mm，身管長(zhǎng)度延長(zhǎng)，可以加大做功能力；藥室采用海30藥筒，增大藥室及裝藥量，有利于獲得高膛壓(圖1)。

圖1 破片加載裝置圖

1.2 破片加載裝置工作原理

破片加載裝置以火藥燃燒做功，驅(qū)動(dòng)模擬破片彈體沿發(fā)射管加速運(yùn)動(dòng)，彈體脫離發(fā)射管后通過(guò)氣動(dòng)脫殼，破片沿彈道運(yùn)動(dòng)，完成高速運(yùn)動(dòng)破片的速度加載。發(fā)射體和移動(dòng)發(fā)射架一般分開(kāi)放置，使用時(shí)先將移動(dòng)發(fā)射架布置在發(fā)射位置，發(fā)射架到位后將發(fā)射體放置在發(fā)射架頂部鋼板上，并用10個(gè)16 mm螺栓固定，調(diào)整發(fā)射身管方向和水平，完成破片高速載裝置實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。發(fā)射模擬破片過(guò)程為：首先將彈體裝入炮尾坡膛處定位，然后將裝有發(fā)射藥的藥筒裝入身管，關(guān)閉炮閂，利用電擊發(fā)方式將火藥點(diǎn)燃，通過(guò)發(fā)射裝藥在膛內(nèi)燃燒做功，以火藥燃?xì)怛?qū)動(dòng)彈體，將質(zhì)量50 g的模擬破片加速到1 500～2 200 m/s，并通過(guò)改變裝藥量和模擬破片的破片質(zhì)量，完成對(duì)不同破片的彈體初速加載。身管用來(lái)賦予破片初速和飛行方向；炮閂用以關(guān)閉炮膛，擊發(fā)火藥；助推器用以保證發(fā)射體的復(fù)位；移動(dòng)發(fā)射架的復(fù)進(jìn)機(jī)，可以控制加載裝置發(fā)射破片時(shí)受力和運(yùn)動(dòng)；水平調(diào)節(jié)、方向調(diào)整功能，可以有效的保證發(fā)射體工作姿態(tài)；炮杵為發(fā)射架受沖擊時(shí)提供很好的穩(wěn)定支撐。

2 模擬破片

模擬破片是由彈托、破片(方形破片、球形破片、圓柱形破片)、底推、底推片等組成。其中破片為有效載荷，其質(zhì)量范圍為2～30 g。模擬破片如圖2、圖3所示。

結(jié)合工程上破片戰(zhàn)斗部的實(shí)際應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)了2 g、4.7 g、30 g球形鎢珠；9 g、15 g圓柱形；10 g、15 g立方體等3種戰(zhàn)斗部常用典型破片的模擬破片的模擬破片。彈托、底推、底推片與破片質(zhì)量合計(jì)為50 g。機(jī)械設(shè)計(jì)我們遵循等效質(zhì)量原理，即模擬破片中的有效載荷——破片，與常規(guī)破片質(zhì)量相當(dāng)，這樣才能在實(shí)驗(yàn)中更好的展現(xiàn)實(shí)際破片的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、存速能力和毀傷能力。

模擬破片采用次口徑脫殼設(shè)計(jì)方案，這樣可以最大限度的保證破片的幾何外形。

圖2 模擬破片

圖3 底推、底推片、破片、彈托

3 破片速度實(shí)驗(yàn)

3.1 理論分析

根據(jù)各有關(guān)現(xiàn)象的物理實(shí)質(zhì)，建立相應(yīng)的內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型，以掌握火炮彈藥系統(tǒng)與彈道規(guī)律之間的關(guān)系，采用經(jīng)典內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型[6]：

ψ=χZ(1+λZ+μZ2)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

本實(shí)驗(yàn)的模擬破片沿身管全行程l=4 m；火藥力：f=1 048 800 kg·dm/kg；火藥密度：δ=1.6×103kg/m3。利用Matlab/Simulink編寫(xiě)程序并得到不同裝藥量條件下的最大膛壓和出炮口速度見(jiàn)表1。

表1 高速加載裝置及裝藥內(nèi)彈道計(jì)算結(jié)果

注：最后一行數(shù)據(jù)僅為理論計(jì)算結(jié)果，故不剔除。

3.2 破片加載裝置考核試驗(yàn)

為考核高速破片加載裝置發(fā)射破片速度的能力，開(kāi)展了破片速度測(cè)試實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。破片速度測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示，由破片高速加載裝置、彈托回收器和區(qū)截測(cè)速靶等組成。在彈道軸線(xiàn)上，距破片發(fā)射裝置身管前端10m處擺放彈托回收器，15 m處布設(shè)破片測(cè)速靶。實(shí)驗(yàn)時(shí)破片發(fā)射裝置為水平放置，彈道中軸線(xiàn)與場(chǎng)地寬邊平行并且居中，發(fā)射身管軸線(xiàn)距離地面高度約為1.3 m，發(fā)射破片質(zhì)量15 g,裝藥質(zhì)量為150 g、170 g、180 g、190 g、210 g，共5組。由區(qū)截測(cè)速靶測(cè)量破片速度，并利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算得到不同裝藥量條件下的破片速度。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。裝藥質(zhì)量210 g,發(fā)射質(zhì)量2 g、4.7 g、9 g、10 g、15 g、30 g不同外形破片，共5組。得到不同質(zhì)量不同形狀的破片速度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

圖4 破片速度測(cè)試實(shí)驗(yàn)布設(shè)示意圖

序號(hào)火藥型號(hào)模擬破片/g破片/g裝藥/g速度/(m·s-1)12345單樟4/749.7151501 685.749.8151701 831.549.7151801 897.550151902 020.249.9152102 164.5

表3 不同破片質(zhì)量測(cè)速試驗(yàn)結(jié)果

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1) 破片發(fā)射裝置加載能力。從表1可以看出：50 g的模擬破片在130～210 g裝藥量的條件下，破片高速加載裝置可以將破片加載到1 500～2 200 m/s，最大膛壓在117～352 MPa。相對(duì)于目前常規(guī)制式身管類(lèi)破片加載裝置只能將模擬破片加載到最高速度1 600 m/s，該破片加載裝置很大地提高了破片的加載速度。

試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表2、表3所示，裝藥量為210 g時(shí)，在距身管口15 m處所測(cè)破片速度為2 164 m/s。考慮該速度為距身管15 m處的破片速度衰減值，則可以認(rèn)為破片發(fā)射初速(出身管口速度)大于2 200 m/s，故破片高速裝置加載能力仍有余量，可以滿(mǎn)足加載2～30 g破片初速1 500～2 200 m/s的設(shè)計(jì)要求。

2) 破片發(fā)射速度穩(wěn)定性。表4給出了破片實(shí)驗(yàn)的速度均值與計(jì)算結(jié)果及其誤差。

表4 破片速度實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值

由表4可知：對(duì)于15 g破片的不同發(fā)射裝藥量的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合，兩者的誤差小于3%。該破片高速加載裝置的發(fā)射體在火藥燃燒做功下最高可以將質(zhì)量為15 g 的破片加載到2 149 m/s，可以滿(mǎn)足戰(zhàn)斗部破片速度考核的要求。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種破片高速加載裝置用于模擬戰(zhàn)斗部的破片速度，獲取高速破片值。采用破片高速加載裝置及區(qū)截測(cè)速系統(tǒng)，對(duì)3種不同條件的破片速度進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算數(shù)據(jù)的分析，表明該破片高速加載裝置可以將15 g的破片初速加載到2 149 m/s，速度測(cè)試均值與計(jì)算值誤差小于3%，驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)戰(zhàn)斗部破片速度考核提供了一種技術(shù)途徑，具有重要的工程意義。