隱身彈丸的彈底托分離技術設計

張培忠,寧金貴,王建國,王 欣

(中國人民解放軍63850部隊,吉林 白城 137001)

在海灣戰(zhàn)爭和伊拉克戰(zhàn)爭中,美軍利用炮位偵察校射雷達偵察伊軍火炮和導彈發(fā)射陣地;以色列陸軍利用“天穹”系統(tǒng)多次成功攔截了哈馬斯武裝人員發(fā)射的火箭彈[1-2]。因此,需要研究一種對雷達隱身的彈丸,防止雷達反推算出火炮發(fā)射陣地的坐標,從而達到保護我方火炮發(fā)射陣地的目的[3-4]。

彈丸對雷達隱身的技術包括外形隱身技術和材料隱身技術。材料隱身技術主要是將吸波材料、超材料涂覆于彈丸表面,實現(xiàn)彈丸對雷達的隱身。在外形隱身方面,則是完全依照外形隱身設計規(guī)范設計彈丸結構,即次口徑碟形隱身彈丸(也稱為全隱身彈丸)[5-6]。此后,為了不降低彈丸的威力和精度,對彈丸的外形結構進行了改進,將彈丸前定心部直接接觸炮膛,前定心部不涂覆吸波材料,稱為全膛半隱身彈丸[7-8]。2種技術都借助于可靠的彈底托分離技術,消除了2條銅彈帶和閉氣環(huán)槽等凸起的雷達波強散射源,實現(xiàn)了彈丸對雷達外形隱身的目的。

1 隱身彈丸結構

1.1 全隱身彈丸結構

如圖1所示,全隱身彈丸包括引信、彈體和彈底托幾個部分,彈體表面全部涂覆吸波材料,彈體與彈底托之間用鋁制螺栓連接、隼口咬合。當火炮發(fā)射全隱身彈丸時,膛內火藥氣體通過彈底托底部的通孔流入壓力腔中。彈丸出炮口之后,彈底托借助壓力腔內留存火藥氣體的壓力迅速剪切鋁制螺栓,完成與全隱身彈體的分離動作。

圖1 全隱身彈丸結構

1.2 全膛半隱身彈丸結構

為了不犧牲彈丸的威力和精度,改進了彈丸外形結構,設計了全膛半隱身彈丸。該種彈丸也是由引信、彈體和彈底托組成,彈體表面除了前定心部以外均涂覆吸波材料,彈體與彈底托之間也同樣用鋁制螺栓連接、隼口咬合,結構如圖2所示。當全膛半隱身彈丸發(fā)射出炮口之后,彈底托借助壓力腔內留存火藥氣體的壓力迅速剪切鋁制螺栓,彈底托與全膛半隱身彈體迅速分離。

2 隱身彈體與彈底托分離的原理

火炮發(fā)射隱身彈丸時,膛內火藥氣體在推動隱身彈丸前進過程中,有少量通過彈底托底部的通孔流入壓力腔內。膛內火藥氣體壓力為彈底壓力pd,密度為ρ;彈底托的壓力腔內火藥氣體壓力為pv,密度為ρv;壓力腔容積為V,通孔最小橫截面積為Sd。在隱身彈丸加速前進過程中,因隱身彈體的慣性力、壓力腔內火藥氣體壓力同時作用在鋁制螺栓的兩端,此時鋁制螺栓不會被剪切,如圖3所示。當隱身彈丸出炮口以后,彈底壓力pd消失,隱身彈體的慣性力也隨之消失。忽略少量留存火藥氣體從通孔反流出,壓力腔內留存火藥氣體的壓力作用于鋁制螺栓上,而鋁制螺栓結構強度薄弱,該壓力足夠剪切鋁制螺栓,推開隱身彈體,完成彈底托與隱身彈體分離動作,如圖4所示。

在火炮發(fā)射隱身彈丸過程中,設某一時間dt內炮膛內火藥氣體經過彈底托底部的通孔流入壓力腔內的熱量為dQ,壓力腔內能量增量為dE,假設這一過程無熱散失、無泄漏,是絕熱過程,為一維準定常流動。根據熱力學第一定律,則

dQ=dE

(1)

dQ=cpTqmdt

(2)

(3)

式中:cp為火藥氣體的定壓比熱;cV為火藥氣體的定容比熱;qm為火藥氣體經通孔流入壓力腔的質量流量;T為膛內火藥氣體溫度;Tv為壓力腔內火藥氣體溫度;ωt為膛內火藥氣體比容,ωt=1/ρ,ρ為膛內火藥氣體密度;ωv為壓力腔內火藥氣體比容,ωv=1/ρv,ρv為壓力腔內氣體密度。

根據氣體狀態(tài)方程:

(4)

則壓力腔內火藥氣體能量增量為

(5)

(6)

將式(5)、式(6)代入式(1)得:

(7)

式中:k為比熱比,即k=cp/cV。

當火藥氣體通過彈底托底部的通孔最初流入壓力腔內時:pd/pv>1.8,為超臨界流動,質量流量為

(8)

隨著膛壓pd下降,壓力腔內pv逐漸上升,出現(xiàn)pd/pv≤1.8,變?yōu)閬喤R界態(tài)流動,質量流量為

(9)

式中:μ為質量流量系數(shù),一般情況下μ<1。

在pd/pv≤1之后,彈底托壓力腔內留存火藥氣體會反流出,算法可以參考上述過程。

3 隱身彈體與彈底托分離設計

利用經典內彈道學方程計算隱身彈丸運動速度、彈底壓力,并補充計算膛內火藥氣體密度方程:

(10)

膛內火藥氣體密度方程:

(11)

式中:ψ為火藥燃燒的比例;χ1,λ1均為火藥形狀特征量;Z為火藥顆粒燃燒相對已燃厚度;2e為火藥顆粒已燃厚度;2e1為火藥顆粒厚度;u1為火藥燃速系數(shù);p為火藥氣體壓力;ν為火藥燃燒指數(shù);S為炮膛橫截面積;φ為次要功系數(shù);φ1為不計入火藥氣體動能時的次要功系數(shù);m為彈丸質量;v為彈丸運動速度;l為彈丸在膛內運動距離;f為火藥力;mc為裝藥質量;θ=k-1,k為火藥氣體比熱比;pd為彈底部火藥氣體壓力;l0為藥室容積縮徑長;Δ為火藥裝填密度;δ為火藥顆粒密度;α為火藥氣體余容。

以膛壓達到彈帶擠進壓力作為計算初始條件。利用式(7)、式(8)、式(9)計算彈底托壓力腔的壓力。再根據鋁制螺栓的設計目的、材料、熱處理工藝和強度設計其結構參數(shù),保證彈底托壓力腔的壓力能夠剪切鋁制螺栓,實現(xiàn)彈底托與彈體分離。

4 設計實例

以某型155 mm加榴炮發(fā)射全隱身彈丸、全膛半隱身彈丸為例,發(fā)射藥為7孔、三胍-15;火藥顆粒形狀尺寸:平均弧厚2e1=2.4 mm,平均孔徑d0=1.5 mm,平均外徑de=14 mm,平均長度2lp=33 mm,發(fā)射藥量分別為1#、2#、3#、4#裝藥,藥室容積縮徑長l0=1.214 m,炮膛橫截面積S=0.018 9 m2,火藥力f=10.75×105N·m/kg,彈丸質量m=45.54 kg。分別計算了發(fā)射各裝藥量的隱身彈丸的運動速度、彈底壓力和膛內火藥氣體密度,如圖5～圖7所示。

圖5 隱身彈丸運動速度

圖6 隱身彈丸彈底壓力

圖7 膛內火藥氣體密度

以某155 mm全隱身榴彈為例,其彈底托壓力腔容積Vd=1.91×10-4m3,彈底托底部的通孔最小面積Sd=7×10-6m2,計算不同裝藥量時壓力腔的壓力,結果如圖8所示。為了簡便起見,忽略從隱身彈丸出炮口至鋁制螺栓被剪切瞬間壓力腔內火藥氣體經過通孔流出的過程。

鋁制螺栓選用材料為普通2A13鋁,其拉伸強度σb=300 MPa,并做特殊的熱處理,以調整其剪切強度,其剪切強度τs≤σb/2,則τs=150 MPa。鑒于4#裝藥發(fā)射時壓力腔壓力較小,根據60 MPa的壓力值設計了鋁制螺栓的結構參數(shù),其中包括了起應力集中作用的退刀槽,如圖9所示。經材料力學校算,剪切面應力為120 MPa,考慮到應力集中作用,剪切面上局部應力超過了剪切強度τs。在隱身彈丸出炮口以后,彈底托壓力腔的壓力能夠剪切鋁制螺栓,完成彈底托與隱身彈體的分離。

圖8 彈底托壓力腔的壓力

圖9 普通鋁制螺栓的結構尺寸及剪切面

5 試驗驗證

5.1 試驗彈丸

為了檢驗隱身彈丸的彈底托分離技術及其實現(xiàn)的隱身效果,進行了驗證試驗。分別研制了155 mm全隱身彈丸(如圖10所示)、全膛半隱身彈丸(如圖11所示)。同時,為了比較2條彈帶和閉氣環(huán)槽對隱身性能的影響程度,還研制了155 mm有船尾的全膛半隱身彈丸(如圖12所示),用來與普通155 mm殺爆彈進行比較,前者是在普通155 mm殺爆彈表面部分區(qū)域涂覆吸波材料而制成的,后者為現(xiàn)有彈種。

圖10 全隱身彈丸

圖11 全膛半隱身彈丸

圖12 有船尾的全膛半隱身彈丸

5.2 試驗與結果分析

將初速雷達布置于火炮炮口側后方20 m處,測試隱身彈丸的初速,檢查隱身彈體與彈底托分離情況。將彈道雷達布置于火炮正后方500 m,采用校射模式,如圖13所示,跟蹤全隱身彈丸,測試隱身彈丸的徑向速度和距離。

圖13 彈道雷達對隱身彈丸的跟蹤

將炮位偵察校射雷達置于155 mm火炮正前方25～30 km處,采用偵察模式,如圖14所示,測試全膛半隱身彈丸、有船尾的全膛半隱身彈丸、普通殺爆彈的隱身性能,從而判斷2條銅彈帶和閉氣環(huán)槽對彈丸隱身性能的影響程度。

圖14 炮位偵察校射雷達對隱身彈丸的探測

用155 mm火炮裝填4#裝藥發(fā)射2發(fā)全隱身彈丸。初速雷達測試結果如圖15和表1所示,分析結果表明:全隱身彈丸的彈體和彈底托分離動作迅速、可靠,彈底托受空氣阻力很大,失速墜落,僅保留隱身彈體獨自飛向目標。彈道雷達跟蹤隱身彈體的數(shù)據分析表明,全隱身彈丸的隱身性能突出[6]。

圖15 初速雷達對全隱身彈丸的測試

表1 全隱身彈丸的彈體與彈底托分離數(shù)據

用155 mm火炮裝填4#裝藥發(fā)射3發(fā)全膛半隱身彈丸、4發(fā)有船尾的全膛半隱身彈丸,并收集了普通155 mm殺爆彈在炮位偵察校射雷達鑒定試驗中的數(shù)據進行分析比較。偵察雷達測試結果如表2所示,結果表明:全膛半隱身彈丸隱身性能較好;而有船尾的全膛半隱身彈丸隱身效果不佳,說明了2條銅彈帶和閉氣環(huán)槽對隱身性能的影響顯著;普通殺爆彈沒有隱身性能,因其未采取材料隱身和外形隱身技術[8]。

表2 半隱身彈丸、普通殺爆彈試驗結果

6 結論

研究設計了隱身彈丸的彈底托分離原理和技術,實現(xiàn)了彈丸對雷達外形隱身的目的,并通過全隱身彈丸、全膛半隱身彈丸、有船尾的全膛半隱身彈丸、普通殺爆彈的對比試驗,檢驗該技術對雷達隱身性能的影響,試驗結果表明:

①隱身彈丸的彈底托分離動作迅速、可靠,消除了2條銅彈帶和閉氣環(huán)槽對雷達波的強散射,使全隱身彈丸、全膛半隱身彈丸具備了外形隱身功能,均獲得了較好的隱身效果;

②有船尾的全膛半隱身彈丸沒有消除2條銅彈帶和閉氣環(huán)槽對雷達波的強散射,隱身性能不佳;

③普通殺爆彈未采取材料隱身和外形隱身技術,故不具備隱身性能。