一種高速破片加載裝置設(shè)計(jì)及驗(yàn)證*

胡 杰，陳 樺，焦育東，馮志威，馬 營(yíng)

(1.西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021；2.中國(guó)兵器工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試研究院，華陰 714200；3.西安近代化學(xué)研究所，西安 710065)

在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)中，彈藥自身受到敵方攻擊或者由于操作不當(dāng)發(fā)生意外，產(chǎn)生的劇烈爆燃、爆炸等安全事故不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，還會(huì)削弱了自身的戰(zhàn)斗力[1]。彈藥安全性一直是世界各軍事強(qiáng)國(guó)關(guān)注的重點(diǎn)，尤其對(duì)于高價(jià)值武器平臺(tái)，比如載有大量彈藥的海軍艦船和航母，彈藥安全系統(tǒng)失效將造成毀滅性的破壞[2]。美國(guó)國(guó)防部從1982年開(kāi)始頒發(fā)《非核彈藥危險(xiǎn)性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)》，經(jīng)過(guò)多次改版和完善，截至2011年，美國(guó)和北約相繼建立了彈藥不敏感性測(cè)試項(xiàng)目和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，形成了以MIL-STD-2105D和NATO STANAG 4439為總綱，AOP-39為執(zhí)行文件，以STANAG單項(xiàng)試驗(yàn)程序?yàn)榫唧w操作說(shuō)明的標(biāo)準(zhǔn)體系[3-5]。破片撞擊是評(píng)估彈藥安全性的一個(gè)重要試驗(yàn)，涵蓋了彈藥受到不同口徑彈藥以及預(yù)制破片類(lèi)彈藥攻擊時(shí)對(duì)彈藥所產(chǎn)生的反應(yīng)機(jī)理，是評(píng)估和檢驗(yàn)彈藥敏感特性的必不可少的重要試驗(yàn)。目前高速破片加載系統(tǒng)主要有電磁炮、輕氣炮、爆炸破片發(fā)生器以及火炮發(fā)射系統(tǒng)[6]。其中電磁炮成本高，用于破片撞擊試驗(yàn)技術(shù)尚不夠成熟；輕氣炮操作復(fù)雜，機(jī)動(dòng)性不強(qiáng)，對(duì)大當(dāng)量戰(zhàn)斗部射擊時(shí)防護(hù)難度大；爆炸破片發(fā)生器難以精確控制破片的撞擊速度和方向，同時(shí)產(chǎn)生的寄生超壓會(huì)模糊和混淆試件反應(yīng)；火炮發(fā)射系統(tǒng)以其操作簡(jiǎn)單、質(zhì)量損失少、射擊精度高、試驗(yàn)具有可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，成為目前彈藥安全性試驗(yàn)中破片撞擊試驗(yàn)的主要方式。

在火藥加載高速破片驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面國(guó)內(nèi)外很多團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了大量的技術(shù)研究。文獻(xiàn)[7]給出了北約STANAG 4496 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)彈丸形狀和打擊速度，由于傳統(tǒng)的常規(guī)火炮發(fā)射彈丸難以達(dá)到1 800 m·s-1的速度要求，北約提出推薦采用改造的槍炮發(fā)射系統(tǒng)開(kāi)展此類(lèi)試驗(yàn)，但是并未給出槍炮的改造方法。文獻(xiàn)[8]對(duì)高速破片撞擊試驗(yàn)采用的特制槍炮、試驗(yàn)過(guò)程、測(cè)試方法、破片材料等進(jìn)行了簡(jiǎn)單描述。文獻(xiàn)[9]采用改裝的火炮驅(qū)動(dòng)破片將其速度加載到1 830 m·s-1并對(duì)MX25榴彈進(jìn)行了破片撞擊，但是未提及裝藥量和火炮結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[10-12]研究了火藥燃?xì)怛?qū)動(dòng)高速破片對(duì)集裝箱鋼、迫擊炮、車(chē)輛裝甲、120 mm迫擊炮等沖擊造成的斷裂、擴(kuò)散及能量耗散特性，但是未給出槍炮系統(tǒng)的藥室、身管長(zhǎng)徑比等影響破片速度的具體設(shè)計(jì)理論。文獻(xiàn)[13]研究了12.7 mm標(biāo)準(zhǔn)彈道槍發(fā)射直徑9.4 mm的鎢球以及Φ9 mm×9.5 mm的六棱鎢柱，并對(duì)其侵徹三種不同結(jié)構(gòu)Q235鋼板的侵徹性能進(jìn)行了分析，其發(fā)射彈丸質(zhì)量最大12 g，速度最高僅達(dá)到831 m·s-1。文獻(xiàn)[14]研究了14.5 mm彈道炮加載活性破片打擊重點(diǎn)毀傷目標(biāo)的威力試驗(yàn)，僅實(shí)現(xiàn)了將10g破片驅(qū)動(dòng)到960 m·s-1。文獻(xiàn)[15-17]介紹了一種破片加載裝置，采用次口徑發(fā)射原理，將小于50g的彈體加速到1 500～2 000 m·s-1的破片加載裝置，但是并未詳細(xì)給出破片運(yùn)動(dòng)的內(nèi)彈道模型、火藥具體參數(shù)以及模擬破片彈結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[18]研究了大藥室、小口徑火炮發(fā)射高速破片的可行性，進(jìn)行了1 300 m·s-1的低速試驗(yàn)驗(yàn)證，給出了2 000～2 400 m·s-1的內(nèi)彈道理論分析，并未進(jìn)行充分的試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[19-20]設(shè)計(jì)了一種炮管長(zhǎng)4 m的火炮，能將鋼制破片加載到1 840 m·s-1，但對(duì)火藥具體參數(shù)以及彈托的分離方式未給出相應(yīng)的描述。

為了滿(mǎn)足STANAG 4439標(biāo)準(zhǔn)中發(fā)射18.6 g標(biāo)準(zhǔn)破片達(dá)到1 830 m·s-1±60 m·s-1的發(fā)射速度，本研究通過(guò)對(duì)高速破片加載裝置建立破片運(yùn)動(dòng)方程，通過(guò)內(nèi)彈道參數(shù)仿真計(jì)算分析，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種大藥室、小口徑、大長(zhǎng)徑比的高速破片加載裝置和卡瓣氣動(dòng)分離的模擬破片彈，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)了18.6 g標(biāo)準(zhǔn)破片速度達(dá)到1 830 m·s-1±60 m·s-1的發(fā)射速度要求，該加載裝置能滿(mǎn)足目前國(guó)內(nèi)開(kāi)展彈藥安全性破片撞擊的相關(guān)試驗(yàn)需要。

1 破片運(yùn)動(dòng)過(guò)程內(nèi)彈道模型建立

1.1 破片內(nèi)彈道運(yùn)動(dòng)分析

根據(jù)經(jīng)典內(nèi)彈道理論，建立超高速破片加載裝置的內(nèi)彈道數(shù)理模型過(guò)程中，主要影響因素：① 采用集總參數(shù)法和空間平均的熱力學(xué)參數(shù)來(lái)描述火藥的燃燒和彈丸的運(yùn)動(dòng)過(guò)程[18]；② 火藥燃燒滿(mǎn)足幾何燃燒定律假設(shè)，并設(shè)定是在平均壓力條件下燃燒；③ 火藥燃?xì)鉅顟B(tài)方程服從諾貝爾(Noble)-阿貝爾(Abel)狀態(tài)方程，火藥的線性燃燒速度是指火藥顆粒表面法線方向的燃速；④ 火藥燃燒生成物的組份保持不變，與火藥成份有關(guān)的物理量，如火藥力、比熱比、余容等均為常數(shù)；⑤ 彈丸(彈托)的運(yùn)動(dòng)阻力用虛擬質(zhì)量系數(shù)來(lái)考慮；⑥ 熱散失、火藥氣體運(yùn)動(dòng)功和彈丸(包括彈托)運(yùn)動(dòng)摩擦功等各種形式的次要功用次要功計(jì)算系數(shù)來(lái)修正；⑦ 點(diǎn)火藥包(前部和底部)內(nèi)裝點(diǎn)火藥瞬間燃完，形成火藥裝藥的點(diǎn)火壓力，火藥瞬間同時(shí)被點(diǎn)燃；⑧ 在膛內(nèi)壓力達(dá)到彈丸起動(dòng)壓力后，彈丸(彈托)瞬間解除約束并開(kāi)始運(yùn)動(dòng)；且彈丸(彈托)的運(yùn)動(dòng)為軸向一維運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)以上因素將彈丸的彈道運(yùn)動(dòng)過(guò)程劃分為三個(gè)時(shí)期：① 彈丸內(nèi)彈道運(yùn)動(dòng)從火藥燃燒開(kāi)始到破片(彈托)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)瞬間結(jié)束,由于彈丸沒(méi)有運(yùn)動(dòng)，因此可以認(rèn)為是定容燃燒過(guò)程。點(diǎn)燃火藥，火藥燃燒，裝藥室內(nèi)燃?xì)鈮毫ι仙?，?dāng)壓力達(dá)到彈丸起動(dòng)壓力時(shí)，彈丸解除約束開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。② 從彈丸開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到火藥裝藥燃燒結(jié)束,包括火藥燃燒、燃?xì)饬鲃?dòng)、彈丸的運(yùn)動(dòng)等各種現(xiàn)象，同時(shí)將出現(xiàn)火藥燃燒分裂點(diǎn)、燃燒結(jié)束點(diǎn)以及最大壓力點(diǎn)。③ 從火藥結(jié)束燃燒開(kāi)始到彈丸出發(fā)射系統(tǒng)瞬間結(jié)束,主要是火藥燃?xì)饨^熱膨脹做功過(guò)程。

1.2 內(nèi)彈道方程組建立

依據(jù)破片內(nèi)彈道運(yùn)動(dòng)分析的三個(gè)時(shí)期，聯(lián)立火藥燃?xì)鉅顟B(tài)方程、火藥燃燒規(guī)律與燃燒方程、膛內(nèi)射擊過(guò)程中的能量守恒方程、彈丸運(yùn)動(dòng)方程、內(nèi)彈道基本方程和彈丸速度與行程關(guān)系式，建立多孔火藥內(nèi)彈道方程組[21]：① 火藥燃燒遵循幾何燃速定律；② 藥體均在平均壓力下燃燒，且燃燒遵循指數(shù)燃燒定律；③ 采用次要功系數(shù)來(lái)考慮其它的次要功；④ 彈丸擠進(jìn)膛線是瞬時(shí)完成的，以一定的擠進(jìn)壓力標(biāo)志作為彈丸的啟動(dòng)條件；⑤ 火藥燃?xì)夥闹Z貝爾-阿貝爾狀態(tài)方程。

根據(jù)以上可得七孔標(biāo)準(zhǔn)火藥內(nèi)彈道方程為

式中：ψ為火藥已然相對(duì)質(zhì)量(或體積)百分比；Z為火藥燃去的相對(duì)厚度；ZK火藥燃燒結(jié)束時(shí)，火藥已燃的相對(duì)厚度；χ、λ、μ、χs、λs為火藥的形狀特征量；e為發(fā)射藥已燃厚度；e1為1/2發(fā)射藥起始厚度；u1為發(fā)射藥的燃速系數(shù);p為炮膛內(nèi)彈底壓力;n為燃速指數(shù)；v為彈丸速度;l為彈丸行程，t為彈丸運(yùn)動(dòng)時(shí)間;S為炮膛橫截面面積;φd為彈丸的虛擬質(zhì)量系數(shù)，m為彈丸質(zhì)量；lψ為藥室的自由容積縮徑長(zhǎng)；f為火藥力；K為比熱比；φ為次要功計(jì)算系數(shù)；ω為發(fā)射藥裝藥質(zhì)量；l0為藥室容積縮徑長(zhǎng)；ρp為發(fā)射藥固體顆粒的密度；V0為藥室容積；α為火藥氣體余容。

2 加載裝置設(shè)計(jì)仿真

2.1 加載裝置指標(biāo)

發(fā)射系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足STANAG 4439標(biāo)準(zhǔn)中直徑不小于14 mm、質(zhì)量不小于18.6 g的標(biāo)準(zhǔn)破片發(fā)射初速要達(dá)到1 830 m·s-1±60 m·s-1的要求。

2.2 加載能力仿真計(jì)算

根據(jù)高速破片發(fā)射系統(tǒng)參數(shù)內(nèi)彈道模型利用Matlab編程對(duì)破片加載能力進(jìn)行仿真計(jì)算，其中火藥力1 048.8 kJ·kg-1，火藥密度1 600 kg·m-3，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，通過(guò)采用大藥室、長(zhǎng)身管、延長(zhǎng)做功時(shí)間、次口徑加載技術(shù)，在膛壓不超過(guò)360 MPa時(shí)，當(dāng)裝藥量為160～170 g，破片的初速可達(dá)到1 800 m·s-1量級(jí)。圖1～圖4為彈丸質(zhì)量m=60 g(破片質(zhì)量為18.6 g)，裝藥量ω=160 g時(shí)內(nèi)彈道仿真曲線圖。

圖1 膛壓時(shí)間曲線(ω=160 g，m=60 g)Fig.1 p -t curve(ω=160 g，m=60 g)

圖2 速度時(shí)間曲線(ω=160 g，m=60 g)Fig.2 v -t curve(ω=160 g，m=60 g)

圖3 膛壓行程曲線(ω=160 g，m=60 g) Fig.3 p -l curve(ω=160 g，m=60 g)

圖4 速度行程曲線(ω=160 g，m=60 g)Fig.4 v -l curve(ω=160 g，m=60 g)

2.3 超高速破片加載裝置參數(shù)

根據(jù)表1仿真結(jié)果，確定超高速破片加載裝置的最終設(shè)計(jì)指標(biāo)為：25 mm口徑、30 mm火炮藥室140 cm3，身管長(zhǎng)4 m。具體加載裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 內(nèi)彈道計(jì)算仿真結(jié)果

表2 超高速破片加載裝置參數(shù)

2.4 模擬破片彈設(shè)計(jì)

模擬破片彈的結(jié)構(gòu)主要包括彈托和破片兩部分組成，其中彈托主要包括底托、3個(gè)鋁制卡瓣以及墊片；破片為有效載荷。戰(zhàn)斗部的破片主要有圓柱體、球體、六棱柱體、正方體、長(zhǎng)方體等形狀[22]，文中試驗(yàn)驗(yàn)證采用的圓柱體破片。整個(gè)模擬破片彈破片與彈托采用氣動(dòng)分離方式分離，以防止卡瓣和彈托跟隨破片打擊到目標(biāo)上。

破片被約束在卡瓣中間位置，3個(gè)卡瓣中部采用棉繩捆綁方式進(jìn)行固定，卡瓣與底托采用螺紋連接，破片與底托之間利用墊片進(jìn)行隔離，以防止底托在膛內(nèi)破碎對(duì)破片飛行產(chǎn)生影響。模擬彈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)物如圖5所示。其中3個(gè)卡瓣和底托與破片采用氣動(dòng)差異的方式進(jìn)行分離；底托底部的大尺寸外緣主要用于膛內(nèi)閉氣(相當(dāng)于彈帶作用)；底托底部開(kāi)槽主要用于模擬彈進(jìn)膛瞬間大尺寸外緣的應(yīng)力釋放，避免底托破碎。

圖5 模擬破片設(shè)計(jì)圖、底托、破片彈實(shí)物

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

為了考核設(shè)計(jì)的破片加載裝置發(fā)射高速破片的能力，開(kāi)展了破片速度測(cè)試試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。利用25 mm口徑、30 mm藥室的超高速破片加載裝置發(fā)射破片，采用通斷靶區(qū)截裝置和高速錄像測(cè)量破片速度。試驗(yàn)共進(jìn)行了5發(fā)，現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)試驗(yàn)場(chǎng)景如圖6所示，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3和圖7。

圖7 裝藥量與破片初速關(guān)系

從表3試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)可以看出，采用25 mm口徑、30 mm藥室的超高速破片加載裝置發(fā)射60 g破片彈，質(zhì)量為18.6 g標(biāo)準(zhǔn)破片最高速度大于1 800 m·s-1，可以滿(mǎn)足STANAG 4439標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)破片達(dá)到1 830 m·s-1±60 m·s-1的發(fā)射速度的要求。

表3 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

采用超高速破片加載裝置發(fā)射破片，相對(duì)于常規(guī)火炮提升了發(fā)射破片的速度，相對(duì)于常規(guī)的30 mm火炮將標(biāo)準(zhǔn)破片加載到1 306 m·s-1[1]，速度提升達(dá)40%。當(dāng)破片發(fā)射速度大于1 800 m·s-1時(shí)，實(shí)際測(cè)試初速與仿真計(jì)算初速的最大誤差為4.55%。文中采用的相對(duì)裝藥量ω/m為2.67，造成誤差的一個(gè)原因是在相對(duì)裝藥量ω/m大于1的情況下，點(diǎn)火與傳火過(guò)程、氣相和顆粒群流場(chǎng)的描述以及膛內(nèi)壓力波等一系列現(xiàn)象無(wú)法用傳統(tǒng)的內(nèi)彈道學(xué)準(zhǔn)確描述。

4 結(jié) 論

文中研究設(shè)計(jì)了一種次超高速破片加載裝置，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其發(fā)射性能進(jìn)行了驗(yàn)證。該裝置能將18.6 g標(biāo)準(zhǔn)破片加速到滿(mǎn)足美國(guó)STANAG 4439標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)發(fā)射速度達(dá)到1 830 m·s-1±60 m·s-1的要求。當(dāng)破片發(fā)射速度大于1 800 m·s-1時(shí)，實(shí)際測(cè)試初速與仿真計(jì)算初速的最大誤差為4.55%，驗(yàn)證了內(nèi)彈道模型的正確性；該加載裝置能滿(mǎn)足現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)開(kāi)展彈藥安全性破片撞擊的相關(guān)試驗(yàn)需要。