高炮彈藥引信膛內(nèi)受力環(huán)境分析與仿真驗(yàn)證方法

摘 要：引信是高炮彈藥武器系統(tǒng)發(fā)揮終端效應(yīng)的最終執(zhí)行裝置，其性能優(yōu)劣直接影響高炮彈藥系統(tǒng)的引戰(zhàn)配合效果，從而決定了高炮彈藥對(duì)空中目標(biāo)的毀殲概率，一定程度上影響著戰(zhàn)爭(zhēng)的結(jié)局。分析了高炮彈藥引信在膛內(nèi)的主要受力情況，論述了性能仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，研究成果可為后續(xù)高炮彈藥引信的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能仿真提供參考、借鑒。

關(guān)鍵詞：高炮彈藥引信;膛內(nèi)受力環(huán)境;性能仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：E924 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1673-3819.2025.01.016

Analysis of internal ballistic load environment and simulation verification

methodology for fuzes of high-angle artillery ammunition

LIU Liwen， CAI Canwei， SUN Zhangyi

（Army Academy of Artillery and Air Defense， Hefei 230000， China）

Abstract：The fuze is the critical actuating component that enables high-angle artillery ammunition to achieve its terminal effects. Its performance directly impacts the coordination between the artillery ammunition and the firing system， thereby determining the probability of destruction of aerial targets by the high-angle artillery ammunition， and to a significant extent influencing the outcome of the war. This paper analyzes the primary loading conditions experienced by the fuze of high-angle artillery ammunition within the gun barrel， and discusses the methods of performance simulation and experimental verification. The analysis and research presented in this paper can provide valuable reference and inspiration for the structural design and performance simulation of high-angle artillery ammunition fuzes in the future.

Key words：high-angle artillery ammunition fuze; internal ballistic load environment; performance simulation

引信是高炮彈藥武器系統(tǒng)的重要組成部分，是高炮彈藥武器系統(tǒng)發(fā)揮終端效應(yīng)的最終執(zhí)行裝置，其性能直接決定了武器系統(tǒng)作戰(zhàn)的效能，一定程度上影響著戰(zhàn)爭(zhēng)的走勢(shì)［1］。性能完善、質(zhì)量可靠的引信能保證戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)實(shí)施有效毀傷，起作戰(zhàn)效能“倍增器”的作用;反之會(huì)導(dǎo)致彈藥在遇到目標(biāo)時(shí)發(fā)生早炸、遲炸或者瞎火的現(xiàn)象，不僅貽誤戰(zhàn)機(jī)，還可能對(duì)己方造成損傷［2］。高炮射擊時(shí)，膛內(nèi)溫度很高（一般在3 000 ℃）、膛壓很大（可達(dá)250 MPa～ 470 MPa）、彈丸出炮口瞬間初速很快（可以達(dá)到600 m／s～1 000 m／s），因此，要使高炮彈藥引信可靠地完成既定功能，研究人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要認(rèn)真分析其面臨的復(fù)雜膛內(nèi)環(huán)境，并就設(shè)計(jì)的引信進(jìn)行性能仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以滿足使用要求，高質(zhì)量完成作戰(zhàn)任務(wù)。

1 高炮彈藥引信在膛內(nèi)主要受力分析

高炮彈藥從發(fā)射到最后作用，會(huì)受到很多力的影響，就引信而言，在發(fā)射階段，其內(nèi)部零件所受到的力主要有后坐力、離心力和切線慣性力。對(duì)此，《引信概論》［1］《引信機(jī)構(gòu)學(xué)》［3］《基于電磁驅(qū)動(dòng)的引信發(fā)射后座與旋轉(zhuǎn)雙環(huán)境模擬技術(shù)研究》［4］《大口徑炮彈引信發(fā)射環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真》［5］《基于電磁直線驅(qū)動(dòng)的引信發(fā)射環(huán)境動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)研究》［6］等文獻(xiàn)就發(fā)射階段引信的受力情況進(jìn)行了分析。

1．1 后坐力

后坐力是以載體為參考坐標(biāo)系來(lái)研究引信零件相對(duì)于載體的運(yùn)動(dòng)而引入的一個(gè)慣性力。高炮彈丸在膛內(nèi)的直線運(yùn)動(dòng)是由火藥氣體壓力推動(dòng)彈丸而產(chǎn)生的，引信零件相對(duì)彈丸受到的后坐力為

對(duì)于一般的火炮、彈丸和發(fā)射裝藥，引信零件受到的后坐力與膛壓成正比，膛壓達(dá)到最大值時(shí)，后坐力也達(dá)到最大值，然后逐漸減小。出炮口后，后坐力隨膛壓的迅速降低而迅速減小直至為零。

1．2 離心力

在引信設(shè)計(jì)中，研究人員通常利用離心力作為引信機(jī)構(gòu)的原動(dòng)力，如離心保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的解除保險(xiǎn)。但對(duì)偏心配置的軸向運(yùn)動(dòng)引信零件，研究人員在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮離心力所引起的摩擦力的影響。

1．3 切線力

由此可知，線膛炮彈發(fā)射時(shí)，引信零件在膛內(nèi)所受到的切線慣性力僅為后坐力的10％～15％。在后效期，可視彈丸旋轉(zhuǎn)角速度不變而忽略切線慣性力。在外彈道上，空氣阻力使彈丸轉(zhuǎn)速漸減，引信零件仍經(jīng)受切線慣性力，方向與彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)相反，但量值很小，也可以不予考慮。由于此力較小，通常不易用作引信解除保險(xiǎn)的環(huán)境力。

1．4 其他發(fā)射環(huán)境

除了上述分析的力學(xué)環(huán)境，在發(fā)射過(guò)程中，引信在膛內(nèi)還會(huì)受到熱環(huán)境、電磁環(huán)境、靜電環(huán)境等復(fù)雜環(huán)境的影響。

（1）熱環(huán)境。炮彈在發(fā)射過(guò)程中，由于發(fā)射藥氣體與炮管的對(duì)流放熱作用，發(fā)射藥氣體的部分熱量會(huì)傳給炮管，加上射擊時(shí)炮彈與炮管的機(jī)械摩擦發(fā)熱，使炮管的溫度不斷升高。例如，某型高炮單發(fā)射擊后身管內(nèi)壁溫度在0．000 149 s內(nèi)從293．15 K上升到近631．54 K，若在600 rds／min的情況下進(jìn)行12發(fā)長(zhǎng)點(diǎn)射，則內(nèi)壁溫度可達(dá)近900 K［7］。炮管溫度一方面影響炮管的壽命［8］，同時(shí)也會(huì)對(duì)炮彈引信的正常工作產(chǎn)生影響，比如彈丸裝填后沒(méi)有立即發(fā)射，由于膛內(nèi)溫度很高且彈丸在膛內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng)，引信中的起爆元件就會(huì)受到膛內(nèi)熱的作用而發(fā)火，使彈丸早炸。

（2）電磁環(huán)境。電磁環(huán)境在空間中無(wú)處不在，對(duì)很多事物都會(huì)產(chǎn)生一定的影響［9-12］。對(duì)于現(xiàn)代引信來(lái)說(shuō)，電磁環(huán)境的出現(xiàn)可能會(huì)影響引信的相關(guān)性能，甚至出現(xiàn)災(zāi)難事故。高炮彈藥發(fā)射過(guò)程中，由于膛內(nèi)溫度的急劇升高，將產(chǎn)生一定的等離子體，這些等離子體將破壞引信電子部件的正常工作，甚至有可能電起爆元件而引起發(fā)火。

（3）靜電環(huán)境。靜電在生活中處處可見(jiàn)［13-14］，它的存在不光對(duì)人體有影響［15］，對(duì)電子元器件和設(shè)備，也會(huì)帶來(lái)十分嚴(yán)重的危害。高炮彈藥在發(fā)射的過(guò)程中，由于彈體與炮膛之間劇烈的摩擦，彈體表面會(huì)迅速產(chǎn)生大量的靜電，這些靜電可能會(huì)破壞引信電子部件的正常工作，比如起爆元件受靜電干擾提前發(fā)火，發(fā)生早炸的現(xiàn)象。

2 性能仿真與驗(yàn)證方法

引信樣機(jī)在進(jìn)行生產(chǎn)定型前，須要依據(jù)既定的標(biāo)準(zhǔn)、采取一定的方法，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行一系列的試驗(yàn)，包括性能仿真、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和外場(chǎng)試驗(yàn)等，而后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行進(jìn)一步修改完善，滿足要求后方能進(jìn)行生產(chǎn)定型。

2．1 性能仿真

隨著計(jì)算機(jī)等技術(shù)的高速發(fā)展，引信性能仿真的研究手段越來(lái)越多［16-18］，但針對(duì)高炮彈藥引信的性能仿真（比如流體分析、磁場(chǎng)分析、溫度分析、強(qiáng)度分析等方面的性能），目前研究還較少。結(jié)合高炮發(fā)射彈藥時(shí)的高過(guò)載、高旋轉(zhuǎn)特性，研究人員在進(jìn)行高炮彈藥引信性能仿真試驗(yàn)時(shí)，主要是進(jìn)行強(qiáng)度方面的仿真，可使用SolidWorks、SpaceClaim、Hypermesh、LS-PrePos、LS-DYNA、HyperView等軟件綜合進(jìn)行仿真，具體方法和流程如圖1所示。

2．2 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

引信的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)也叫靜止試驗(yàn)，是指在實(shí)驗(yàn)室條件下，用非射擊方法對(duì)引信或其零部件的某些性能進(jìn)行檢查或測(cè)試的各種試驗(yàn)［1］。依據(jù)引信實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的相關(guān)定，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)引信樣機(jī)進(jìn)行靜止試驗(yàn)，模擬引信在整個(gè)生命周期中可能經(jīng)歷的力學(xué)、電磁等環(huán)境條件如表2所示。

如果是復(fù)合控制引信，還要進(jìn)行復(fù)合性能的試驗(yàn)（比如近炸／時(shí)間／觸發(fā)引信的復(fù)合，測(cè)試其是否分別具備近炸、時(shí)間和觸發(fā)的功能以及各自的性能）。按規(guī)定，引信樣機(jī)只有經(jīng)過(guò)一系列靜態(tài)試驗(yàn)，在滿足指標(biāo)要求后，方能轉(zhuǎn)入靶場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)節(jié)，否則應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

2．3 外場(chǎng)試驗(yàn)

引信的外場(chǎng)試驗(yàn)是相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)而言的，是指野外試驗(yàn)，其中在相對(duì)固定的場(chǎng)地進(jìn)行的試驗(yàn)又稱為靶場(chǎng)試驗(yàn)［1］。依據(jù)引信樣機(jī)野外試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)定，對(duì)高炮彈藥引信樣機(jī)進(jìn)行靶場(chǎng)試驗(yàn)的主要內(nèi)容如表3所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文的分析可以發(fā)現(xiàn)，高炮射擊時(shí)，其引信會(huì)受到后坐力、離心力、切線慣性力等復(fù)雜環(huán)境力的影響，同時(shí)還面臨著熱環(huán)境、電磁環(huán)境以及靜電環(huán)境，這些復(fù)雜環(huán)境會(huì)對(duì)引信的正常工作產(chǎn)生很大的影響。因此，在進(jìn)行高炮彈藥引信的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮引信面臨的上述復(fù)雜環(huán)境，并進(jìn)行必要的性能仿真（可使用SolidWorks、SpaceClaim、Hypermesh、LS-PrePos、LS-DYNA、HyperView等軟件進(jìn)行）和靜態(tài)、動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行進(jìn)一步修改完善，以便研制的引信能夠適配各種作戰(zhàn)環(huán)境，高質(zhì)量完成既定作戰(zhàn)任務(wù)，切實(shí)起到作戰(zhàn)效能“倍增器”的作用。

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（責(zé)任編輯：胡前進(jìn)）