姬 龍,黃正祥,顧曉輝,鄭應(yīng)民
(南京理工大學(xué) 智能彈藥國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,南京210094)
快速分離技術(shù)的研究一直以來(lái)受到人們的廣泛關(guān)注,運(yùn)用領(lǐng)域不斷延伸,如帶探測(cè)破-破式串聯(lián)戰(zhàn)斗部中前級(jí)戰(zhàn)斗部的快速分離,破-穿式串聯(lián)戰(zhàn)斗部中隨進(jìn)戰(zhàn)斗部的快速隨進(jìn),艦艇巡航途中快速發(fā)射魚(yú)雷、導(dǎo)彈對(duì)目標(biāo)實(shí)施有效攻擊等,都要求在最短的時(shí)間內(nèi)將發(fā)射物體加速到最大速度,一定距離內(nèi)縮短發(fā)射物體的反應(yīng)時(shí)間.
傳統(tǒng)的分離發(fā)射機(jī)制和作用原理中,火藥裝藥點(diǎn)火方式主要采用電底火點(diǎn)火、點(diǎn)火頭點(diǎn)火、等離子體點(diǎn)火、爆轟點(diǎn)火等,其中電底火點(diǎn)火和點(diǎn)火頭點(diǎn)火技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟且應(yīng)用廣泛,但點(diǎn)火時(shí)間延時(shí)為幾ms到十幾ms,很難滿(mǎn)足快速發(fā)射的要求[1];李海元[2]和薛奡煒[3]等通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究,得出等離子體點(diǎn)火可以顯著縮短火藥的點(diǎn)火延遲時(shí)間,可控制在ms級(jí)以?xún)?nèi),但其點(diǎn)火時(shí)需要特定裝置,適用范圍有限;張丁山[4]等采用爆轟點(diǎn)火方式可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火延遲時(shí)間為0.3ms的目標(biāo),但其應(yīng)用于引燃主裝藥,其后續(xù)的燃燒發(fā)射過(guò)程還需要一定延遲時(shí)間.目標(biāo)機(jī)動(dòng)性的不斷加強(qiáng)對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間提出更高要求.為了實(shí)現(xiàn)從點(diǎn)火到分離發(fā)射的延遲時(shí)間控制在ms量級(jí)以?xún)?nèi),有必要在原有技術(shù)上進(jìn)行深入研究.
本文設(shè)計(jì)了一種快速分離實(shí)驗(yàn)裝置,采用爆炸點(diǎn)火方式,快速點(diǎn)燃發(fā)射藥,靠發(fā)射藥氣體的推力剪斷剪切環(huán),實(shí)現(xiàn)前級(jí)分離體的快速發(fā)射.利用密閉爆發(fā)器原理和經(jīng)典內(nèi)彈道理論建立快速分離發(fā)射理論模型,并通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到各物理參數(shù)的變化規(guī)律.
快速分離發(fā)射主要是利用導(dǎo)爆索爆炸點(diǎn)火點(diǎn)燃發(fā)射藥,使發(fā)射藥迅速燃燒產(chǎn)生大量的高壓氣體,待藥室內(nèi)壓力達(dá)到剪切環(huán)破壞極限時(shí)實(shí)現(xiàn)前級(jí)分離體的快速分離發(fā)射.模擬裝置如圖1所示.
圖1 快速分離裝置示意圖
通過(guò)上述分析將分離過(guò)程分為2個(gè)階段:第一階段為發(fā)射藥開(kāi)始燃燒到發(fā)射藥氣體壓力達(dá)到剪切環(huán)破壞極限,即快速燃燒階段;第二階段為剪切環(huán)被剪斷至前級(jí)分離體增速到最大速度,即快速發(fā)射階段.在此過(guò)程中,假設(shè):剪切環(huán)瞬間剪斷,即達(dá)到剪切環(huán)破壞極限后,前級(jí)分離體開(kāi)始運(yùn)動(dòng).
此階段中,藥室空腔體積沒(méi)有發(fā)生變化,并且發(fā)射藥氣體也沒(méi)有對(duì)外做功,所以可近似看作密閉爆發(fā)器,運(yùn)用其原理對(duì)此過(guò)程進(jìn)行分析.
將幾何燃燒定律條件下定容燃燒的p-t理論曲線(xiàn)和密閉爆發(fā)器實(shí)測(cè)p-t曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比,從而得到理論p-t曲線(xiàn)的斜率dp/dt的表達(dá)式,即p-t曲線(xiàn)應(yīng)滿(mǎn)足的微分方程[5]:
式中,pB為點(diǎn)火壓力;f為火藥力;ω為發(fā)射藥質(zhì)量;ψ為火藥已燃百分?jǐn)?shù);S為藥室橫截面積;lψ為藥室自由容積長(zhǎng);pH為初始剪切壓力;βH為達(dá)到pH時(shí)對(duì)應(yīng)的β值;σ為火藥相對(duì)燃燒面積;e1為1/2火藥起始厚度;u1為燃速系數(shù);χ、μ和λ為火藥形狀特征量;n為燃速指數(shù);Z為火藥已燃相對(duì)厚度;α為發(fā)射藥燃?xì)庥嗳?;ρp為發(fā)射藥密度;Fτmax為剪斷剪切環(huán)所需的最大剪切力.
通過(guò)選取合適的pB和u1可以較好地反映爆炸點(diǎn)火時(shí)發(fā)射藥燃燒規(guī)律,并將式(2)~式(5)代入方程(1)進(jìn)行求解,可得第一階段各參量的數(shù)值.
當(dāng)發(fā)射藥氣體壓力達(dá)到剪切環(huán)破壞極限時(shí),剪切環(huán)發(fā)生瞬間剪切,前級(jí)分離體開(kāi)始加速運(yùn)動(dòng),在上階段條件基礎(chǔ)上建立動(dòng)態(tài)下內(nèi)彈道方程組[5~7]:
式中,Ik為壓力全沖量;φ為次要功計(jì)算系數(shù);m為前級(jí)分離體質(zhì)量;θ=k-1,k為絕熱指數(shù);Z0、ψ0、σ0為達(dá)到剪切環(huán)破壞極限時(shí)各參數(shù)的取值.
由此解出發(fā)射過(guò)程中前級(jí)分離體速度v、行程l、膛內(nèi)壓力p之間的關(guān)系.
運(yùn)用上述建立的快速分離發(fā)射內(nèi)彈道理論模型,忽略前級(jí)分離體剪切過(guò)程對(duì)內(nèi)彈道性能的影響,選取雙基圓片狀發(fā)射藥,e1=0.07 mm,f=1 180kJ/kg,ω=3g,ρp=1 650kg/m3,分離體的質(zhì)量m=260g,材料為超硬鋁(7A04),且Fτmax=125 MPa.利用Matlab中四階Runge-Kutta法編程計(jì)算,結(jié)果如圖2~圖4所示.
圖2 快速分離發(fā)射時(shí)期膛內(nèi)p-t曲線(xiàn)
圖3 前級(jí)分離體在膛內(nèi)的v-l關(guān)系曲線(xiàn)
圖4 前級(jí)分離體在膛內(nèi)的v-t關(guān)系曲線(xiàn)
從圖2~圖4得出快速分離發(fā)射內(nèi)彈道時(shí)期膛壓、前級(jí)分離體速度以及膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.由圖2可得,膛內(nèi)壓力達(dá)到剪切環(huán)剪切壓力所用時(shí)間約為125μs.由圖3可得,前級(jí)分離體發(fā)射時(shí)的位移與速度關(guān)系,前級(jí)分離體分離速度為200m/s.圖4表明前級(jí)分離體在125μs時(shí)開(kāi)始運(yùn)動(dòng),到1 ms時(shí)前級(jí)分離體速度達(dá)到最大值200m/s.
根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果,本文通過(guò)靜態(tài)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證,模擬爆炸點(diǎn)火方式下前級(jí)分離體快速分離發(fā)射過(guò)程,通過(guò)測(cè)試儀對(duì)分離時(shí)間和分離速度進(jìn)行測(cè)試,利用高速攝像進(jìn)行驗(yàn)證.
實(shí)驗(yàn)采用電雷管引爆Φ2.88mm鉛制導(dǎo)爆索,通過(guò)導(dǎo)爆索爆炸點(diǎn)燃雙基片狀發(fā)射藥,待發(fā)射藥氣體壓力達(dá)到剪切環(huán)剪斷壓力時(shí),前級(jí)分離體開(kāi)始增速運(yùn)動(dòng).為了精確測(cè)試快速分離時(shí)間,現(xiàn)選用光電耦合器,實(shí)現(xiàn)電雷管起爆與測(cè)試儀信號(hào)輸入同步,見(jiàn)圖5.
圖5 模擬實(shí)驗(yàn)裝置布局示意圖
通過(guò)上述實(shí)驗(yàn),對(duì)快速分離發(fā)射裝置的分離時(shí)間和分離速度進(jìn)行測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1.
表1 分離時(shí)間與分離速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果表
從表1可得,通過(guò)瞬態(tài)測(cè)試儀測(cè)試快速分離時(shí)間為197~216μs,發(fā)射速度為192~199m/s;由高速攝像測(cè)得前級(jí)分離體的發(fā)射速度為190~195m/s.與圖2~圖4中數(shù)值解進(jìn)行比較,其分離時(shí)間為125μs,兩者差異較大.這主要是由于瞬態(tài)測(cè)試儀測(cè)得的分離時(shí)間為:從雷管接收到點(diǎn)火信號(hào)到發(fā)射藥氣體壓力達(dá)到剪切環(huán)剪切壓力時(shí)所用時(shí)間,包括雷管延時(shí)和導(dǎo)爆索傳爆時(shí)間,所以測(cè)試時(shí)間偏長(zhǎng).通過(guò)計(jì)算,導(dǎo)爆索傳爆時(shí)間tA=16μs,電雷管延時(shí)時(shí)間tB=50μs.由此可得測(cè)試分離時(shí)間為131~150μs,與計(jì)算結(jié)果相比偏差為4%~13%.測(cè)試結(jié)果中發(fā)現(xiàn)測(cè)試時(shí)間有波動(dòng),這主要是由測(cè)試手段、測(cè)試儀響應(yīng)快慢、干擾等多方面因素引起的,發(fā)射時(shí)間極短,測(cè)試靈敏度要求高,易受干擾.這種誤差范圍內(nèi)的波動(dòng)是允許的.
由此可見(jiàn),采用快速分離發(fā)射裝置,利用爆炸點(diǎn)火點(diǎn)燃發(fā)射藥的方式,可以有效提高分離時(shí)間.這主要是由于傳統(tǒng)分離發(fā)射裝置中,熱傳導(dǎo)方式在點(diǎn)火能量傳播過(guò)程中占主要地位,不能使發(fā)射藥完全同時(shí)點(diǎn)燃,只能點(diǎn)燃一部分逐層傳遞,發(fā)射藥氣體的生成速率不高,導(dǎo)致氣體壓力剪斷剪切環(huán)時(shí)間增長(zhǎng);而爆炸點(diǎn)火方式是利用雷管引爆導(dǎo)爆索,由導(dǎo)爆索爆炸產(chǎn)生爆轟能量點(diǎn)燃發(fā)射藥,甚至部分發(fā)射藥發(fā)生爆燃,穿透和侵蝕作用較為顯著,發(fā)射藥幾乎同時(shí)燃燒,并且導(dǎo)爆索附近的發(fā)射藥在其爆炸作用下碎裂,起始燃面增加,燃速增大,點(diǎn)燃較為容易,從而發(fā)射藥氣體的生產(chǎn)速率陡升,在較短的時(shí)間內(nèi)氣體壓力超過(guò)剪切環(huán)最大抗剪切力,實(shí)現(xiàn)快速分離.
同時(shí),在前級(jí)分離體剪斷剪切環(huán)時(shí),發(fā)射藥氣體壓力較大,前級(jí)分離體獲得較大初始加速度,在較短的發(fā)射筒行程內(nèi),快速增速,在分離時(shí),達(dá)到預(yù)期發(fā)射速度.由圖3、圖4得數(shù)值解中發(fā)射速度v=200m/s,與測(cè)試結(jié)果基本吻合.由此可證明,快速分離發(fā)射理論模型是正確的,為快速分離優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論支持.
①快速分離發(fā)射裝置在一定條件下,可實(shí)現(xiàn)分離時(shí)間在200μs左右,發(fā)射速度為200m/s,滿(mǎn)足分離戰(zhàn)斗部技術(shù)要求.
②利用密閉爆發(fā)器原理和發(fā)射時(shí)期內(nèi)彈道理論,對(duì)分離時(shí)間和分離速度進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,與實(shí)際接近,可近似反映出特定實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi),爆炸點(diǎn)火方式下內(nèi)彈道變化諸元.為今后工程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支持.
③本實(shí)驗(yàn)裝置利用爆炸點(diǎn)火方式點(diǎn)燃發(fā)射藥,可以大幅度提高前級(jí)分離體的分離時(shí)間與發(fā)射速度,為實(shí)現(xiàn)快速分離發(fā)射研究提供依據(jù).
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