曹永杰,張向明,李志飛

(西北機(jī)電工程研究所,陜西 咸陽(yáng) 712099)

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基于液態(tài)平衡體的無(wú)后坐炮內(nèi)彈道研究

曹永杰,張向明,李志飛

(西北機(jī)電工程研究所,陜西 咸陽(yáng) 712099)

為了實(shí)現(xiàn)無(wú)后坐炮在有限空間內(nèi)安全發(fā)射,設(shè)計(jì)了一種含液態(tài)平衡體的新型裝藥結(jié)構(gòu)?；谠撔滦脱b藥結(jié)構(gòu),開展了某口徑無(wú)后坐炮內(nèi)彈道性能試驗(yàn),建立了相應(yīng)的內(nèi)彈道模型,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。在此基礎(chǔ)上,分析了液態(tài)平衡體初始質(zhì)量、密度、火藥弧厚、噴管喉部直徑以及擠進(jìn)壓力等參數(shù)對(duì)內(nèi)彈道性能的影響。結(jié)果表明:液態(tài)平衡體初始質(zhì)量對(duì)最大膛壓和炮口速度的影響顯著,而其密度的影響較弱;較厚的火藥、較小的噴管喉部直徑及較低的擠進(jìn)壓力有利于提高內(nèi)彈道綜合性能。研究結(jié)果可為基于液態(tài)平衡體的新型無(wú)后坐炮內(nèi)彈道及裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

無(wú)后坐炮;裝藥結(jié)構(gòu);液態(tài)平衡體;內(nèi)彈道

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)要求火炮武器威力大、精度高、機(jī)動(dòng)性好。如何降低火炮發(fā)射過(guò)程中巨大的后坐力,是協(xié)調(diào)火炮威力、機(jī)動(dòng)性能、射擊精度三者之間矛盾的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外先后研究了多種減后坐技術(shù)和相應(yīng)的反后坐裝置,不同程度地降低了火炮發(fā)射過(guò)程中產(chǎn)生的后坐沖量,如無(wú)后坐發(fā)射技術(shù)、炮口制退器技術(shù)、前沖技術(shù)[1]、二維后坐技術(shù)[2]、膨脹波發(fā)射技術(shù)[3]、電流變技術(shù)[4]和磁流變技術(shù)[5]等。其中,在便攜式步兵武器中具備應(yīng)用價(jià)值并且成熟可靠的只有無(wú)后坐發(fā)射技術(shù)。

傳統(tǒng)的無(wú)后坐炮利用射擊過(guò)程中火藥燃?xì)夂髧姰a(chǎn)生反向推力,使之與后坐力達(dá)到基本平衡,或兩者產(chǎn)生的動(dòng)量基本平衡。由于這種形式的無(wú)后坐炮在發(fā)射時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲和較長(zhǎng)的后噴火焰,故只能在空曠地使用,而不能在有限空間內(nèi)使用,否則將對(duì)射手及其同伴造成嚴(yán)重的傷害。而城市作戰(zhàn)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的主要形式之一,其空間狹小的作戰(zhàn)環(huán)境嚴(yán)重制約了傳統(tǒng)無(wú)后坐炮的使用。因此,實(shí)現(xiàn)有限空間發(fā)射成為亟待解決的問(wèn)題。根據(jù)瑞典薩博公司官方網(wǎng)站公開報(bào)道,其研究人員于2014年為其M4型“卡爾·古斯塔夫”無(wú)后坐炮研制成功了新型彈藥,該彈藥采用在藥筒內(nèi)加裝液態(tài)平衡體的裝藥結(jié)構(gòu),在發(fā)射過(guò)程中液態(tài)物質(zhì)可發(fā)生霧化,有效降低了噪聲和火焰長(zhǎng)度,從而實(shí)現(xiàn)了有限空間發(fā)射。

本文設(shè)計(jì)了一種含液態(tài)平衡體的新型無(wú)后坐炮裝藥結(jié)構(gòu),開展了某口徑無(wú)后坐炮內(nèi)彈道性能試驗(yàn),并建立了相應(yīng)的內(nèi)彈道模型,分析了內(nèi)彈道設(shè)計(jì)中涉及的幾種主要參數(shù)對(duì)其內(nèi)彈道性能的影響,對(duì)于發(fā)展我國(guó)適用于有限空間發(fā)射的新型無(wú)后坐炮具有一定的指導(dǎo)意義。

1　物理模型

設(shè)計(jì)的新型無(wú)后坐炮采用藥筒裝藥方式,其示意圖如圖1所示。為方便裝填,將彈丸、帶狀發(fā)射藥、平衡體及點(diǎn)火機(jī)構(gòu)全部裝在藥筒內(nèi)。藥筒底部的容器內(nèi)裝有液態(tài)平衡體,由一個(gè)隔板將液態(tài)平衡體和燃燒室隔開,藥筒底部有一個(gè)擋板,點(diǎn)火后在高壓作用下發(fā)生破碎,液態(tài)平衡體向炮尾方向噴出。

圖1　新型無(wú)后坐炮裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

為減輕全彈質(zhì)量和長(zhǎng)度,設(shè)計(jì)的液態(tài)平衡體質(zhì)量較彈丸小,相應(yīng)地,其行程也較彈丸短。這樣設(shè)計(jì)的結(jié)果必然是液態(tài)平衡體先于彈丸噴出火炮。根據(jù)這一特征,可將該新型無(wú)后坐炮的內(nèi)彈道過(guò)程分為2個(gè)階段:①?gòu)膹椡枧c液態(tài)平衡體同時(shí)運(yùn)動(dòng)開始,到液態(tài)平衡體完全出膛;②液態(tài)平衡體出膛后,膛內(nèi)火藥氣體經(jīng)由尾噴管迅速向炮尾排出,彈丸受膛內(nèi)火藥氣體作用,繼續(xù)向炮口方向運(yùn)動(dòng),直至出膛。

在經(jīng)典內(nèi)彈道基本假設(shè)[6]的基礎(chǔ)上增加以下幾點(diǎn)簡(jiǎn)化和假設(shè):

①藥筒底部擋板在達(dá)到一定壓力時(shí)瞬時(shí)破碎,噴管打開,同時(shí)彈丸開始運(yùn)動(dòng);

②液態(tài)平衡體在膛內(nèi)高壓燃?xì)庾饔孟乱灶愃朴诨钊\(yùn)動(dòng)方式向炮尾方向移動(dòng);

③液態(tài)平衡體在膛內(nèi)高壓燃?xì)庾饔孟乱坏┝鞒鰢姽芎聿考窗l(fā)生霧化,與保留在膛內(nèi)的部分離散;

④忽略藥筒內(nèi)徑的變化,并近似等于身管內(nèi)徑;

⑤熱散失通過(guò)減小火藥力間接修正;

⑥將傳火管、平衡體容器及隔板對(duì)平衡體質(zhì)量的影響以及平衡體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的阻力用次要功計(jì)算系數(shù)修正。

2　數(shù)學(xué)模型

基于該新型無(wú)后坐炮內(nèi)彈道物理模型,結(jié)合經(jīng)典內(nèi)彈道理論,建立如下數(shù)學(xué)模型。

①火藥燃速方程。

(1)

②火藥形狀函數(shù)。

(2)

③彈丸運(yùn)動(dòng)方程。

(3)

④彈丸速度與行程關(guān)系式。

(4)

⑤液態(tài)平衡體運(yùn)動(dòng)方程。

(5)

⑥液態(tài)平衡體速度與行程關(guān)系式。

(6)

⑦尾噴液態(tài)平衡體流量方程。

(7)

⑧尾噴燃?xì)庀鄬?duì)流量方程。

(8)

⑨能量方程。

(9)

⑩氣體狀態(tài)方程。

(10)

式中:

初始條件為

其中:Δ為裝填密度,ρp為火藥密度,p0為擠進(jìn)壓力,m20為液態(tài)平衡體初始質(zhì)量。

3　計(jì)算結(jié)果與分析

基于本文設(shè)計(jì)的新型裝藥結(jié)構(gòu),開展了某口徑無(wú)后坐炮內(nèi)彈道性能試驗(yàn)。根據(jù)本文所建立的數(shù)理模型進(jìn)行了數(shù)值仿真,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較如表1所示。結(jié)果表明,計(jì)算得到的最大膛壓pm和彈丸炮口速度vg與試驗(yàn)結(jié)果符合較好,相對(duì)誤差均在3%以內(nèi),可用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

表1　計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較

在驗(yàn)證模型準(zhǔn)確、可行的基礎(chǔ)上,基于65式82 mm無(wú)后坐炮結(jié)構(gòu)諸元和裝填條件(相關(guān)參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[6]),分析液態(tài)平衡體初始質(zhì)量、密度、火藥弧厚、噴管喉部直徑及擠進(jìn)壓力等因素對(duì)新型無(wú)后坐炮內(nèi)彈道性能的影響。

3.1液態(tài)平衡體初始質(zhì)量對(duì)內(nèi)彈道性能的影響

在限定藥筒總長(zhǎng)不變的情況下,液態(tài)平衡體初始質(zhì)量越大其所占藥室容積越多,相應(yīng)地,藥室內(nèi)初始自由容積越小。因此,在密度不變的情況下,液態(tài)平衡體的質(zhì)量通過(guò)其自身運(yùn)動(dòng)和藥室容積2種途徑影響內(nèi)彈道性能。

在其他參數(shù)不變的前提下,僅改變液態(tài)平衡體的初始質(zhì)量,計(jì)算得到的p-t曲線和v1-t曲線分別如圖2和圖3所示。

圖2　液態(tài)平衡體初始質(zhì)量對(duì)平均膛壓的影響

圖3　液態(tài)平衡體初始質(zhì)量對(duì)彈丸速度的影響

可以看出,液態(tài)平衡體初始質(zhì)量對(duì)內(nèi)彈道性能有顯著影響。一方面,液態(tài)平衡體初始質(zhì)量越大,最大膛壓越高,給藥筒和身管強(qiáng)度設(shè)計(jì)帶來(lái)困難,不利于新型無(wú)后坐炮武器系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì);另一方面,液態(tài)平衡體初始質(zhì)量越大,火藥利用率越高,彈丸炮口速度越高,而且越有利于降低發(fā)射過(guò)程中后噴燃?xì)獾穆?、光、煙、焰等信?hào)特征。因此,液態(tài)平衡體初始質(zhì)量應(yīng)作為新型無(wú)后坐炮武器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮的影響因素之一。

在發(fā)射過(guò)程中,液態(tài)平衡體在燃?xì)飧邏鹤饔孟虏粩嘞驀姽芪膊繃姵?其尚未噴出部分的質(zhì)量和速度隨時(shí)間變化曲線分別如圖4和圖5所示?？梢钥闯?液態(tài)平衡體在膛內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間相對(duì)于彈丸在膛內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間要短得多,并且液態(tài)平衡體初始質(zhì)量越大,完成噴射所需的時(shí)間越長(zhǎng),液態(tài)平衡體速度變化越慢,類似于物體的“慣性”。

圖4　液態(tài)平衡體剩余質(zhì)量隨時(shí)間的變化

圖5　液態(tài)平衡體速度隨時(shí)間的變化

3.2液態(tài)平衡體密度對(duì)內(nèi)彈道性能的影響

考慮到武器裝備的環(huán)境適應(yīng)性,要求液態(tài)平衡體須具備在低溫條件下不發(fā)生凝固的能力。此外,為保證儲(chǔ)存與使用安全性,液態(tài)平衡體及其霧化產(chǎn)物還應(yīng)無(wú)毒、無(wú)腐蝕性。在現(xiàn)有技術(shù)條件下,駐退液可作為平衡介質(zhì)的較理想的選擇之一。由于駐退液自身的密度隨溫度發(fā)生一定的變化,而且可以通過(guò)在液體中加入輕質(zhì)軟性塑料來(lái)調(diào)節(jié)其密度(此時(shí)為等效密度),因此,有必要分析液態(tài)平衡體密度對(duì)內(nèi)彈道性能的影響。

在液態(tài)平衡體質(zhì)量保持為0.8 kg的條件下,調(diào)節(jié)其密度,計(jì)算得到的p-t曲線和v1-t曲線分別如圖6和圖7所示?？梢钥闯?減小液態(tài)平衡體的密度,最大膛壓和彈丸炮口速度均有所提高,但與液態(tài)平衡體質(zhì)量對(duì)內(nèi)彈道性能的影響相比,液態(tài)平衡體密度的影響較弱。

圖6　液態(tài)平衡體密度對(duì)平均膛壓的影響

圖7　液態(tài)平衡體密度對(duì)彈丸速度的影響

3.3火藥弧厚對(duì)內(nèi)彈道性能的影響

火藥弧厚是內(nèi)彈道設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)?？紤]的一個(gè)重要參數(shù)?；鹚幓『駥?duì)新型無(wú)后坐炮內(nèi)彈道性能的影響如表2所示,表中,2e1為火藥弧厚,ηk為火藥相對(duì)燃燒結(jié)束位置。結(jié)果表明,火藥弧厚從0.38 mm改變?yōu)?.42 mm,火藥均可完全燃燒,炮口壓力pg變化很小,最大膛壓pm下降了6.3%,而彈丸炮口速度僅下降了1.6%。這意味著采用較厚的火藥,可在彈丸炮口速度下降相對(duì)較小的條件下,相對(duì)較多地降低最大膛壓,有利于新型無(wú)后坐炮武器系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)。

表2　火藥弧厚對(duì)內(nèi)彈道性能的影響

3.4噴管喉部直徑對(duì)內(nèi)彈道性能的影響

噴管喉部直徑是無(wú)后坐炮的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)參數(shù),不僅影響內(nèi)彈道性能,還與噴管膨脹比共同影響平衡性能。喉部直徑對(duì)內(nèi)彈道性能的影響如表3所示。由表3可以看出,彈丸炮口速度對(duì)喉部直徑較為敏感。在滿足平衡性能和炮口沖擊波在安全閾值內(nèi)的前提下,應(yīng)選用喉部直徑較小的噴管,可在最大膛壓基本不變的情況下較大幅度地提高彈丸炮口速度。

表3　噴管喉部直徑對(duì)內(nèi)彈道性能的影響

3.5擠進(jìn)壓力對(duì)內(nèi)彈道性能的影響

擠進(jìn)壓力是新型無(wú)后坐炮內(nèi)彈道過(guò)程的一個(gè)重要起始條件,它的變化對(duì)彈道性能也有一定的影響。擠進(jìn)壓力對(duì)新型無(wú)后坐炮內(nèi)彈道性能的影響如圖8和圖9所示?？梢钥闯?擠進(jìn)壓力增大,最大膛壓顯著升高,而彈丸炮口速度增加較少。較小的擠進(jìn)壓力有利于彈藥和發(fā)射器的輕量化設(shè)計(jì),并且對(duì)彈丸炮口速度的影響很小。

圖9　擠進(jìn)壓力對(duì)彈丸速度的影響

4　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種適用于無(wú)后坐炮的含液態(tài)平衡體的新型裝藥結(jié)構(gòu),建立了相應(yīng)的內(nèi)彈道模型,通過(guò)內(nèi)彈道性能試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性與可行性。在

此基礎(chǔ)上,分析了多參數(shù)對(duì)內(nèi)彈道性能的影響,得出以下結(jié)論:

①液態(tài)平衡體初始質(zhì)量對(duì)最大膛壓和炮口速度的影響顯著,在武器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮;液態(tài)平衡體密度的影響較弱,可不必對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)節(jié)。

②采用較厚的火藥,可在彈丸炮口速度下降相對(duì)較少的條件下,相對(duì)較多地降低最大膛壓,有利于新型無(wú)后坐炮武器系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)。

③在最大膛壓基本不變的情況下,較小的噴管喉部直徑可較大幅度地提高彈丸炮口速度。

④在彈丸炮口速度下降較小的條件下,較低的擠進(jìn)壓力可較大幅度地降低最大膛壓。

合理匹配上述主要影響因素,可優(yōu)化基于液態(tài)平衡體的新型無(wú)后坐炮內(nèi)彈道與裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并為武器系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)提供參考。

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Study on Interior Ballistics of Recoilless Gun Based on Liquid Balance Body

CAO Yong-jie,ZHANG Xiang-ming,LI Zhi-fei

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering,Xianyang 712099,China)

In order to achieve the safety launch of recoilless guns in the confined space,a new charge structure containing liquid balance body was designed.The interior ballistic experiment was carried out based on the new charge structure,and the interior ballistic model was established.The calculated results are in good agreement with the experimental results.On this basis,the effects of the initial liquid balance body mass,the liquid density,the propellant web size,the nozzle throat diameter and the engraving pressure on the interior ballistic performance were analyzed.Results show that the balance body mass has remarkable effect on the maximum chamber pressure and the muzzle velocity,while the effect of the liquid density is little.Larger propellant web size,smaller nozzle throat diameter and lower engraving pressure are in favor of improving the overall interior ballistic performance.The results can offer theoretical guidance for the interior ballistics and charge-structure design of new recoilless gun based on the liquid balance body.

recoilless gun;charge structure;liquid balance body;interior ballistics

2015-10-09

曹永杰(1987- ),男,工程師,博士,研究方向?yàn)樾赂拍畎l(fā)射原理與新型彈藥技術(shù)。E-mail:caoyj801@163.com。

TJ012.1

A

1004-499X(2016)03-0071-05