馬永忠

(武警工程大學(xué)裝備工程學(xué)院,西安 710086)

金屬延期管拋離過(guò)程研究

馬永忠

(武警工程大學(xué)裝備工程學(xué)院,西安 710086)

為了減少非致命彈藥爆炸產(chǎn)生的金屬破片數(shù)量,設(shè)計(jì)了金屬延期管拋離結(jié)構(gòu),根據(jù)點(diǎn)火藥燃燒特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)作用原理,分析了拋離過(guò)程,建立了拋離彈道模型,得到了延期管內(nèi)點(diǎn)火藥氣體壓強(qiáng)變化和延期管速度變化規(guī)律,并利用高速攝影對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的影像分析，結(jié)果表明仿真所得最大速度與實(shí)際測(cè)試值的誤差僅為0.5 m/s,說(shuō)明數(shù)學(xué)模型合理,為延期管拋離結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)。

延期管;拋離;內(nèi)彈道;建模仿真

0 引言

某型子母式非致命彈藥使用塑料作為子彈彈體材料,通過(guò)靜爆試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在爆炸后金屬延期管并未碎裂。因此,為避免彈藥爆炸時(shí)產(chǎn)生金屬破片,開(kāi)發(fā)了金屬延期管拋離技術(shù)。延期管拋離技術(shù)是利用火焰延期管點(diǎn)火過(guò)程中產(chǎn)生的高壓火藥氣體,將延期管推離彈體的一種拋撒技術(shù),是為避免非致命彈藥爆炸產(chǎn)生金屬破片而提出的一種新技術(shù)。點(diǎn)火藥在延期管藥室內(nèi)燃燒,火藥氣體通過(guò)延期管的噴孔流入子彈蓋內(nèi)管底部,形成高壓氣體,推動(dòng)延期管運(yùn)動(dòng),延期管被拋離,同時(shí)火藥氣體引燃點(diǎn)火藥片,既保證了彈藥內(nèi)部裝藥順利點(diǎn)燃,又避免產(chǎn)生金屬破片,提高了彈藥的使用安全性。

目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)對(duì)延期管拋離技術(shù)的研究報(bào)道,類(lèi)似的研究主要集中在子母彈開(kāi)倉(cāng)拋撒技術(shù)的研究。如黃蓓等[1]建立了子母彈活塞式拋撒彈道模型;王帥等[2]研究子母彈內(nèi)燃式氣囊拋撒的內(nèi)彈道過(guò)程,建立了內(nèi)彈道模型。這些拋撒技術(shù)的研究重點(diǎn)是提高彈藥殺傷性方面的研究。

1 作用原理

子彈延期管拋離系統(tǒng)主要包括火焰延期管、子彈蓋以及點(diǎn)火藥片。延期管拋離過(guò)程主要包括點(diǎn)火藥點(diǎn)燃、延期管底膜破裂、延期管拋離以及點(diǎn)火藥片被點(diǎn)燃等多種化學(xué)物理現(xiàn)象。圖1為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

圖1 延期管裝配結(jié)構(gòu)圖

圖1中:1-子彈蓋;2-火焰延期管;3-延期管內(nèi)傳火孔;4-延期管藥室,內(nèi)裝延期藥和點(diǎn)火藥;5-延期管?chē)娍?6-傳火孔;7-點(diǎn)火藥片。

整個(gè)拋離可以分為3個(gè)階段:第一階段為延期管中點(diǎn)火藥被點(diǎn)燃到延期管?chē)娍讎姵鰵怏w,該階段中延期藥引燃點(diǎn)火藥,點(diǎn)火藥在延期管內(nèi)燃燒,產(chǎn)生高溫高壓的火藥氣體;第二階段為延期管?chē)娍讎姵龌鹚帤怏w到延期管運(yùn)動(dòng)前,該階段中火藥氣體通過(guò)延期管?chē)娍琢魅雰?nèi)管底部,迅速形成高溫高壓氣體,并與延期管內(nèi)氣壓相同,整個(gè)過(guò)程時(shí)間短、速度快;第三階段為延期管開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到延期管離開(kāi)子彈蓋,該階段高溫高壓氣體推動(dòng)延期管運(yùn)動(dòng),同時(shí)從延期管內(nèi)傳火孔流出。

2 拋離過(guò)程彈道模型

2.1 假設(shè)條件

文中主要研究延期管在彈頂內(nèi)管中運(yùn)動(dòng)情況。由于管內(nèi)空間較小,整個(gè)拋離過(guò)程時(shí)間短,在分析過(guò)程中,采用以下假設(shè):

1)不考慮延期藥所產(chǎn)生的氣體,且火藥燃燒過(guò)程瞬間完成,此過(guò)程中不發(fā)生氣體流出,并在火焰延期管內(nèi)形成點(diǎn)火藥壓力,火藥氣體沖破延期管?chē)娍讜r(shí)所消耗的能量忽略不計(jì)。

2)將點(diǎn)火藥氣體視為理想氣體,火藥氣體沖破延期管?chē)娍缀?所有的氣體充滿延期管藥室和子彈蓋內(nèi)管,該過(guò)程中不存在氣體流出內(nèi)管的現(xiàn)象。

3)延期管拋離過(guò)程中出現(xiàn)點(diǎn)火藥氣體流出的現(xiàn)象,氣體流動(dòng)為等熵流動(dòng),整個(gè)過(guò)程中的熱散失、氣體膨脹做功、延期管運(yùn)動(dòng)摩擦功等形式的次要功,采用次要功計(jì)算系數(shù)進(jìn)行修正。

2.2 拋離過(guò)程彈道模型

根據(jù)假設(shè)條件和作用原理,分階段建立數(shù)學(xué)模型,計(jì)算氣體壓強(qiáng)變化情況和延期管運(yùn)動(dòng)情況。

1)第一階段

基于延期管中點(diǎn)火藥藥量較小、3#小粒黑藥燃速度快等因素考慮,可認(rèn)為點(diǎn)火藥燃燒到延期管?chē)娍讎姵鰵怏w的整個(gè)過(guò)程是瞬間結(jié)束。因此,這一時(shí)期點(diǎn)火藥為定容燃燒,初始時(shí)刻設(shè)定為t=0,根據(jù)內(nèi)彈道火藥定容狀態(tài)方程,延期管內(nèi)點(diǎn)火藥壓力為[3]

綜上所述，凝固性血胸患者采用單操作孔胸腔鏡下經(jīng)皮腎鏡術(shù)式治療手術(shù)創(chuàng)傷小、術(shù)后恢復(fù)快，治療效果優(yōu)于傳統(tǒng)胸腔閉式引流術(shù)聯(lián)合尿激酶的治療方式，值得在凝固性血胸患者的臨床治療中推廣應(yīng)用。

(1)

式中:p為延期管內(nèi)火藥氣體壓力;f為點(diǎn)火藥力,取290 J/g[4];V為延期管內(nèi)藥室體積;α為點(diǎn)火藥氣體余容,取1 cm3/g;w為點(diǎn)火藥質(zhì)量,w=0.1 g。

2)第二階段

延期管?chē)娍讎姵龌鹚帤怏w,通過(guò)裂孔流向子彈蓋內(nèi)管,根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程,引入流量η,建立點(diǎn)火藥氣體狀態(tài)方程,則延期管內(nèi)點(diǎn)火藥氣體狀態(tài)方程為:

p[V-αw(1-η)]=wf(1-η)

(2)

子彈蓋內(nèi)管空隙中氣體狀態(tài)方程為:

p1(V1-αwη)=wfη

(3)

式中:p1為子彈蓋內(nèi)管空隙中氣體壓強(qiáng);V1為子彈蓋內(nèi)管空隙的體積。

根據(jù)假設(shè),火藥氣體流入子彈蓋內(nèi)管的過(guò)程為等熵流動(dòng),則氣體流量為[5]:

(4)

式中:SΔ為去除傳火孔之外延期管內(nèi)管截面積;φ1為流量消耗系數(shù);k為點(diǎn)火藥氣體的比熱比,k=1.23[6]。

對(duì)式(2)中p求導(dǎo),得:

(5)

對(duì)式(3)中p1求導(dǎo),得:

(6)

為簡(jiǎn)化計(jì)算,第二階段結(jié)束的標(biāo)志也可以理解為p=p1。

3)第三階段

第三階段是從延期管開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到延期管離開(kāi)子彈蓋,該過(guò)程中主要考慮延期管運(yùn)動(dòng)、點(diǎn)火藥氣體從延期管?chē)娍缀蛢?nèi)傳火孔流出以及次要功等方面。

①延期管運(yùn)動(dòng)方程。推動(dòng)延期管運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源主要是火藥氣體,其壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大氣壓。因此,此方程不考慮大氣壓對(duì)延期管的影響。于是,運(yùn)動(dòng)方程為:

(7)

式中:S′為火藥氣體作用在延期管上的有效面積;mp為延期管質(zhì)量;φ為次要功系數(shù),取1.119。

②能量守恒方程。根據(jù)能量守恒定理,考慮到火藥氣體流出子彈蓋內(nèi)管以及延期管動(dòng)能、次要功等,列出延期管能量守恒方程:

(8)

③流量方程。參考迫擊炮火藥氣體流出方程,計(jì)算延期管拋離過(guò)程中點(diǎn)火藥氣體流出量,得到流量方程:

(9)

(10)

3 仿真分析

采用Matlab軟件對(duì)上述模型進(jìn)行編程計(jì)算,時(shí)間步長(zhǎng)t=ns,點(diǎn)火藥質(zhì)量為0.1 g,延期管質(zhì)量為0.8 g,長(zhǎng)度為21 mm,延期管藥室體積為211.26 mm3,子彈蓋直徑7 mm,內(nèi)管深度為22 mm,子彈蓋質(zhì)量40 g。仿真計(jì)算得到的延期管藥室氣體壓強(qiáng)、子彈蓋內(nèi)管氣體壓強(qiáng)、延期管運(yùn)動(dòng)速度曲線分別如圖2～圖4所示。

圖2 延期管藥室氣體壓強(qiáng)變化曲線

圖3 彈頂內(nèi)管氣體壓強(qiáng)變化曲線

圖4 延期管運(yùn)動(dòng)速度變化曲線

由仿真結(jié)果可知,延期管中點(diǎn)火藥瞬時(shí)燃完,延期管在0 s時(shí)刻達(dá)到最大壓強(qiáng)pmax=2.665×108Pa,點(diǎn)火藥燃盡后,形成高溫高壓氣體通過(guò)延期管?chē)娍籽杆俪錆M延期管后部狹小的空間。因此,p1在5.52×10-5s時(shí)間迅速增大,而p在這一階段氣體壓強(qiáng)的下降時(shí)間短、不明顯。彈頂內(nèi)管經(jīng)過(guò)1.1×10-7s后,與延期管藥室壓強(qiáng)相等,達(dá)到p1max=2.605×108Pa,當(dāng)p=p1時(shí),延期管開(kāi)始運(yùn)動(dòng),由于火藥氣體從延期管內(nèi)傳火孔中流出,和p1下降迅速。延期管經(jīng)過(guò)3.48 ms,達(dá)到最大速度vmax=30.26 m/s。

4 試驗(yàn)研究

利用高速攝影儀對(duì)延期管拋離過(guò)程進(jìn)行拍攝,逐幀分析延期管位移變化,計(jì)算延期管速度變化情況。圖5為延期管被點(diǎn)燃、拋出以及點(diǎn)火藥片發(fā)火過(guò)程圖。

圖5 延期管拋離試驗(yàn)試件測(cè)試圖

圖6試驗(yàn)得到的延期管拋離最大速度為v試max=29.76 m/s。

圖6 延期管運(yùn)動(dòng)速度理論計(jì)算曲線圖與試驗(yàn)曲線圖

如圖6所示,對(duì)比仿真計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果,發(fā)現(xiàn)仿真計(jì)算得到的延期管運(yùn)動(dòng)速度曲線比高速攝影測(cè)試得到的運(yùn)動(dòng)速度曲線收斂快,但是延期管最大運(yùn)動(dòng)速度的計(jì)算誤差僅為Δv=0.5 m/s,表明模型能夠比較準(zhǔn)確的計(jì)算出延期管拋離所達(dá)到的最大速度。

5 結(jié)論

通過(guò)建立延期管拋離內(nèi)彈道模型,并利用仿真軟件進(jìn)行計(jì)算,得到了延期管運(yùn)動(dòng)速度變化曲線;通過(guò)對(duì)高速攝影影像的分析,得到了延期管運(yùn)動(dòng)速度變化試驗(yàn)值結(jié)果。對(duì)比分析可知,仿真計(jì)算所得延期管拋離速度與高速攝影測(cè)試值的吻合度較好,其中延期管最大拋離速度與實(shí)際測(cè)試值的差僅為0.5 m/s,該模型對(duì)延期管拋離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制延期管飛行速度、調(diào)整延期管內(nèi)點(diǎn)火藥裝藥量有重要指導(dǎo)意義。

[1] 黃蓓, 王浩, 陶如意. 帶導(dǎo)向管的子母彈活塞式拋撒彈道建模及數(shù)值仿真 [J]. 兵工學(xué)報(bào), 2009, 30(12): 1584-1589.

[2] 王帥, 陶如意, 王浩, 等. 子母彈內(nèi)燃式氣囊拋撒內(nèi)彈道建模及數(shù)值仿真 [J]. 彈道學(xué)報(bào), 2009, 21(3): 57-60.

[3] 江坤, 王浩, 郭錦炎, 等. 拉桿活塞式發(fā)射裝置內(nèi)彈道建模與仿真 [J]. 彈道學(xué)報(bào), 2011, 23(1): 13-17.

[4] 錢(qián)林方, 火炮彈道學(xué) [M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2009: 37-58.

[5] 翁春生, 王浩. 計(jì)算內(nèi)彈道學(xué) [M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2006: 1-62.

[6] 金志明. 槍炮內(nèi)彈道學(xué) [M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2004, 10: 40-66.

Research on the Process of Metal Extension Tube Stripping

MA Yongzhong

(School of Equipment Engineering, Engineering University of China Armed Police Force, Xi’an 710086, China)

In order to reduce the number of metal fragment produced by non lethal ammunition explosion, the cast structure of metal extension tube was designed. Based on the burning characteristics of the ignition composition and the structural action principle, the stripping process was analyzed and the stripping trajectory model was established. The change laws of the gas pressure and the velocity of the extension tube were obtained, and the model was verified by high speed photography. The results showed that the error between the maximum speed and the actual speed was only 0.5 m/s. It was proved that the mathematical model was reasonable and it provided theoretical guidance for the design and optimization of the structure of the extension tube stripping.

extension tube; stripping; interior ballistics; modeling and simulation

2016-03-22

武警部隊(duì)裝備科研基金(WK2013-X1)資助

馬永忠(1970-),男,山西清徐人,教授,碩士研究生導(dǎo)師,研究方向:警用裝備與非致命武器研發(fā)。

TJ012

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