傅建平,王　蕊,張晶晶,竇　晨

(1.山西農業(yè)大學 信息學院，山西 晉中　030800；2.軍械工程學院 火炮工程系，河北 石家莊　050003)

火炮大修與中修后都要進行水彈試驗，以動態(tài)射擊方式綜合檢驗火炮的修后質量[1]。相對火炮發(fā)射固體彈丸射擊試驗等其他射擊試驗[2-4]，火炮水彈試驗對靶場要求低、周期短、成本低、安全性好、便于實施，故修理單位廣泛采用水彈試驗來檢驗火炮修后質量[5]。目前，老裝備已形成較為成熟的水彈試驗方法，但傳統(tǒng)水彈試驗大多基于試驗工程實踐，對水彈試驗理論研究較少，工程實踐法費用高、周期長、盲目性大、安全性和通用性較差，迫切需要水彈試驗理論指導水彈試驗。在水彈試驗中裝水質量的確定是順利開展水彈試驗的前提。傅建平等[6]基于火炮水彈試驗與實彈射擊時炮膛合力沖量相等原則為內彈道性能相同的同類火炮提供了一種裝水質量確定方法,從火炮動力驅動的角度出發(fā)，以炮膛合力沖量為切入點來選取合適裝水量。

與其他火炮相比，迫榴炮功能強、彈藥種類多，可完成多種射擊任務。但該火炮結構的特殊性和彈藥種類的多樣性給該炮水彈試驗帶來較多困難，迫切需要進行新型迫榴炮修后水彈試驗方法研究，為該火炮修后水彈試驗方案提供理論支撐。由于火炮后坐距離是考核火炮水彈試驗的核心指標，因此，筆者基于新型迫榴炮炮膛及其彈藥結構特點，從火炮試驗后坐距離要求出發(fā)，研究了該炮水彈試驗時的水彈結構與裝水質量等試驗方法，為部隊修理機構開展水彈試驗提供科學依據。

1　迫榴炮水彈試驗方法原理

迫榴炮兼具迫擊炮和榴彈炮的彈道性能，能夠發(fā)射殺爆迫彈、殺傷爆破彈和子母彈等多種彈藥(簡稱迫彈、榴彈和子母彈)。3種彈的結構與發(fā)射特點具有很多特殊性，對比它們與水彈的特點與試驗費用，如表1所示。

表1　3種彈藥與水彈的結構對比

火炮水彈試驗實質上是模擬火炮在最苛刻作用力情況下機構動作情況，迫榴炮發(fā)射的普通彈丸(除火箭增程彈外)中，榴彈射程最遠，其膛壓較大，彈重最重，同時試驗成本低，故該迫榴炮水彈試驗模擬實彈射擊的彈種為榴彈。

基于迫榴炮結構特點，結合火炮水彈試驗工程實踐經驗，該迫榴炮的水彈試驗原理如圖1所示，試驗系統(tǒng)包括被試迫榴炮、水彈(木塞與水)和試驗裝藥(裝藥尾架、全裝藥、導向環(huán))3部分。

如圖2所示，在裝藥尾架前部旋有導向環(huán)，以不改變火炮水彈試驗的藥室容積、裝填密度，導向環(huán)還用來支撐裝藥尾架，防止藥包在進入藥室時與藥室壁摩擦造成磨損。木塞材質應具有良好的彈性，以密閉前部液體，防止裝藥受潮；足夠的強度，以承受火炮發(fā)射時的高膛壓；較高的硬度和韌性，確保膛內較好的耐磨性，并不易開裂。木塞的形狀應與火炮坡膛形狀相近，由圓錐段與圓柱段組成。

水彈試驗時，裝藥尾架上的藥包急速燃燒產生高溫高壓的氣體，致使導向環(huán)前后端面壓力不同，尾架前端螺紋被剪斷，導向環(huán)、木塞和水柱共同高速飛離炮口，裝藥尾架則被炮閂抽出膛外；同時高溫高壓的氣體作用在火炮后坐部分，使火炮作后坐運動。通過調整水彈試驗裝水質量，使火炮后坐復進運動規(guī)律與其實彈射擊時的運動規(guī)律相似，并且火炮最大后坐位移滿足規(guī)定要求。

2　迫榴炮水彈試驗裝水質量設計

由迫榴炮水彈試驗原理可知，該炮水彈試驗后坐復進運動規(guī)律與其實彈射擊時的運動規(guī)律相似，并且火炮后坐距離滿足規(guī)定要求。為此，需求解試驗火炮正常后坐位移范圍對應的裝水質量。

2.1　迫榴炮水彈試驗后坐距離計算模型

如圖3所示，火炮后坐過程中，以火炮后坐部分為研究對象，分析其受力情況?；鹋谒畯椩囼灂r，火炮后坐部分在炮膛合力Fpt、后坐部分重力mhg和后坐阻力FR作用下作后坐運動[7]。圖3中，Fφh為制退機液壓阻力；Ff為復進機力；F為反后坐裝置的摩擦力；FT為搖架導軌上的摩擦力；α為火炮射角。

為了建模與計算方便，在火炮后坐過程中，作以下假設：

1)火炮和地面為絕對剛體。

2)火炮處于堅硬的水平地面進行射擊試驗，忽略彈丸回轉力矩的影響，并認為所有的力作用在射面內。

3)射擊時全炮處于平衡狀態(tài)。

基于假設，根據火炮射擊動力學理論，可建立火炮后坐運動模型如下[6]：

(1)

式中：mh為后坐部分的質量；vh為后坐速度；t為時間；Af為復進機活塞工作面積；pf復進機內氣體的某瞬時壓力；W為復進機內氣體某瞬時體積；W0為復進機內氣體初始體積；k為絕熱系數。

膛內氣體平均壓力p可由火炮水彈試驗內彈道方程組求得[8]：

(2)

2.2　迫榴炮水彈試驗裝水質量計算方法

從建立的火炮后坐距離計算模型可以看出，火炮水彈試驗時裝水質量與火炮后坐距離存在著一一對應的關系?；鹋谒畯椩囼炚：笞嚯x范圍為

x∈[xa,xb]

(3)

式中：x為火炮后坐位移，與水彈試驗的環(huán)境溫度和火炮射角有關；xa為火炮正常后坐距離的下限，通常在水彈試驗低溫、小射角試驗條件下得到；xb為火炮正常后坐距離的上限，通常在水彈試驗高溫、大射角試驗條件下得到。

此時，火炮正常后坐距離范圍對應的裝水質量范圍為

m∈[ma,mb]

(4)

式中：m為裝水量；ma為該炮后坐位移下限對應的裝水質量，即裝水質量下限；mb為該炮最大后坐位移對應的裝水質量，即裝水質量上限。

由于火炮水彈試驗時裝水質量與火炮后坐距離之間的關聯關系高度非線性，難以直接解算火炮在一定后坐距離時對應的裝水質量。

果蠅優(yōu)化算法是通過觀察果蠅覓食行為而演化出來的一種新的群智能優(yōu)化算法[9]。果蠅優(yōu)化算法與遺傳算法等其他優(yōu)化算法比較，具有編程簡單，參數少，計算量小，全局尋優(yōu)能力強，收斂速度快等優(yōu)點[10]，故本文采用果蠅優(yōu)化算法求取火炮某一后坐距離對應的裝水質量。

果蠅優(yōu)化算法求解裝水質量的方法步驟為：

1)初始化果蠅的群體飛行位置：Xaxis,Yaxis。

2)給出每個果蠅搜尋目標的隨機方向和距離Xi,Yi：

Xi=Xaxis+XRandom_value

Yi=Yaxis+YRandom_value

(5)

3)由于目標的位置是未知的，所以首先確定果蠅當前的位置Di，然后計算氣味濃度的判斷值Si(即裝水質量m)；

(6)

將Si代入火炮后坐運動模型中可得火炮水彈試驗后坐位移xi；在氣味濃度判斷值Si中引入氣味濃度判斷函數，即每個果蠅的味道濃度CSmell，i：

CSmell，i=|xa-xi|

(7)

4)在果蠅群中找出氣味濃度最小的果蠅：

[bestSmell,bestindex]=min(CSmell，i)

(8)

5)保留最佳的氣味濃度值及Xaxis，Yaxis的坐標位置。果蠅群體將利用視覺飛到這一位置：

Xaxis=X(bestindex)Yaxis=Y(bestindex)

(9)

6)迭代優(yōu)化，重復步驟2)～4)，然后判斷氣味濃度是否優(yōu)于上一代的迭代濃度，若是，則執(zhí)行第5步。

7)迭代控制條件：迭代總數和迭代精度要求，當迭代次數或迭代精度滿足規(guī)定要求，退出程序，并記錄此時的后坐距離x和對應的裝水質量m。

2.3　裝水質量計算結果

迫榴炮的正常后坐距離范圍為x∈[350,360]。

由該火炮后坐位移下限xa=350 mm，基于上述計算模型，設最大迭代終止次數max_gen=50，種群規(guī)模size_pop=50；迭代精度ε=|xa-xi|≤0.1 mm，應用MATLAB軟件編程計算該后坐位移對應的裝水質量。氣味濃度、后坐距離下限和裝水質量下限隨迭代次數的變化規(guī)律如圖4～6所示。

從圖4可以看出氣味濃度在迭代到37次時就開始收斂，從而說明通過果蠅優(yōu)化算法可以快速找到目標函數的最優(yōu)解。此時后坐距離為x=349.82 mm，對應的裝水質量m=10.14 kg。

同理求取該火炮后坐距離上限xb=360 mm對應的裝水質量m=16.11 kg，對應的后坐距離為x=359.24 mm。

綜上所求，該火炮水彈試驗時的裝水質量范圍為[10.14 kg,16.11 kg] 。

為滿足水彈試驗的復雜試驗環(huán)境條件與安全性要求，兼顧水彈試驗的可行性，火炮水彈試驗裝水質量通常取其裝水質量范圍的平均值，即13.13 kg。

某修理工廠曾在該迫榴炮水彈試驗時，通過不斷改變裝水量，并進行大量試驗后摸索得到裝水質量為13 kg，后坐距離與后坐復進時間(秒表測量)測試結果如表2所示。通過摸索試驗得到的裝水質量參數與筆者提出的裝水質量設計方法的結果相吻合，表明基于后坐距離要求的裝水質量設計方法是可行的，結果是可信的。

表2　迫榴炮水彈試驗結果

3　結束語

筆者基于迫榴炮結構特點和水彈試驗工程實踐經驗，在該炮水彈試驗機理分析基礎上，提出了一種基于火炮后坐距離要求的火炮水彈試驗水彈裝水質量設計方法，即先建立該炮水彈試驗后坐距離計算模型，以得到不同后坐距離各自的裝水質量，再采用果蠅優(yōu)化算法確定該炮水彈試驗裝水質量的范圍。計算結果與水彈試驗結果吻合，表明筆者所提出的裝水質量設計方法是可行的。該方法不僅能夠確定水彈試驗裝水質量范圍，避免傳統(tǒng)裝水質量需經不斷配重并反復試驗帶來的諸多困難，而且考慮了水彈試驗復雜的試驗環(huán)境，安全性好，為部隊開展水彈試驗提供科學依據。本方法通用性好，也為其他火炮修后水彈試驗確定裝水質量提供了理論方法。

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