高 巖,李 強,譚 慶

(中北大學機電工程學院,太原 030051)

0 引言

大口徑高射速機槍理論射速一般為450～600發(fā)/min,經(jīng)常用于殲滅斜距離2 000 m以內(nèi)的敵低空目標,如低空飛行器、空降兵。為提高身管武器射速而發(fā)展起來的金屬風暴系統(tǒng)有著射速高達6萬發(fā)/min的優(yōu)點,但由于發(fā)射藥柱與彈丸在身管中串聯(lián)排列使得該武器要比同類傳統(tǒng)武器的身管長[1-2]。側(cè)裝藥金屬風暴系統(tǒng)一定程度上縮短了身管長度,但隨即帶來了裝藥結(jié)構(gòu)復雜,重裝填用時長的問題[3]。文中在前人超高速發(fā)射理論研究的基礎上,提出了一種發(fā)射14.5 mm口徑槍彈的“多頭彈”彈藥結(jié)構(gòu),理論射速可達2.7萬發(fā)/min，槍管可采用傳統(tǒng)高射機槍槍管。

1 工作原理

“多頭彈”發(fā)射原理如圖1、圖2所示。9發(fā)彈丸沿蝸狀線排布一周。藥筒中部的金屬隔板上開有4個孔,1個在藥筒中軸線上(以下稱為發(fā)射藥導氣孔),另外3個孔在蝸狀線靠近藥筒壁(以下稱為推彈氣體導氣孔)。發(fā)射藥被點燃后漸次燃燒,每一發(fā)彈丸對應燃燒一層層狀藥,高溫高壓火藥燃氣同時進入發(fā)射藥導氣孔和推彈氣體導氣孔。進入發(fā)射藥導氣孔的火藥氣體推動彈丸擠入坡膛并沿膛運動,進入推彈氣體導氣孔的氣體推動彈丸沿蝸狀線向藥筒中心運動,彈丸到達藥筒中心即被發(fā)射藥導氣孔中的氣體推動擠入坡膛并沿膛運動,直至所有彈丸均被發(fā)射為止。

圖1 多頭彈

彈丸是直接沿蝸狀線排布,作為傳統(tǒng)槍彈上夾持固定彈丸的夾壓槽似乎已經(jīng)失去作用,可以取消。但為了確保彈丸在向藥筒中心運動的過程中彈軸與藥筒中軸線保持平行,仍保留夾壓槽結(jié)構(gòu)。如果采用帶有斜肩的藥筒,藥筒中部金屬隔板彈丸一側(cè)的壓力小,發(fā)射藥一側(cè)的壓力大,未發(fā)射的彈丸彈姿會受到干擾,所以藥筒整體為豎筒結(jié)構(gòu)。依靠藥筒前緣抵緊藥室端面進行定位。

圖2 “多頭彈”發(fā)射原理

2 裝藥設計

減滅性越大的火藥,在燃燒過程中的前一段放出的氣體也越多,使膛內(nèi)壓力迅速上升,并產(chǎn)生較高的最大膛壓,而使身管的質(zhì)量增加[4-6]。為此,在使用6/7火藥作為主發(fā)射藥的基礎上,采用了火箭炮用彈藥類似的結(jié)構(gòu)。用乙基纖維素帶纏繞包覆藥柱后放入藥筒內(nèi)。這樣做的目的是只許發(fā)射藥從內(nèi)孔向外燃燒,而不許藥柱向內(nèi)燃燒。在兩個6/7主發(fā)射藥柱的中間,增加了一層厚度為3 mm的2/1樟火藥,降低火藥燃速,使前一發(fā)彈的尾流對后一發(fā)彈的初速影響盡量降低。

3 內(nèi)彈道模型

“多頭彈”的內(nèi)彈道模型和序貫裝藥金屬風暴的內(nèi)彈道模型相似,因此,運用軸對稱二維兩相流理論建立多頭彈內(nèi)彈道模型,且進行數(shù)值模擬[7]。

1)氣相連續(xù)方程

(1)

2)固相連續(xù)方程

(2)

3)氣相動量守恒方程

(3)

式中:p為氣相壓力;uign為各種點火元件點火藥生成的燃氣在膛內(nèi)的流動速度;fs為單位體積內(nèi)氣固兩相間的阻力。

4)固相動量守恒方程

(4)

式中R為顆粒間應力。

5)氣相能量守恒方程

(5)

式中:eg為氣相比內(nèi)能;ep為固相的化學潛能;Hign為點火元件點火藥燃氣的滯止焓;q為單位表面氣固兩相的熱交換,氣相傳給固相的熱量為正,反之為負。

圖3給出了“多頭彈”的平均膛壓-時間關系曲線,一發(fā)彈的平均膛內(nèi)時間為2.2 ms,9發(fā)彈共用時19.8 ms,理論射速2.7萬發(fā)/min。

圖3 膛壓-時間關系曲線

4 多頭彈剛體動力學仿真

為掌握彈丸的動力學、運動學特性,通過對多頭彈結(jié)構(gòu)進行ADAMS動力學仿真。將三維模型導入ADAMS后,對身管和藥筒施加ground的固定副;對接觸物體施加接觸,靜摩擦力系數(shù)為0.1,動摩擦力系數(shù)為0.05;對未處于藥筒中心的彈丸施加與火藥燃氣壓力相對應的旋轉(zhuǎn)力矩;對處于藥筒中心的彈丸施加對應的沿身管軸向的軸向力。

仿真完成后,對每發(fā)彈丸的姿態(tài)、空間位移和速度進行測量。彈丸姿態(tài)如圖4所示,彈丸空間位移如圖5所示,彈丸速度-時間曲線如圖6所示。

圖4 彈丸姿態(tài)

圖5 第9發(fā)彈彈道軌跡

圖6 彈丸速度-時間曲線

如圖6所示,由于彈丸之間存在著接觸,擠進入膛的彈丸入膛時會對后續(xù)彈丸產(chǎn)生摩擦和碰撞,導致后續(xù)彈丸偏離原始彈軸,使彈丸入膛時間產(chǎn)生偏差。第9發(fā)彈丸沒有后續(xù)彈丸對其膛內(nèi)壓力進行擾動,所以火藥燃氣壓力對其有效作用時間有所增加,導致其加速度和速度高于前9發(fā)彈丸。

5 多頭彈藥筒強度校核

藥筒在發(fā)射過程中必須保證足夠的強度,蝸狀線不能被壓潰,裝藥部分筒壁應當能迅速膨脹以達到可靠閉氣的目的。發(fā)射完成后,藥筒膨脹部分應當有一定的變形恢復能力,保證藥筒在抽殼過程中不會被拉斷。為此,建立了如圖7所示的藥筒受力模型,藥筒與藥室的單邊間隙為0.01 mm。藥室完全固定。藥筒前端和后緣完全固定,藥筒外壁不施加任何約束,其余部分施加膛壓。

圖7 藥筒受力模型

藥筒應力云圖如圖8所示,藥筒應力最大的區(qū)域為推彈導氣孔附近,其應力-時間曲線如圖9所示。

圖8 應力-時間關系曲線

圖9 藥筒應力云圖

圖10給出了變形放大系數(shù)為20的變形云圖,容納彈丸的藥筒腔室和容納藥柱的藥筒腔室均出現(xiàn)了明顯的膨脹,發(fā)射藥導氣孔和推彈導氣孔所在的橫截面膨脹較少,變形最大的區(qū)域為藥柱外側(cè)的藥筒壁,其形變-時間曲線如圖11所示,每發(fā)彈丸入膛后至出膛的前2/3的時間內(nèi),藥筒膨脹變形都保持在單邊0.1 mm,可以實現(xiàn)可靠閉氣的目的。

圖11 藥筒變形-時間曲線

6 結(jié)束語

針對于“金屬風暴”的不足,采用“多頭彈”發(fā)射原理,設計了一種發(fā)射14.5 mm口徑槍彈的“多頭彈”彈藥。對多頭彈的裝藥和彈丸排布進行了設計和研究,對內(nèi)彈道進行了建模與仿真計算,并對藥筒強度進行了校核,為后續(xù)“多頭彈”實驗驗證奠定了理論基礎。文中并未進行“多頭彈”的后坐緩沖機構(gòu)及平衡機構(gòu)的討論和設計,在后續(xù)研究中將是一個重點和難點。