張漢武， 李 干， 王明洋

(解放軍理工大學(xué) 爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210007)

二級(jí)輕氣炮是一種通用的發(fā)射裝置，對(duì)彈體的材料、形狀和質(zhì)量適用范圍寬，被廣泛的應(yīng)用于高速、超高速問題的試驗(yàn)研究[1]。在試驗(yàn)發(fā)射金屬彈體時(shí)，出于保護(hù)發(fā)射管內(nèi)膛的原因，須制作一種能包裹彈體的塑料材質(zhì)彈托，彈托外徑與發(fā)射管內(nèi)口徑一致，彈托攜帶彈體高速射向靶體。在輕氣炮高速/超高速碰撞試驗(yàn)中，長桿彈彈托會(huì)影響到靶體的開坑效果。劉堅(jiān)成等[2]進(jìn)行了定心式彈托對(duì)次口徑彈體侵徹混凝土效應(yīng)影響的研究，發(fā)現(xiàn)彈托附加質(zhì)量對(duì)侵徹深度有明顯影響。因此，為避免彈托本身對(duì)試驗(yàn)帶來的干擾，須設(shè)法對(duì)彈體進(jìn)行彈托分離。

目前常用的脫殼方式主要分為氣動(dòng)力脫殼和機(jī)械式脫殼。氣動(dòng)式脫殼通過設(shè)計(jì)彈托的幾何形狀，使彈托在高速飛行中由發(fā)射管出口激波和周圍流場共同作用與彈體分離[3]。Schmidt等[4]進(jìn)行了60 mm口徑氣體炮發(fā)射尾翼穩(wěn)定穿甲彈試驗(yàn)，研究了脫殼過程中引起彈道擾動(dòng)的因素，認(rèn)為通過實(shí)現(xiàn)快速彈托分離有助于減少氣動(dòng)力的干擾。Zielinski等[5]通過試驗(yàn)和工程建模技術(shù)，分析了電磁學(xué)在固體電樞軌道炮發(fā)射脫殼彈過程中所發(fā)揮的作用。Dick等[6]與進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了在脫殼過程中不同階段彈托表面的靜態(tài)壓力，為計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件提供了可供參考的數(shù)據(jù)。與氣動(dòng)脫殼相比，機(jī)械式脫殼通過外部脫殼器與彈托發(fā)生直接機(jī)械作用，實(shí)現(xiàn)彈托和彈體的分離，在此過程中彈體速度并不會(huì)損失。王金貴[7]采用錐形攔截器對(duì)二級(jí)輕氣炮發(fā)射超高速彈丸進(jìn)行了彈托分離試驗(yàn)，該脫殼裝置針對(duì)小型彈丸設(shè)計(jì)，對(duì)長桿彈適用情況并未研究。申超等[8]研究了利用木靶作為脫殼裝置的一種機(jī)械式脫殼方法，采用次口徑彈體，為同類型高速侵徹提供了參考。

長桿彈長徑比大，相對(duì)于超高速碰撞條件下的球形彈，彈托更長，質(zhì)量更大，脫殼難度也更大。從目前的文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果來看，并未見針對(duì)長桿彈機(jī)械脫殼技術(shù)的公開報(bào)道。鑒于此，本文在現(xiàn)有的球形彈機(jī)械脫殼技術(shù)基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種適合長桿彈的機(jī)械脫殼系統(tǒng)，既能實(shí)現(xiàn)彈托分離又能充分發(fā)揮輕氣炮的發(fā)射性能。

1 機(jī)械式脫殼系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

長桿彈機(jī)械式脫殼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，針對(duì)長桿彈彈托長、托底厚、質(zhì)量大的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)采用三段式減速機(jī)制：長桿彈飛出發(fā)射管后進(jìn)入出口延伸段，彈托與脫殼器發(fā)生碰撞，之后彈托沿錐形脫殼器與減速器1撞擊，減速器1獲得速度后進(jìn)一步與減速器2和彈托回收器組成三級(jí)減速和緩沖，并最終通過卡盤1和2中的橡膠環(huán)吸能完成彈托制動(dòng)。彈托碎片由彈托回收器回收，長桿彈沿脫殼器內(nèi)孔飛出，射向靶體，實(shí)現(xiàn)脫殼。

圖1 機(jī)械式脫殼系統(tǒng)示意圖

脫殼系統(tǒng)中，發(fā)射管出口延伸段與炮管同軸，起導(dǎo)向作用，以保證長桿彈準(zhǔn)確進(jìn)入脫殼器，并在延伸段的出口處設(shè)計(jì)帶有小段圓弧的預(yù)留空間，使分離的彈托順利進(jìn)入減速階段；脫殼器前段為錐形，入口處外側(cè)采用大倒角處理，與彈托前端傾角匹配以便于引導(dǎo)彈托分離運(yùn)動(dòng)，脫殼器內(nèi)管道采用小錐角收縮設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)入脫殼器的彈托底部材料的減速，更好的與彈體分離；減速器1、2為兩個(gè)金屬圓板，套在脫殼器上，可以滑動(dòng)，彈托碎片撞上減速器1后，兩者會(huì)以更低的速度撞上質(zhì)量更大的減速器2，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)二次減速；彈托回收器設(shè)置了較大空間用來回收分離的彈托碎片?？ūP1、2通過螺栓連接，中間放置多層橡膠圈，以發(fā)揮減振的作用。整個(gè)脫殼系統(tǒng)由卡盤1通過螺桿固定在發(fā)射管出口端。

彈托采用抗沖擊性好，機(jī)械強(qiáng)度高的聚碳酸酯材料[9]，由四瓣卡瓣及底推拼接而成，如圖2所示。彈托設(shè)計(jì)基于兩點(diǎn)考慮：① 減小彈托質(zhì)量，降低彈托對(duì)脫殼器造成的損傷程度；② 彈托與脫殼器高速碰撞，彈托前端傾角與脫殼器外側(cè)倒角相匹配，實(shí)現(xiàn)更好的脫殼效果。

圖2 彈托結(jié)構(gòu)

2 長桿彈脫殼實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在解放軍理工大學(xué)爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的100/30 mm二級(jí)輕氣炮上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，由炮管、脫殼器、激光測速儀、光源、高速攝影、靶體、靶室等組成。彈丸在脫殼器內(nèi)完成彈托分離后，采用激光測速儀測量彈丸速度，由高速攝影捕捉彈丸撞擊靶體的畫面。組合好的脫殼器和安裝好的脫殼系統(tǒng)如圖4所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)局部示意圖

實(shí)驗(yàn)測得彈體發(fā)射速度為1 000 m/s，實(shí)驗(yàn)前后脫殼裝置外觀上無明顯變化。拆解裝置，發(fā)現(xiàn)脫殼器外表面及彈托回收器內(nèi)部均被碳化的聚碳酸酯所覆蓋，回收到大量熔化的彈托殘余。圖5所示的是清理后在減速器1上觀察到的彈托撞擊留下的印痕，對(duì)稱分布；脫殼系統(tǒng)其他構(gòu)件均未受損傷，脫殼器幾乎未發(fā)生變形(如圖6所示)。說明此脫殼裝置設(shè)計(jì)合理，脫殼過程穩(wěn)定、可靠。

圖5 試驗(yàn)后的減速器1

圖6 脫殼器實(shí)驗(yàn)前后對(duì)比

圖7為高速攝影捕捉到完成脫殼后的長桿彈即將撞靶的照片，通過高速攝影看出，長桿彈飛行姿態(tài)穩(wěn)定，僅有少量彈托殘余隨彈體一同飛出。說明彈托分離效果良好，成功實(shí)現(xiàn)了長桿彈的機(jī)械式脫殼。

圖7 長桿彈照片

3 長桿彈脫殼過程數(shù)值模擬及工作性能分析

采用FEM-SPH接觸耦合算法[10]對(duì)彈托與脫殼器間的高速碰撞進(jìn)行數(shù)值模擬。由于模型結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，AUTODYN軟件自身前處理模塊無法建立模型，故利用ANSYS軟件完成建模前處理，生成K文件，導(dǎo)入AUTODYN軟件進(jìn)行后處理?？ò昙暗淄扑貌牧蠟榫厶妓狨ゲ牧?，密度為1.19 g/cm3，采用SPH模型，粒子尺寸為0.3 mm。彈丸及脫殼器所用材料為30CrMnSiNi2A鋼，采用Lagrange模型，六面體單元。彈體長54 mm，直徑10.8 mm，密度為7.85 g/cm3，長徑比為5。對(duì)脫殼器采用梯度網(wǎng)格劃分方法，端部加密，減少計(jì)算時(shí)間的同時(shí)保證結(jié)果的精確性。彈托與脫殼器及彈體間摩擦系數(shù)設(shè)為0.51[11-12]。

30CrMnSiNi2A鋼、聚碳酸酯狀態(tài)方程采用Shock方程，該方程適用于絕大多數(shù)固體和液體材料，且形式簡單。表達(dá)式如下

U=c0+s1up

(1)

式中:U為沖擊速度，c0,s1為材料常數(shù)，up為質(zhì)點(diǎn)速度。

30CrMnSiNi2A鋼在不同的沖擊條件下，具有一定的應(yīng)變率效應(yīng)，其強(qiáng)度模型采用Johnson-Cook模型，綜合考慮應(yīng)力硬化、應(yīng)變率效應(yīng)、及熱效應(yīng)，其表達(dá)式如下

(2)

(3)

式中，Troom為室溫，Tmelt為熔點(diǎn)溫度。

聚碳酸酯材料強(qiáng)度模型采用Von Mises準(zhǔn)則，其屈服強(qiáng)度為89.7 MPa。

簡化后的仿真模型，如圖8所示。長桿彈在發(fā)射速度為1 000 m/s時(shí)的脫殼過程，如表2所示。

圖8 長桿彈機(jī)械脫殼數(shù)值仿真模型

彈托在與脫殼器發(fā)生高速碰撞后，以近似流體的狀態(tài)沿著脫殼器上表面飛行，同時(shí)會(huì)有少部分彈托碎片進(jìn)入脫殼器與彈體間的縫隙。彈托后表面為自由界面，沖擊波傳到后反射為拉伸波，當(dāng)拉伸波傳播到彈托與彈丸的交界面時(shí)，再次反射，使兩者分開。繼續(xù)飛行一段距離后，彈體與彈托殘余逐漸分離，順利脫殼。

如圖9所示,在長桿彈撞擊靶體0.11 ms后，被脫殼器切割的彈托殘余出現(xiàn)在高速攝影所拍攝的畫面中。經(jīng)計(jì)算彈托殘余速度約為975 m/s，數(shù)值模擬中設(shè)置觀察點(diǎn)的彈托殘余速度為953 m/s，與試驗(yàn)相差約2.26%，數(shù)值模擬與試驗(yàn)吻合度較高，說明其結(jié)果是可靠的。數(shù)值模擬中，長桿彈初速度為1 000 m/s，完成脫殼后，其速度為996.5 m/s，速度損失0.35%，而在氣動(dòng)脫殼試驗(yàn)中，彈體速度損失往往達(dá)到10%～20%[13]，由此可知，相對(duì)于氣動(dòng)脫殼，此種脫殼方式可充分發(fā)揮氣體炮的發(fā)射性能。

圖9 彈托殘余照片

令長桿彈分別以500、1 000、1 250、1 500、1 750 m/s的速度進(jìn)行機(jī)械式脫殼模擬。研究在不同速度條件下，彈托對(duì)脫殼器造成的損傷。整理后如表3所示。

從表3可知，在速度500、1 000、1 250 m/s條件下，彈托對(duì)脫殼器影響很小，幾乎不產(chǎn)生變形；速度為1 500 m/s時(shí)，脫殼器頭部開始出現(xiàn)微小變形，當(dāng)速度達(dá)到2 000 m/s時(shí)，脫殼器在彈托的沖擊下，發(fā)生嚴(yán)重變形。由此，可認(rèn)為速度低于或接近1 500 m/s時(shí)，脫殼器工作性能較好，可重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)；當(dāng)速度很達(dá)到1 750 m/s及以上時(shí)，脫殼器受沖擊變形嚴(yán)重，需更換脫殼器。

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)脫殼原理分析，結(jié)合脫殼試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種方法，研究了長桿彈機(jī)械式脫殼技術(shù)，數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果高度吻合，再現(xiàn)了長桿彈整個(gè)脫殼過程，并對(duì)脫殼器工作性能進(jìn)行了分析。得到以下結(jié)論：

(1) 長桿彈機(jī)械式脫殼系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，彈體著靶姿態(tài)穩(wěn)定，速度損失小，脫殼效果十分理想。

(2) 長桿彈發(fā)射速度較小時(shí)，脫殼器可重復(fù)使用，超過1 500 m/s時(shí)，脫殼器受損較為嚴(yán)重，需更換脫殼器。