李 兵 張明安 狄加偉 魏建國(guó) 李 媛

（西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099）

1 引言

電熱化學(xué)炮發(fā)射技術(shù)是在輸入一定功率脈沖電能條件下，借助于等離子體點(diǎn)傳火系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)換為高溫含能等離子體，然后通過(guò)等離子體與彈后空間內(nèi)固體含能工質(zhì)相互作用，引燃固體發(fā)射藥，生成高溫高壓火藥氣體，推動(dòng)彈丸加速運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)火炮內(nèi)彈道發(fā)射過(guò)程。針對(duì)這一新型發(fā)射技術(shù)，在彈道性能方面的各種潛在優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外從彈道理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證等方面，展開(kāi)了廣泛而又深入地研究[1-4]。研究結(jié)果表明，與常規(guī)火炮相比，電熱化學(xué)炮技術(shù)在提高火炮炮口動(dòng)能、彈道一致性、彈道溫度補(bǔ)償性能、彈道調(diào)控性能及裝藥安全性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)[5-7]。特別是在與新型含能工質(zhì)，如高能高密度發(fā)射藥、高裝填密度發(fā)射裝藥等相互激勵(lì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)提高炮口動(dòng)能方面，由于電能輸入的可控性及等離子體具備的高溫、輕質(zhì)、高輻射性能，增強(qiáng)了對(duì)新型發(fā)射藥及其裝藥的適應(yīng)性，進(jìn)而達(dá)到對(duì)火炮彈道性能的調(diào)控和增強(qiáng)。盡管電能輸入與等離子體點(diǎn)火特性兩個(gè)新的因素的增加，為提高常規(guī)火炮彈道性能帶來(lái)了上述的優(yōu)勢(shì)，但高能高密度發(fā)射藥技術(shù)與高裝填密度裝藥技術(shù)，在火炮內(nèi)彈道性能敏感性方面將帶來(lái)新的影響和變化，是從事火炮內(nèi)彈道及裝藥設(shè)計(jì)方面必須予以考慮的重要因素。

文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]以獲得較高的炮口動(dòng)能為目標(biāo)，分別就高裝填密度裝藥條件下，發(fā)射藥燃速控制、裝藥量、彈丸質(zhì)量、火藥燃速、火藥弧厚及裝藥附件燃速等因素變化，對(duì)火炮內(nèi)彈道性能影響，進(jìn)行了理論分析與試驗(yàn)研究。以此為基礎(chǔ)，為了更好地開(kāi)展以某口徑火炮為背景的電熱化學(xué)炮技術(shù)研究，進(jìn)一步推進(jìn)電熱化學(xué)炮彈道理論、新型發(fā)射藥研制及裝藥設(shè)計(jì)研究工作，本文針對(duì)高裝填密度裝藥帶來(lái)的彈道起始環(huán)境與條件的變化，以經(jīng)典彈道模型為基礎(chǔ)，結(jié)合等離子體點(diǎn)火對(duì)發(fā)射藥燃速影響，開(kāi)展彈道相關(guān)參數(shù)對(duì)彈道性能的影響研究，為電熱化學(xué)炮彈道研究與裝藥設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2 裝藥結(jié)構(gòu)與彈道過(guò)程描述

為了便于對(duì)比分析，采用的某大口徑高膛壓火炮裝藥結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 某大口徑火炮裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，其彈道過(guò)程可分為三個(gè)階段：首先是等離子體點(diǎn)傳火管起爆；隨后自傳火管噴出的高溫等離子體點(diǎn)燃粒狀和管狀發(fā)射藥，發(fā)射藥燃燒形成高溫高壓火藥氣體，當(dāng)膛內(nèi)壓力達(dá)到和超過(guò)彈丸擠進(jìn)壓力后，彈丸加速運(yùn)動(dòng)；火藥燃燒完成后，隨著火藥氣體持續(xù)膨脹，彈丸繼續(xù)加速運(yùn)動(dòng)直至炮口。

3 基本假設(shè)

為了確保高裝填密度下，彈道性能敏感性研究結(jié)果的可靠性和對(duì)實(shí)際工作指導(dǎo)的可參考性，首先利用經(jīng)典彈道計(jì)算模型對(duì)常規(guī)制式裝藥的彈道敏感性進(jìn)行了基本研究。隨后在此基礎(chǔ)上，通過(guò)相應(yīng)的理論假設(shè)，完成電熱化學(xué)炮高裝填密度下，彈道性能敏感性研究，最終得出影響變化規(guī)律。其中基本假設(shè)如下：

（1）常規(guī)制式發(fā)射裝藥與電熱化學(xué)炮發(fā)射裝藥燃燒符合幾何燃燒規(guī)律；

（2）等離子體對(duì)發(fā)射藥藥形表面及其內(nèi)部的影響通過(guò)調(diào)整發(fā)射藥燃速系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)；

（3）彈后裝藥空間發(fā)射裝藥均勻點(diǎn)火與燃燒；

（4）發(fā)射藥高溫氣體與身管的熱損失，通過(guò)降低火藥力修正。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 常規(guī)粒狀發(fā)射裝藥與堆積發(fā)射裝藥計(jì)算結(jié)果

在常規(guī)內(nèi)彈道計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)圖1所示的發(fā)射裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈道敏感性計(jì)算，其結(jié)果分別如圖2～6所示。

圖2 粒狀發(fā)射裝藥彈道性能變化（藥形一定條件下）

圖3 堆積發(fā)射裝藥彈道性能變化（一定藥長(zhǎng)和弧厚下）

圖4 堆積發(fā)射裝藥藥長(zhǎng)對(duì)彈道性能影響（裝填密度為0.82g/dm3）

圖5 堆積發(fā)射裝藥藥長(zhǎng)對(duì)彈道性能影響（裝填密度為0.84/dm3）

4.2 疊片發(fā)射裝藥計(jì)算結(jié)果

針對(duì)疊片發(fā)射裝藥方案進(jìn)行彈道敏感性計(jì)算，其結(jié)果分別如表2和圖6所示。

圖6 膛底、膛內(nèi)平均及彈底壓力曲線

4.3 高能高密度裝藥方案及結(jié)果

假定發(fā)射藥隨密度增加，其燃速系數(shù)保持不變，其內(nèi)彈道計(jì)算結(jié)果如表3所示。

4.4 計(jì)算分析

（1）由圖 2和圖 3可知，當(dāng)火藥裝填密度由0.8kg/dm3左右增加到0.85kg/dm3左右時(shí)，粒狀發(fā)射裝藥最大平均膛壓和初速分別增加 16%和 6%，堆積裝藥則分別提高12.3%和4%。

（2）由圖4和圖5可知，在較低裝填密度下，堆積發(fā)射藥長(zhǎng)度有20mm增加到120mm，其最大平均膛壓降低 14%，彈丸初速降低 2%；而在較高裝填密度下，當(dāng)藥長(zhǎng)由120mm增加到480mm時(shí)，最大平均膛壓和初速分別降低1.5%和0.2%。

（3）由表1分析可知，針對(duì)較低裝填密度方案，隨疊片藥內(nèi)外層燃速系數(shù)比增加，最大平均膛壓和初速分別增加3.5%和1.4%。

（4）由表2可看出，針對(duì)較高裝填密度方案，最大平均膛壓增加 11.7%左右；隨著疊片藥內(nèi)外層弧厚比增加，彈丸初速具有一定增加，最大可達(dá)到5%左右，這主要有疊片發(fā)射藥中心層快速燃燒和其厚度增加，使得膛壓變化產(chǎn)生第二平臺(tái)所致（圖 6所示）。

（5）由表3數(shù)據(jù)可知，隨著火藥密度增加，在假設(shè)其燃速系數(shù)不變條件下，其最大平均膛壓呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，火藥燃燒結(jié)束點(diǎn)將更加靠近炮口。計(jì)算表明，隨火藥密度增大，彈丸初速增加幅度較小，且當(dāng)密度增加到一定值后，由于火藥未能完全燃燒，彈丸初速將呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。

表1 疊片裝藥方案1彈道性能計(jì)算結(jié)果

表2 疊片裝藥方案2彈道性能計(jì)算結(jié)果

表3 高能高密度裝藥條件彈道性能變化規(guī)律計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

由上述分析表明，可以得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）在一定范圍內(nèi)隨著裝填密度的增加，在燃燒系數(shù)不變的前提下，粒狀發(fā)射裝藥對(duì)應(yīng)的最大平均壓力和彈丸初速增加幅度高于堆積裝藥。

（2）在較低裝填密度下，堆積裝藥對(duì)應(yīng)的最大平均壓力和彈丸初速隨著藥長(zhǎng)增加，其下降幅度較大；而在較高裝填密度下，堆積裝藥對(duì)應(yīng)的最大平均壓力和彈丸初速隨著藥長(zhǎng)增加，其下降幅值變化很小。

（3）疊片發(fā)射裝藥的內(nèi)外層燃速系數(shù)和內(nèi)外層弧厚比例變化，對(duì)于火炮內(nèi)彈道性能具有明顯影響，在內(nèi)彈道研究和裝藥設(shè)計(jì)中應(yīng)予以高度重視。

（4）在燃速系數(shù)不變的條件下，通過(guò)增加火藥密度，進(jìn)而增加彈丸初速，其效果較弱，為實(shí)現(xiàn)增速效果則必然應(yīng)同時(shí)改變火藥燃燒能量釋放規(guī)律。

[1]William F.Oberle and Bradley D.Goodle,The role of electrothermal-chemical(ETC) gun propulsion in enhancing direct-fire gun lethality,16THInternational Symposium on Ballistics,SAN FRANCISCO,CA,23-28 September 1996.

[2]Kevin J.White,Irvin Stobie,Williem Oberle,Gary Katulka and Simon Driesen,Combustion control Requirements in high loading density,solid propellant ETC gun firings, IEEE transactions on magnetics,vol.33,No.1, January 1997.

[3]Hans K.Haak,Paul Schaffers,Thomas H.G.G.Weise,andHolger G.Wisken,Basic investigations in a 70-mm firing simulator, IEEE transactions on magnetics,vol.39,No.1,January 2003.

[4]A.Kay,D.Hensel,C.Steinbach and S.Bleickert, Improved firing performance with a 120-millimeter electrothermalchemical(ETC) gun, 21stInternational Symposium on Ballistics Adelaide, South Australia, 19-23 April, 2004.

[5]A. Chaboki, S.Zelenak, B.Isle, Recent advances in electrothermal-chemical gun propulsion at United Defence,L.P., IEEE transactions on magnetics, vol.33,No.1,January 1997.

[6]D.Zoler,N.Shafir,D.Forte,E.Kot,A.Ravid,S.Wald and M.Sudai, Study of plasma jet capabilities to produce uniform ignition of propellants,ballistic gain and significant decrease of the “temperature gradient” effect, Propulsion Physics Laboratory,Soreq NRC, Yavne 81800,Israel.

[7]Jahn Dyvik,Juleigh Herbig, Randall Appleton, Recent activities in Electro-Thermal Chemical Launcher Technologies at BAE system,2006.

[8]Gloria P.Wren and William F.Oberle, Influence of high loading density charge configurations on performance of Electrothermal-Chemical (ETC) guns, IEEE transactions on magnetics,vol.37,No.1,January 2001.

[9]Thomas H.G.G.Weise,Joseph Kruse, Paul Schaffers and Hans-Karl Haak, Status and Results of the German R&D Program on ETC Technologies, IEEE Transactions on Magnetics, Vol.37,No.1,January, 2001.