宋芮德，劉雙杰，郝永平，陳 闖，武 浩

(沈陽(yáng)理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

0 引言

根據(jù)GJB373A-1997《引信安全性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》，引信安全系統(tǒng)至少應(yīng)該包括兩個(gè)利用不同的環(huán)境信息的保險(xiǎn)件[1]。發(fā)射環(huán)境的后坐力是引信最常用的解除保險(xiǎn)環(huán)境力[2]。但對(duì)于某些彈種，其發(fā)射平臺(tái)和載體提供可利用的信息不多，或者有也難以有效利用。解決這類引信保險(xiǎn)問題，可以利用外彈道階段的彈道環(huán)境。所以研究外彈道引信力學(xué)環(huán)境，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值[3]。

文中將主要研究章動(dòng)力的產(chǎn)生原因、章動(dòng)力在全彈道的變化規(guī)律與對(duì)引信慣性機(jī)構(gòu)的影響。

1 章動(dòng)力理論分析

1.1 章動(dòng)力產(chǎn)生原因

火炮整個(gè)系統(tǒng)在受到火藥氣體產(chǎn)生的極大沖擊載荷作用下產(chǎn)生了復(fù)雜的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，造成火炮身管的振動(dòng)，同時(shí)彈丸在高溫高壓火藥氣體作用下擠入膛線，并繞膛線做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程中與身管不斷沖擊碰撞，使彈丸出炮口瞬間具有了一個(gè)起始的擾動(dòng)(見圖1)[4]。

圖1 彈丸起始章動(dòng)角產(chǎn)生過程

對(duì)于裝配有偏心引信的彈丸，整體質(zhì)心與彈軸會(huì)有一定的偏心量，會(huì)產(chǎn)生章動(dòng)[5]。

在實(shí)際炮射中，由于引信與彈丸的制造誤差、裝配間隙與彈丸的不對(duì)稱性等因素，彈丸的質(zhì)心不在彈軸上。又由于膛線與彈丸之間的間隙與加工制造上的誤差，彈丸都存在著初始擾動(dòng)。所以，彈丸的章動(dòng)其實(shí)是由初始擾動(dòng)和偏心引起的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。

1.2 章動(dòng)力理論計(jì)算

章動(dòng)力理論計(jì)算公式為[6]：

Fzh=mflΩ2

(1)

式中：Fzh為引信零件受到的章動(dòng)力，N；mf為引信零件的質(zhì)量，kg；l為引信零件質(zhì)心到彈丸質(zhì)心的距離，m；Ω為彈丸的章動(dòng)角速度，rad/s。

對(duì)于線膛炮彈丸，最大章動(dòng)角速度出現(xiàn)在彈丸剛出炮口處，可按下式計(jì)算：

(2)

式中：Ωmax為彈丸的最大章動(dòng)角速度，rad/s；ωg為彈丸的炮口角速度，rad/s；Jx為彈丸的極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；Jy為彈丸的赤道轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；δmax為最大章動(dòng)角，rad。

2 彈丸運(yùn)動(dòng)章動(dòng)力仿真分析

2.1 仿真模型的建立

文中以120 mm口徑高速旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈丸為基礎(chǔ)，采用有偏心的滑塊和無(wú)偏心的滑塊代替引信慣性機(jī)構(gòu)，彈丸質(zhì)量為22 kg，引信質(zhì)量為0.054 8 kg，有偏心引信的偏心為0.6 mm。建立虛擬樣機(jī)，進(jìn)行仿真分析。

首先，運(yùn)用Pro-E三維軟件建立高速旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈三維模型和機(jī)械觸發(fā)引信的三維模型(見圖2)；其次，將建立的三維模型導(dǎo)入Gambit和Fluent平臺(tái)，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得出彈丸的氣動(dòng)力和力矩?cái)?shù)據(jù)(見圖3、圖4)；最后，導(dǎo)入ADAMS平臺(tái)，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。

2.2 仿真過程

在ADAMS中設(shè)置彈丸初速為516 m/s，射角為15°，將通過Fluent仿真獲得的彈丸在不同馬赫數(shù)、攻角、高度下的各項(xiàng)氣動(dòng)力及力矩函數(shù)加載到彈丸模型上，得到彈丸動(dòng)力學(xué)模型。分別進(jìn)行如下仿真：引信無(wú)偏心條件下和引信有偏心條件下起始擾動(dòng)角分別為0°、1°、2°、3°、4°、5°、6°。通過后處理程序得出彈丸的彈道曲線和章動(dòng)角的全彈道變化曲線。

圖4 彈丸的壓力等值線

2.3 仿真結(jié)果及分析

仿真得出彈丸在不同初始擾動(dòng)角下的章動(dòng)角變化曲線見圖5、圖6。

圖5 不同初始擾動(dòng)角下章動(dòng)角與時(shí)間關(guān)系圖

由圖5可知，在彈丸出炮口處彈丸的章動(dòng)角最大，隨后逐漸衰減，章動(dòng)力是一個(gè)脈沖力，時(shí)大時(shí)小，但總體上呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢(shì)。由圖6可知，隨著彈丸初始擾動(dòng)角的增大，彈丸最大章動(dòng)角也隨之增大。

仿真得出在3°初始擾動(dòng)下，有無(wú)偏心引信的彈丸章動(dòng)角曲線見圖7、圖8。

由圖7可知，在有偏心的情況下，章動(dòng)角無(wú)法收斂，這是由于在有偏心的同時(shí)又有初始擾動(dòng)的情況下，章動(dòng)現(xiàn)象是繞著某一章動(dòng)軸線進(jìn)行進(jìn)動(dòng)，但進(jìn)動(dòng)過程同時(shí)又是繞著速度方向軸線進(jìn)行進(jìn)動(dòng)的復(fù)合章動(dòng)運(yùn)動(dòng)。又由圖6與圖8對(duì)比可知，使用偏心引信會(huì)使章動(dòng)角變大。

圖6 無(wú)偏心下初始擾動(dòng)角與最大章動(dòng)角關(guān)系圖

圖7 3°初始擾動(dòng)角下章動(dòng)角與時(shí)間關(guān)系圖

圖8 有偏心下初始擾動(dòng)角與最大章動(dòng)角關(guān)系圖

仿真得出引信所受的章動(dòng)力隨章動(dòng)角變化曲線見圖9。

圖9 引信所受的章動(dòng)力與章動(dòng)角關(guān)系圖

由圖9可知，隨著章動(dòng)角的增大，章動(dòng)力隨之增大，且章動(dòng)力與章動(dòng)角成二次函數(shù)關(guān)系，這與理論計(jì)算公式相符。

3 章動(dòng)力對(duì)引信慣性機(jī)構(gòu)仿真分析

彈丸在經(jīng)歷勤務(wù)處理環(huán)境和發(fā)射環(huán)境后，進(jìn)入外彈道飛行階段。根據(jù)引信所受的環(huán)境力理論分析，引信零部件將受到切線慣性力、哥氏慣性力、離心力、爬行力、章動(dòng)力的綜合作用[7]。

在上述環(huán)境力中，切線慣性力對(duì)引信軸向運(yùn)動(dòng)的影響可以忽略不計(jì)，而只有引信運(yùn)動(dòng)方向不平行于彈軸的旋轉(zhuǎn)彈丸才會(huì)產(chǎn)生哥氏慣性力。所以僅有章動(dòng)力和爬行力對(duì)引信零部件軸向運(yùn)動(dòng)有影響[8]。

彈丸飛至后效期以后，受迎面空氣阻力作用而作減速運(yùn)動(dòng)，引信零部件將受到一個(gè)前沖慣性力，即爬行力。爬行力理論計(jì)算公式為：

Fp=mfa

(3)

式中：Fp為引信零件受到的爬行力，N；mf為引信零件的質(zhì)量，kg；a為載體的減加速度，m/s2。

對(duì)初速度為516 m/s，射角為15°彈丸進(jìn)行仿真，得到引信慣性機(jī)構(gòu)所受的爬行力與時(shí)間關(guān)系曲線見圖10。

圖10 爬行力與時(shí)間關(guān)系圖

由圖10可以看出，爬行力隨時(shí)間遞減，這是因?yàn)閺楏w速度受阻力影響而降低，而彈體阻力也就是彈體減加速度隨彈體速度降低而降低，所以爬行力也隨之減少。

對(duì)初始擾動(dòng)角分別為3°與9°的彈丸進(jìn)行仿真，得出引信慣性機(jī)構(gòu)的章動(dòng)力與軸向位移隨時(shí)間變化曲線見圖11、圖12。

由圖10、圖11和圖12可以看出，當(dāng)初始擾動(dòng)角為3°時(shí)，章動(dòng)力要遠(yuǎn)小于爬行力，引信慣性機(jī)構(gòu)軸向位移逐漸減小；而當(dāng)初始擾動(dòng)角為9°時(shí)，章動(dòng)力與爬行力都會(huì)對(duì)引信慣性機(jī)構(gòu)軸向位移產(chǎn)生影響，可以看出初始擾動(dòng)角為9°條件下的慣性機(jī)構(gòu)位移曲線在不斷震顫，且最大位移比初始擾動(dòng)角為3°條件下的慣性機(jī)構(gòu)最大位移大。所以，當(dāng)章動(dòng)力較大時(shí)，引信慣性機(jī)構(gòu)會(huì)受到章動(dòng)力的作用而前沖，從而觸發(fā)雷管，完成慣性發(fā)火功能，進(jìn)而影響引信觸發(fā)。

圖11 3°初始擾動(dòng)慣性機(jī)構(gòu)章動(dòng)力與位移變化曲線

圖12 9°初始擾動(dòng)慣性機(jī)構(gòu)章動(dòng)力與位移變化曲線

4 結(jié)論

文中探討了彈丸章動(dòng)角的產(chǎn)生原因與對(duì)章動(dòng)力的影響，又探討了章動(dòng)力對(duì)引信慣性機(jī)構(gòu)的影響。建立了不同初始擾動(dòng)角與有無(wú)偏心引信的動(dòng)力學(xué)仿真模型，進(jìn)而得到章動(dòng)力的變化規(guī)律與對(duì)引信慣性機(jī)構(gòu)的影響曲線。由仿真數(shù)據(jù)可以得出：在無(wú)偏心的條件下，在彈丸出炮口處彈丸的章動(dòng)角最大，隨后逐漸衰減，隨著彈丸初始擾動(dòng)角的增大，彈丸最大章動(dòng)角也隨之增大；在有偏心的條件下，隨著彈丸初始擾動(dòng)角的增大，彈丸最大章動(dòng)角仍隨之增大，但章動(dòng)角將無(wú)法收斂，且最大章動(dòng)角比無(wú)偏心條件下大；章動(dòng)力隨著章動(dòng)角的增加而成二次函數(shù)增加；當(dāng)章動(dòng)角較大時(shí)章動(dòng)力會(huì)影響引信觸發(fā)。

文中的研究，可為以后研究引信觸發(fā)機(jī)構(gòu)抗章動(dòng)能力提供理論支持，同時(shí)為章動(dòng)力對(duì)炮彈炮口炸或彈道炸的研究奠定基礎(chǔ)。