劉 猛，楊 瑩，卜祥磊，倪慶杰

(1 沈陽工學院，沈陽 113122；2 遼沈工業(yè)集團有限公司，沈陽 110045)

0 引言

底排火箭復合增程修正彈不同于普通彈道，其飛行特點是：彈藥在發(fā)射前進行信息裝訂，發(fā)射后依次點燃底排裝置、火箭發(fā)動機和戰(zhàn)斗部，在彈丸飛行過程中，接收機進行定位，飛行控制器預判彈丸落點坐標位置，適時展開阻力片，實現(xiàn)彈道修正[1]。由于底排與火箭的復合，其外彈道飛行過程顯得尤為復雜，對射程影響的因素較多。文中通過對串聯(lián)式某型底排火箭復合增程修正彈的理論分析、仿真及試驗，逐一排查近彈原因，研究結果對解決復合增程修正彈近彈問題具有一定的指導意義。

1 試驗情況

某增程修正彈進行低溫摸底試驗，射擊5發(fā)(不修正射擊模式，不開阻力環(huán))，出現(xiàn)3發(fā)射程近的現(xiàn)象，試驗結果見表1。

表1 試驗數(shù)據(jù)現(xiàn)場記錄表(射擊條件：射角30°，射程預設30 km。彈藥保-40 ℃低溫)

1.1 試驗現(xiàn)場情況

a)試驗第1發(fā)、第3發(fā)、第4發(fā)的射程較第2發(fā)、第5發(fā)正常彈近5～6 km(射程較正常彈近17%～20%)；方向極差72 m(5發(fā)彈方向偏差正常，5發(fā)彈初速正常)。

b)射前、射后均對火炮進行了檢查，炮口制退器及火炮身管內膛沒有發(fā)現(xiàn)異常。

c)試驗后，在炮口前方?jīng)]有找到底排碎藥，說明底排工作正常。從炮位觀看，底排和火箭工作正常。

d)在炮位聽彈丸飛行的聲音，沒有異常。

1.2 雷達跟蹤情況

多普勒雷達對5發(fā)彈測量速度過程均正常，均能夠在彈丸出炮口0.3 s實現(xiàn)對該彈徑向速度的測量，測量結果如圖1所示。

圖1 雷達測量彈丸徑向速度數(shù)據(jù)圖

靶場試驗反饋的雷達數(shù)據(jù)顯示：第1發(fā)、第3發(fā)、第4發(fā)近彈出炮口后速度降劇烈，火箭發(fā)動機均在設定時間正常工作。

從雷達速度瀑布圖上可見，第1發(fā)、第3發(fā)、第4發(fā)近彈出炮口后初始段速度回波信號噪聲大，對5發(fā)彈出炮口附近時間段速度降統(tǒng)計如表2所示。

表2 不同時間區(qū)間內各發(fā)彈的速度降 m/s

從表2數(shù)據(jù)可見，在0～5 s內，異常近彈(第1發(fā)、第3發(fā)、第4發(fā))出現(xiàn)巨大的速度降(平均317.3 m/s)，該速度降遠大于正常彈(第2發(fā)、第5發(fā))的速度降(平均197.2 m/s)；而在5～10 s時間內，異常近彈速度降與正常彈差異減小。

該雷達除對第4發(fā)跟蹤數(shù)據(jù)不全，對其余4發(fā)均實現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤，數(shù)據(jù)結果如圖2、圖3所示。

圖2 LM-314坐標雷達射距X數(shù)據(jù)圖

圖3 LM-314坐標雷達射高Y數(shù)據(jù)圖

1.3 近彈回收情況

將第3發(fā)和第4發(fā)近彈挖出，對回收的2發(fā)近彈檢查發(fā)現(xiàn)：

a)底排裝置殼體完好，未脫落；

b)戰(zhàn)斗部與發(fā)動機連接正常；

c)彈丸導帶火炮陽線印痕正常，導帶工作正常；

d)彈丸上定心部、下定心部及尾部未發(fā)現(xiàn)火炮陽線印痕，證明彈丸在膛內擠進過程正常。

2 計算分析

2.1 飛行速度降分析

3發(fā)異常近彈2 s時的速度降分別為153 m/s、165 m/s和167 m/s，表明這3發(fā)近彈一出炮口飛行就存在巨大阻力，造成出炮口短時間內存在超大速度降，這種速度降較正常彈和以往有時底排出炮口工作性能不穩(wěn)定對應的速度降有明顯差異(正常彈2 s時速度降約90 m/s)。如果這3發(fā)彈出炮口 2 s的速度降對應急劇增大的阻力是由炮口附近擾動產(chǎn)生的章動引起，依據(jù)異常近彈出炮口后出現(xiàn)的急劇增大阻力系數(shù)，由文獻[2]中理論計算可估算出異常彈出炮口阻力系數(shù)最大幅值處所對應的章動角約為13°～15°，正常飛行炮彈的炮口章動角要遠遠小于這一數(shù)值。

2.2 飛行阻力系數(shù)分析

提取2發(fā)異常近彈和2發(fā)正常彈的底排工作段和底排非工作段阻力系數(shù)Cx，4發(fā)彈丸的阻力系數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 4發(fā)彈阻力系數(shù)隨時間變化曲線對比

由圖4可見，異常近彈在0～7.5 s內阻力急劇增大，在 2.5 s處異常近彈阻力系數(shù)約為0.45～0.47，正常彈阻力系數(shù)約為0.21；在2.5～7.5 s內，異常近彈的阻力系數(shù)迅速減小，并向正常彈阻力系數(shù)狀況回歸；后續(xù)彈道段2發(fā)異常近彈的阻力系數(shù)較正常彈阻力系數(shù)平均增幅約7%～8%。這種現(xiàn)象同以往出現(xiàn)過的一般底排工作性能不穩(wěn)定現(xiàn)象完全不一樣。

3 原因排查分析

3.1 試驗條件排查

此次試驗使用新?lián)Q身管火炮。本次試驗(出現(xiàn)近彈情況)后，又進行了5發(fā)常溫試驗，工作正常，表明火炮機構動作正常，火炮狀態(tài)良好，可排除。

射擊試驗前，進行地面、高空氣象探測，氣象條件均滿足射擊要求，未見異常，可排除。

3.2 彈藥問題排查

3.2.1 彈丸飛行不穩(wěn)定分析排查

將回收的兩發(fā)近彈外觀檢查，導帶上的陽線均勻、正常；彈丸下定心部無火炮陽線印痕。通過對火炮身管進行檢查，火炮身管不存在燒蝕、磨損嚴重現(xiàn)象，故可排除彈丸膛內運動差造成的異常近彈。

取彈丸的結構和靜參數(shù)偏差最大值，進行計算分析，可得出炮口初始擾動引起的最大章動角為2°～3°，不支持這3發(fā)近彈現(xiàn)象。

此外，根據(jù)兩發(fā)回收的近彈彈體可見，彈丸表面和彈帶磨損正常，彈丸上定心部、下定心部及底排殼體部沒有火炮陽線印痕。試驗后觀察炮口制退器上沒有劃痕，火炮內膛未見異常，故由彈炮匹配引起炮口附近出現(xiàn)擾動大現(xiàn)象可排除。

3.2.2 彈丸外形變化排查分析3.2.2.1 修正引信排查分析

由修正引信外形變化引起的異常近彈可有3個因素：接收裝置的風帽脫落、電子頭脫落及阻力環(huán)提前張開。對這3個因素進行了排查。

1)接收裝置的風帽脫落

接收裝置的風帽(如圖5所示)采用尼龍46材料。尼龍46具有較好的抗沖擊性能和較好的耐熱性能，廣泛用于炮彈產(chǎn)品。但尼龍46材料存在低溫脆性問題，抗拉強度較常溫大幅度下降，不排除由于結構設計缺陷造成低溫強度不足，發(fā)射時，在離心力作用下產(chǎn)生破裂的可能。

圖5 接收裝置的風帽

風帽厚度為2 mm，較為輕薄。此風帽采用上、下壓螺安裝，上、下膠粘及凹槽等方式固定于接收裝置外部。炮彈發(fā)射后，在離心力作用下，如果風帽在炮口附近出現(xiàn)撕裂，飛行阻力急劇變大，飛行較短時間后，接收裝置的風帽整體脫落，彈丸阻力迅速減小，接近正常狀態(tài)。風帽脫落后，引信表面產(chǎn)生2 mm的凹臺，經(jīng)計算此種外形變化所引起的全彈阻力增幅約7%～8%，與近彈10 s后彈道段阻力系數(shù)與正常彈阻力系數(shù)差異7%～8%正好相符，故由此種故障引發(fā)射程異常的情況不能排除。

2)電子頭脫落排查

圖6 電子頭脫落后阻力系數(shù)與異常近彈阻力系數(shù)對比

將電子頭脫落后阻力系數(shù)與異常近彈阻力系數(shù)對比，如圖6所示，電子頭脫落前，彈頭直徑為14 mm，脫落后，彈頭直徑將變?yōu)?5 mm。通過理論計算，電子頭脫落后，全彈阻力系數(shù)將增加40%。考慮到電子頭脫落為永久性損傷，因此在全彈道段，電子頭脫落條件下的阻力系數(shù)較正常彈都將大40%左右。然而近彈在10 s后，其阻力系數(shù)與正常彈阻力系數(shù)差異在7%～8%左右，掉電子頭后的阻力系數(shù)曲線和異常近彈的阻力系數(shù)曲線明顯不一致。由電子頭脫落引起本次近彈原因可排除。

3)阻力環(huán)提前打開和阻力環(huán)打開不一致

彈上的阻力環(huán)如果出炮口就打開，會造成出炮口后炮彈阻力急劇增大，造成近彈[3]。以假設彈上阻力環(huán)一出炮口就完全張開狀況為例，估算上述兩種假設條件下的阻力系數(shù)變化曲線，將其與異常彈提取的阻力系數(shù)曲線進行對比，如圖7所示。

圖7 出炮口阻力環(huán)全部張開與異常近彈阻力系數(shù)對比

如果出炮口后阻力環(huán)完全張開，射程為16.6 km，該射程要遠小于3發(fā)近彈的平均射程(23.8 km)。從圖7假設情況阻力系數(shù)曲線可看出，阻力環(huán)出炮口完全張開的阻力系數(shù)曲線在阻力環(huán)張開后其阻力系數(shù)在后續(xù)彈道段均會產(chǎn)生幾乎相同的阻力系數(shù)增幅。這與本次異常近彈出炮口阻力系數(shù)異常增大其值約為正常彈阻力系數(shù)2.3倍、后續(xù)阻力系數(shù)增幅7%～8%變化趨勢不一致，故阻力環(huán)出炮口完全張開故障或張開一半的故障假設可以排除。

3.2.2.2 半備彈丸外形變化分析

如果彈丸出炮口時底排裝置脫落，彈丸出炮口后會失穩(wěn)，影響射程[4]。對回收的2發(fā)異常近彈檢查，底排裝置沒有脫落，可排除。

如果火炮燒蝕嚴重、導帶或收帶加工裝配質量不滿足要求，可能會造成導帶在膛內被火炮陽線削平，從而造成彈丸出炮口后失穩(wěn)，出炮口擾動大，影響射程[5]。從回收的2發(fā)異常近彈檢查可見，導帶存在且其表明的火炮陽線印痕完整，可排除。

統(tǒng)計5發(fā)彈的火箭增速，火箭增速正常，且一致性較好，表明火箭發(fā)動機工作正常。火箭發(fā)動機點火時間異常、火箭發(fā)動機增速低、火箭發(fā)動機未工作故障可排除。

3.2.3 底排工作異常排查分析

如果底排藥柱力學性能不足，則會造成發(fā)射時底排藥柱破碎，影響底排的減阻性能。兩發(fā)正常飛行的彈丸其出炮口阻力系數(shù)約為0.2，即便底排不工作，其全彈阻力系數(shù)在出炮口段也僅約為0.24～0.25，而近彈出炮口阻力系數(shù)為0.46～0.48，約為正常彈的2.3倍。且近彈阻力系數(shù)在7.5 s后阻力系數(shù)趨于正常，保持較正常彈阻力系數(shù)高7%～8%直至結束，即便底排不工作，射程近2 km左右，與本次試驗近5～6 km不符。同時炮口前附近未發(fā)現(xiàn)底排碎藥?；厥债惓椀着虐餐暾?，底排藥劑燃燒充分，可證明異常彈底排工作過程正常，故由于底排藥柱力學性能低引起底排減阻率低造成近彈可排除。

3.2.4 假設異常模式對應射程的仿真計算

按照30°射角計算不同假設異常模式對應射程見表3。

表3 不同假設異常模式對應射程計算表

根據(jù)外彈道仿真計算，底排和火箭均不工作、電子頭脫落、底排裝置脫落、接收機風帽異常脫落4種失效模式的射程與近彈接近。前3種假設可通過分析速度曲線、回收近彈彈丸實物、阻力系數(shù)曲線等可以排除，而接收機風帽脫落，其仿真射程和阻力系數(shù)變化曲線與近彈接近，故不可排除。

4 故障定位

通過分析排查，僅有接收機風帽脫落故障假設計算的阻力系數(shù)曲線與3發(fā)近彈提取的阻力系數(shù)曲線相類似，射程也接近。

故引起這3發(fā)異常近彈故障的可能因素定位為：接收裝置的風帽在低溫時抗拉性能下降，在離心力作用下，出炮口后撕裂、張開、脫落，引起出炮口后短時間內阻力系數(shù)急劇增大，產(chǎn)生巨大速度降；脫落后，接收裝置外形產(chǎn)生2 mm的凹臺，引起其彈形對應的阻力系數(shù)較正常彈增幅約7%～8%，造成近彈。

5 改進措施及結論

優(yōu)化風帽結構設計，減少應力集中。優(yōu)化后的結構見圖8。

經(jīng)上述改進措施后，進行了3組低溫驗證試驗，試驗結果全部正常，說明該產(chǎn)品低溫近彈問題得到徹底解決。該研究成果可推廣其他復合增程修正彈近彈問題排查。

圖8 優(yōu)化后的風帽