張培忠,寧金貴,王建國,王 欣

(中國人民解放軍63850部隊,吉林 白城 137001)

在海灣戰(zhàn)爭和伊拉克戰(zhàn)爭中,美軍利用炮位偵察校射雷達偵察伊軍火炮和導彈發(fā)射陣地;以色列陸軍利用“天穹”系統(tǒng)多次成功攔截了哈馬斯武裝人員發(fā)射的火箭彈[1-2]。因此,需要研究一種對雷達隱身的彈丸,防止雷達反推算出火炮發(fā)射陣地的坐標,從而達到保護我方火炮發(fā)射陣地的目的[3-4]。

彈丸對雷達隱身的技術包括外形隱身技術和材料隱身技術。材料隱身技術主要是將吸波材料、超材料涂覆于彈丸表面,實現(xiàn)彈丸對雷達的隱身。在外形隱身方面,則是完全依照外形隱身設計規(guī)范設計彈丸結構,即次口徑碟形隱身彈丸(也稱為全隱身彈丸)[5-6]。此后,為了不降低彈丸的威力和精度,對彈丸的外形結構進行了改進,將彈丸前定心部直接接觸炮膛,前定心部不涂覆吸波材料,稱為全膛半隱身彈丸[7-8]。2種技術都借助于可靠的彈底托分離技術,消除了2條銅彈帶和閉氣環(huán)槽等凸起的雷達波強散射源,實現(xiàn)了彈丸對雷達外形隱身的目的。

1 隱身彈丸結構

1.1 全隱身彈丸結構

如圖1所示,全隱身彈丸包括引信、彈體和彈底托幾個部分,彈體表面全部涂覆吸波材料,彈體與彈底托之間用鋁制螺栓連接、隼口咬合。當火炮發(fā)射全隱身彈丸時,膛內(nèi)火藥氣體通過彈底托底部的通孔流入壓力腔中。彈丸出炮口之后,彈底托借助壓力腔內(nèi)留存火藥氣體的壓力迅速剪切鋁制螺栓,完成與全隱身彈體的分離動作。

圖1 全隱身彈丸結構

1.2 全膛半隱身彈丸結構

為了不犧牲彈丸的威力和精度,改進了彈丸外形結構,設計了全膛半隱身彈丸。該種彈丸也是由引信、彈體和彈底托組成,彈體表面除了前定心部以外均涂覆吸波材料,彈體與彈底托之間也同樣用鋁制螺栓連接、隼口咬合,結構如圖2所示。當全膛半隱身彈丸發(fā)射出炮口之后,彈底托借助壓力腔內(nèi)留存火藥氣體的壓力迅速剪切鋁制螺栓,彈底托與全膛半隱身彈體迅速分離。

2 隱身彈體與彈底托分離的原理

火炮發(fā)射隱身彈丸時,膛內(nèi)火藥氣體在推動隱身彈丸前進過程中,有少量通過彈底托底部的通孔流入壓力腔內(nèi)。膛內(nèi)火藥氣體壓力為彈底壓力pd,密度為ρ;彈底托的壓力腔內(nèi)火藥氣體壓力為pv,密度為ρv;壓力腔容積為V,通孔最小橫截面積為Sd。在隱身彈丸加速前進過程中,因隱身彈體的慣性力、壓力腔內(nèi)火藥氣體壓力同時作用在鋁制螺栓的兩端,此時鋁制螺栓不會被剪切,如圖3所示。當隱身彈丸出炮口以后,彈底壓力pd消失,隱身彈體的慣性力也隨之消失。忽略少量留存火藥氣體從通孔反流出,壓力腔內(nèi)留存火藥氣體的壓力作用于鋁制螺栓上,而鋁制螺栓結構強度薄弱,該壓力足夠剪切鋁制螺栓,推開隱身彈體,完成彈底托與隱身彈體分離動作,如圖4所示。

在火炮發(fā)射隱身彈丸過程中,設某一時間dt內(nèi)炮膛內(nèi)火藥氣體經(jīng)過彈底托底部的通孔流入壓力腔內(nèi)的熱量為dQ,壓力腔內(nèi)能量增量為dE,假設這一過程無熱散失、無泄漏,是絕熱過程,為一維準定常流動。根據(jù)熱力學第一定律,則

dQ=dE

(1)

dQ=cpTqmdt

(2)

(3)

式中:cp為火藥氣體的定壓比熱;cV為火藥氣體的定容比熱;qm為火藥氣體經(jīng)通孔流入壓力腔的質(zhì)量流量;T為膛內(nèi)火藥氣體溫度;Tv為壓力腔內(nèi)火藥氣體溫度;ωt為膛內(nèi)火藥氣體比容,ωt=1/ρ,ρ為膛內(nèi)火藥氣體密度;ωv為壓力腔內(nèi)火藥氣體比容,ωv=1/ρv,ρv為壓力腔內(nèi)氣體密度。

根據(jù)氣體狀態(tài)方程:

(4)

則壓力腔內(nèi)火藥氣體能量增量為

(5)

(6)

將式(5)、式(6)代入式(1)得:

(7)

式中:k為比熱比,即k=cp/cV。

當火藥氣體通過彈底托底部的通孔最初流入壓力腔內(nèi)時:pd/pv>1.8,為超臨界流動,質(zhì)量流量為

(8)

隨著膛壓pd下降,壓力腔內(nèi)pv逐漸上升,出現(xiàn)pd/pv≤1.8,變?yōu)閬喤R界態(tài)流動,質(zhì)量流量為

(9)

式中:μ為質(zhì)量流量系數(shù),一般情況下μ<1。

在pd/pv≤1之后,彈底托壓力腔內(nèi)留存火藥氣體會反流出,算法可以參考上述過程。

3 隱身彈體與彈底托分離設計

利用經(jīng)典內(nèi)彈道學方程計算隱身彈丸運動速度、彈底壓力,并補充計算膛內(nèi)火藥氣體密度方程:

(10)

膛內(nèi)火藥氣體密度方程:

(11)

式中:ψ為火藥燃燒的比例;χ1,λ1均為火藥形狀特征量;Z為火藥顆粒燃燒相對已燃厚度;2e為火藥顆粒已燃厚度;2e1為火藥顆粒厚度;u1為火藥燃速系數(shù);p為火藥氣體壓力;ν為火藥燃燒指數(shù);S為炮膛橫截面積;φ為次要功系數(shù);φ1為不計入火藥氣體動能時的次要功系數(shù);m為彈丸質(zhì)量;v為彈丸運動速度;l為彈丸在膛內(nèi)運動距離;f為火藥力;mc為裝藥質(zhì)量;θ=k-1,k為火藥氣體比熱比;pd為彈底部火藥氣體壓力;l0為藥室容積縮徑長;Δ為火藥裝填密度;δ為火藥顆粒密度;α為火藥氣體余容。

以膛壓達到彈帶擠進壓力作為計算初始條件。利用式(7)、式(8)、式(9)計算彈底托壓力腔的壓力。再根據(jù)鋁制螺栓的設計目的、材料、熱處理工藝和強度設計其結構參數(shù),保證彈底托壓力腔的壓力能夠剪切鋁制螺栓,實現(xiàn)彈底托與彈體分離。

4 設計實例

以某型155 mm加榴炮發(fā)射全隱身彈丸、全膛半隱身彈丸為例,發(fā)射藥為7孔、三胍-15;火藥顆粒形狀尺寸:平均弧厚2e1=2.4 mm,平均孔徑d0=1.5 mm,平均外徑de=14 mm,平均長度2lp=33 mm,發(fā)射藥量分別為1#、2#、3#、4#裝藥,藥室容積縮徑長l0=1.214 m,炮膛橫截面積S=0.018 9 m2,火藥力f=10.75×105N·m/kg,彈丸質(zhì)量m=45.54 kg。分別計算了發(fā)射各裝藥量的隱身彈丸的運動速度、彈底壓力和膛內(nèi)火藥氣體密度,如圖5～圖7所示。

圖5 隱身彈丸運動速度

圖6 隱身彈丸彈底壓力

圖7 膛內(nèi)火藥氣體密度

以某155 mm全隱身榴彈為例,其彈底托壓力腔容積Vd=1.91×10-4m3,彈底托底部的通孔最小面積Sd=7×10-6m2,計算不同裝藥量時壓力腔的壓力,結果如圖8所示。為了簡便起見,忽略從隱身彈丸出炮口至鋁制螺栓被剪切瞬間壓力腔內(nèi)火藥氣體經(jīng)過通孔流出的過程。

鋁制螺栓選用材料為普通2A13鋁,其拉伸強度σb=300 MPa,并做特殊的熱處理,以調(diào)整其剪切強度,其剪切強度τs≤σb/2,則τs=150 MPa。鑒于4#裝藥發(fā)射時壓力腔壓力較小,根據(jù)60 MPa的壓力值設計了鋁制螺栓的結構參數(shù),其中包括了起應力集中作用的退刀槽,如圖9所示。經(jīng)材料力學校算,剪切面應力為120 MPa,考慮到應力集中作用,剪切面上局部應力超過了剪切強度τs。在隱身彈丸出炮口以后,彈底托壓力腔的壓力能夠剪切鋁制螺栓,完成彈底托與隱身彈體的分離。

圖8 彈底托壓力腔的壓力

圖9 普通鋁制螺栓的結構尺寸及剪切面

5 試驗驗證

5.1 試驗彈丸

為了檢驗隱身彈丸的彈底托分離技術及其實現(xiàn)的隱身效果,進行了驗證試驗。分別研制了155 mm全隱身彈丸(如圖10所示)、全膛半隱身彈丸(如圖11所示)。同時,為了比較2條彈帶和閉氣環(huán)槽對隱身性能的影響程度,還研制了155 mm有船尾的全膛半隱身彈丸(如圖12所示),用來與普通155 mm殺爆彈進行比較,前者是在普通155 mm殺爆彈表面部分區(qū)域涂覆吸波材料而制成的,后者為現(xiàn)有彈種。

圖10 全隱身彈丸

圖11 全膛半隱身彈丸

圖12 有船尾的全膛半隱身彈丸

5.2 試驗與結果分析

將初速雷達布置于火炮炮口側后方20 m處,測試隱身彈丸的初速,檢查隱身彈體與彈底托分離情況。將彈道雷達布置于火炮正后方500 m,采用校射模式,如圖13所示,跟蹤全隱身彈丸,測試隱身彈丸的徑向速度和距離。

圖13 彈道雷達對隱身彈丸的跟蹤

將炮位偵察校射雷達置于155 mm火炮正前方25～30 km處,采用偵察模式,如圖14所示,測試全膛半隱身彈丸、有船尾的全膛半隱身彈丸、普通殺爆彈的隱身性能,從而判斷2條銅彈帶和閉氣環(huán)槽對彈丸隱身性能的影響程度。

圖14 炮位偵察校射雷達對隱身彈丸的探測

用155 mm火炮裝填4#裝藥發(fā)射2發(fā)全隱身彈丸。初速雷達測試結果如圖15和表1所示,分析結果表明:全隱身彈丸的彈體和彈底托分離動作迅速、可靠,彈底托受空氣阻力很大,失速墜落,僅保留隱身彈體獨自飛向目標。彈道雷達跟蹤隱身彈體的數(shù)據(jù)分析表明,全隱身彈丸的隱身性能突出[6]。

圖15 初速雷達對全隱身彈丸的測試

表1 全隱身彈丸的彈體與彈底托分離數(shù)據(jù)

用155 mm火炮裝填4#裝藥發(fā)射3發(fā)全膛半隱身彈丸、4發(fā)有船尾的全膛半隱身彈丸,并收集了普通155 mm殺爆彈在炮位偵察校射雷達鑒定試驗中的數(shù)據(jù)進行分析比較。偵察雷達測試結果如表2所示,結果表明:全膛半隱身彈丸隱身性能較好;而有船尾的全膛半隱身彈丸隱身效果不佳,說明了2條銅彈帶和閉氣環(huán)槽對隱身性能的影響顯著;普通殺爆彈沒有隱身性能,因其未采取材料隱身和外形隱身技術[8]。

表2 半隱身彈丸、普通殺爆彈試驗結果

6 結論

研究設計了隱身彈丸的彈底托分離原理和技術,實現(xiàn)了彈丸對雷達外形隱身的目的,并通過全隱身彈丸、全膛半隱身彈丸、有船尾的全膛半隱身彈丸、普通殺爆彈的對比試驗,檢驗該技術對雷達隱身性能的影響,試驗結果表明:

①隱身彈丸的彈底托分離動作迅速、可靠,消除了2條銅彈帶和閉氣環(huán)槽對雷達波的強散射,使全隱身彈丸、全膛半隱身彈丸具備了外形隱身功能,均獲得了較好的隱身效果;

②有船尾的全膛半隱身彈丸沒有消除2條銅彈帶和閉氣環(huán)槽對雷達波的強散射,隱身性能不佳;

③普通殺爆彈未采取材料隱身和外形隱身技術,故不具備隱身性能。