吳 凡，宋向華，王敏毅，廖貴超

（中船重工第七一〇研究所，湖北宜昌 443000）

0 引言

某型艦載發(fā)射裝置采用膛壓式發(fā)射技術(shù)，可實現(xiàn)快速發(fā)射、裝填等[1]，但其發(fā)射后坐力影響到整個發(fā)射系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能，有必要研究新型緩沖技術(shù)解決發(fā)射裝置后坐力問題，設(shè)計小型化緩沖結(jié)構(gòu)。發(fā)射裝置后坐力主要來源于彈體發(fā)射過程中的炮膛合力，炮膛合力使后坐部分進行后坐運動[2]。目前，身管武器系統(tǒng)后坐力緩沖方式主要有以下幾種[3-6]。

（1）獨立式液壓緩沖機，采用液壓—彈簧緩沖系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、尺寸和重量增加較多、成本高，主要用于大中口徑火炮。

（2）緩沖簧，利用復(fù)雜的緩沖彈簧組件進行緩沖，設(shè)計復(fù)雜，需要足夠的安裝尺寸和空間，主要用于小口徑槍械。

（3）摩擦緩沖，利用不同材料（如鋼、黃銅）間熱膨脹效應(yīng)，結(jié)合不同材料間的摩擦實現(xiàn)緩沖吸能，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、尺寸較小、但效果不好，主要用于早期槍械。

（4）炮口制退器，主要通過炮口（槍口）制退器分散火藥燃氣的流速流向來減少后坐力，減小程度較小，結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，適用于高膛壓發(fā)射武器。

綜合上述分析，火炮等身管武器的緩沖結(jié)構(gòu)雖然效果顯著，應(yīng)用成熟，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂、尺寸體積重量較大，在本文所研究的系統(tǒng)尺寸、重量等約束下，不太適用該方式。

隨著材料技術(shù)的發(fā)展，一次性壓潰式緩沖材料得到較多應(yīng)用[7]，此類材料大多具有低密度及高孔隙率，具有良好的吸能性和阻尼減震性能，能夠較好地滿足緩沖性能要求[8]。由此本文擬采用壓潰式材料進行某型艦載發(fā)射裝置的后坐緩沖試驗研究，為其工程應(yīng)用提供支撐。

1 艦載發(fā)射裝置后坐力分析

1.1 艦載發(fā)射裝置形態(tài)

該型艦載發(fā)射裝置為多管聯(lián)裝的形式，外觀結(jié)構(gòu)形似德國MASS系統(tǒng)發(fā)射裝置，如圖1 所示。每個管內(nèi)彈體可獨立發(fā)射且發(fā)射過程相同，為簡化模型建立過程，以單管及其內(nèi)部彈體為研究對象，后坐力方向沿炮管軸向指向后坐，其示意圖如圖2所示。

圖1 德國MASS系統(tǒng)發(fā)射裝置

圖2 單管結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 發(fā)射裝置后坐力試驗

彈體發(fā)射時的燃氣壓力作用時間很短，但其對炮身的作用卻很復(fù)雜。為分析單管發(fā)射時的后坐力情況，采用臥式發(fā)動機試驗臺、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、推力傳感器及高速攝影機等設(shè)備進行該型艦載發(fā)射裝置單管彈體發(fā)射試驗。裝配多發(fā)試驗樣機，裝填入試驗發(fā)射管，然后點火發(fā)射，通過固定在發(fā)射管后的推力傳感器采集后坐力的時間歷程數(shù)據(jù)，同時應(yīng)用高速攝影設(shè)備對彈體出膛過程進行攝錄。試驗裝置如圖3所示，彈體離膛影像如圖4所示。

圖3 試驗裝置圖

圖4 彈射離膛圖像

彈體發(fā)射試驗中，采集有效數(shù)據(jù)和圖像，試驗后對高速影像資料分析，得出出炮口時間t及推力等相關(guān)數(shù)據(jù)。對推力數(shù)據(jù)進行處理，取多次試驗平均值可形成彈射后坐力—時間曲線，如圖5所示，并讀取最大發(fā)射后坐力數(shù)據(jù)。

圖5 后坐力—時間曲線

試驗結(jié)果表明，單管發(fā)射時的后坐力峰值約為14 kN，作用時間約為9 ms。

2 緩沖試驗設(shè)計

根據(jù)上述實彈發(fā)射試驗，后坐力峰值為14 kN，有效持續(xù)時間為9 ms。為模擬該型艦載發(fā)射裝置的后坐力，本文設(shè)計了如下緩沖試驗。試驗裝置主要由落錘、撞鐵、力傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，試驗裝置示意圖如圖6所示。采用重錘下落模擬彈體發(fā)射的后坐力沖擊，控制落錘沖擊力的峰值與實測后坐力峰值相等，落錘沖擊撞鐵壓潰緩沖塊，通過測量緩沖后的沖擊力評估緩沖效果，落錘沖擊試驗原理圖如圖7所示。

圖6 緩沖試驗裝置示意圖

圖7 緩沖試驗原理圖

未設(shè)置壓潰式材料緩沖時，將質(zhì)量為30 kg 的落錘提升至33 cm高度進行空載沖擊，得到的4 次基準沖擊曲線如圖8所示。

圖8 四次基準沖擊的沖擊力—時間曲線

通過4次空載沖擊，取峰值力平均值為1 444 kgf（14.4 kN），持續(xù)時間平均值為7 ms，如表1所示，即可模擬該型艦載發(fā)射裝置后坐力。

表1 基準沖擊參數(shù)

3 緩沖材料特性及樣機狀態(tài)

3.1 緩沖材料特性

本文采用的壓潰式材料為泡沫鋁，泡沫鋁在壓縮過程中有高而寬的應(yīng)力平臺，其壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖9所示，曲線表現(xiàn)出明顯的“三階段”特征[9]。均勻的材料在其塑性變形階段的應(yīng)變范圍中，其應(yīng)力幾乎恒定不變[10]，根據(jù)這一特性可以把泡沫鋁材料應(yīng)用到緩沖結(jié)構(gòu)上。

圖9 泡沫鋁材料準靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

泡沫鋁壓縮變形過程中，大量的能量被吸收，單位體積材料吸收的能量C可由下式來表示：

式中：εd為材料壓縮至致密化開始時應(yīng)變量；σ為流動應(yīng)力；ε為應(yīng)變。

關(guān)于εd，Gibson給出了經(jīng)驗公式[11]：

式中：ρ*為材料的實際密度；ρS為孔壁實體材料的密度。

3.2 緩沖材料試驗樣品狀態(tài)

根據(jù)該型艦載發(fā)射裝置設(shè)計尺寸，確定緩沖塊安裝于不大于?80 mm、厚度20 mm 的限制條件內(nèi)，并結(jié)合采購的樣品材料，本試驗樣品采用尺寸為28 mm×28 mm 的泡沫鋁材料，待測樣品如圖10 所示，緩沖材料樣品尺寸數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 試驗用泡沫鋁材料尺寸參數(shù)

圖10 待測試驗樣品

4 緩沖試驗數(shù)據(jù)分析

4.1 試驗過程及數(shù)據(jù)記錄

將緩沖塊放入試驗裝置的傳感器上平臺導(dǎo)向筒內(nèi)，放上撞鐵，使落錘從相應(yīng)高度位置釋放沖擊撞鐵，模擬發(fā)射后坐力對緩沖材料的沖擊作用；采用力傳感器測定不同緩沖樣品作用下的壓力數(shù)值，并對數(shù)據(jù)進行處理分析，形成沖擊力—時間曲線。

泡沫鋁材料沖擊壓縮過程及試驗后狀態(tài)如圖11～12 所示。由圖可見，緩沖材料在落錘沖擊作用下發(fā)生較大形變，被壓扁壓潰，起到了良好的吸能緩沖效果。

圖11 緩沖試驗過程

圖12 試驗后樣品形態(tài)

晶胞為3 mm、厚度為10 mm 的泡沫鋁緩沖塊樣品共進行2 次試驗；晶胞為3 mm、厚度為20 mm 的泡沫鋁緩沖塊樣品共進行1 次試驗；晶胞為5 mm、厚度為20 mm 的泡沫鋁緩沖塊樣品共進行2 次試驗，沖擊結(jié)果如圖13～17所示。

圖13 泡沫鋁1號樣品試驗曲線（規(guī)格：28 mm×28 mm×10 mm、晶胞3 mm）

圖14 泡沫鋁2號樣品試驗曲線（規(guī)格：28 mm×28 mm×10 mm、晶胞3 mm）

圖15 泡沫鋁3號樣品試驗曲線（規(guī)格：28 mm×28 mm×20 mm、晶胞3 mm）

圖16 泡沫鋁4號樣品試驗曲線（規(guī)格：28 mm×28 mm×20 mm、晶胞5 mm）

圖17 泡沫鋁5號樣品試驗曲線（規(guī)格：28 mm×28 mm×20 mm、晶胞5 mm）

4.2 緩沖材料試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上述5 種泡沫鋁緩沖塊樣品的沖擊試驗情況，對比分析5條沖擊力—時間曲線的應(yīng)力平臺區(qū)時間，如圖18所示，并提取相關(guān)數(shù)據(jù)分析如表4所示。

4.3 緩沖效果對比分析

分析上述緩沖試驗，可以發(fā)現(xiàn)，泡沫鋁材料沖擊力曲線中存在明顯的應(yīng)力彈性區(qū)，也有較為標準的應(yīng)力平臺區(qū)；根據(jù)峰值力情況，同等尺寸規(guī)格下，晶胞尺寸較小時，吸能效果更好，與理論定性分析結(jié)果一致，其中泡沫鋁厚度為20 mm 時，3 mm晶胞峰值力為基準峰值的43.29%；5 mm時峰值為基準峰值的54%。同等晶胞尺寸下，材料厚度越大時，吸能效果越好，其中晶胞為3 mm 時，10 mm 厚度時緩沖后峰值為基準峰值的46.91%；20 mm厚度時為43.29%。經(jīng)緩沖后作用力持續(xù)時間可延長2～3倍。

圖18 對比分析5條沖擊力-時間曲線

表4 泡沫鋁緩沖塊緩沖試驗數(shù)據(jù)分析

5 結(jié)束語

本文通過某型艦載發(fā)射裝置實彈射擊試驗采集了其后坐力曲線；設(shè)計緩沖試驗?zāi)M同等后坐力沖擊，驗證了該型艦載發(fā)射裝置后坐緩沖技術(shù)的有效性；在進行緩沖測試試驗的同時，還對比分析了緩沖件在不同狀態(tài)時的緩沖效果，可得出以下結(jié)論：

（1）采用泡沫鋁材料設(shè)計該型艦載發(fā)射裝置后坐緩沖裝置具有可行性，緩沖效果良好；

（2）在該緩沖技術(shù)設(shè)定的緩沖件尺寸規(guī)格下，緩沖材料晶胞尺寸較小時，吸能效果更明顯；

（3）在同等晶胞尺寸下，緩沖材料厚度較大時，吸能效果更明顯。

在本文進行的試驗研究基礎(chǔ)上，后續(xù)將對該型艦載發(fā)射裝置后坐緩沖裝置進行有限元仿真分析，完成緩沖裝置的參數(shù)優(yōu)化，為實現(xiàn)該型艦載發(fā)射裝置后坐緩沖技術(shù)的工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。