常 亞，郭保全，丁 寧，黃 通，欒成龍

(1 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 太原 030051；2 中北大學(xué)軍民融合協(xié)同創(chuàng)新研究院,太原 030051；3 火箭軍工程大學(xué)兵器發(fā)射理論與技術(shù)軍隊(duì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710025)

0 引言

單兵筒式武器主要用于一定距離上攻擊敵方坦克、步兵戰(zhàn)車、軍事器材和野戰(zhàn)工事等戰(zhàn)術(shù)任務(wù)。該武器具有輕質(zhì)量、高機(jī)動(dòng)性、便于攜行等優(yōu)點(diǎn)，使其迅速成為現(xiàn)代步兵反坦克、反裝甲的骨干力量，在執(zhí)行空降等特種作戰(zhàn)任務(wù)的部隊(duì)中也廣泛應(yīng)用[1]。21世紀(jì)以來，由于城市反恐作戰(zhàn)、山地戰(zhàn)和兩棲戰(zhàn)等作戰(zhàn)環(huán)境在未來戰(zhàn)爭(zhēng)中的地位越來越突出，單兵筒式武器也在朝著適應(yīng)新戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境而快速發(fā)展，特別是在有限空間內(nèi)的發(fā)射能力，進(jìn)一步拓展了其使用環(huán)境[2]。

目前，針對(duì)單兵筒式武器“有限空間發(fā)射”作戰(zhàn)性能，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了深入研究，提出了以平衡拋射為主的多種低特征發(fā)射原理[3-4]。其中，液體平衡發(fā)射技術(shù)由于具有發(fā)射特征小、性價(jià)比高的特點(diǎn)，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外多種單兵筒式武器中得到應(yīng)用。對(duì)液體平衡發(fā)射技術(shù)的相關(guān)研究，主要集中在內(nèi)彈道和外流場(chǎng)上[5-8]。

以某型單兵筒式武器為研究對(duì)象，通過分析采用液體平衡發(fā)射技術(shù)的單兵筒式武器發(fā)射過程，分解了受力流程，建立了單兵筒式武器發(fā)射過程受力模型和仿真模型，分析了基于液柱平衡體的單兵筒式武器動(dòng)力學(xué)特性，研究結(jié)果對(duì)單兵筒式武器有限空間發(fā)射技術(shù)的發(fā)展具有一定的參考價(jià)值。

1 發(fā)射過程概述

1.1 基本原理

采用液體平衡發(fā)射技術(shù)的單兵筒式武器主要由發(fā)射筒、彈丸、燃燒室、噴管和液柱平衡體等部分組成。液柱平衡體布置在藥筒尾端，通過隔板與發(fā)射藥燃燒室分開，其底部設(shè)置一個(gè)擋板，用以密封藥筒，阻滯平衡體移動(dòng)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單兵筒式武器結(jié)構(gòu)示意圖

在射擊過程中，火藥燃?xì)馔苿?dòng)彈丸和液柱平衡體分別向發(fā)射筒兩端移動(dòng)，彈丸進(jìn)入膛線部運(yùn)動(dòng)，液柱平衡體進(jìn)入噴管部運(yùn)動(dòng)。因此，基于液柱平衡體的單兵筒式武器平衡發(fā)射過程按照力的傳遞過程分為5個(gè)階段：火藥燃?xì)馔屏ζ胶怆A段，膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力和藥筒摩擦力作用階段，氣液混合擴(kuò)張產(chǎn)生反作用力階段，氣體擴(kuò)張產(chǎn)生反作用力階段以及炮口沖擊力與氣體擴(kuò)張產(chǎn)生反作用力平衡階段。

1.2 受力模型

1.2.1 開始點(diǎn)火到彈丸與液柱平衡體同時(shí)運(yùn)動(dòng)

彈丸和液柱平衡體同時(shí)受到火藥燃?xì)馔屏ψ饔?，彈丸開始逐漸啟動(dòng)，彈帶擠入膛線，彈丸受到擠進(jìn)阻力的作用，但由于彈帶較短，擠入時(shí)間和擠入行程一般忽略不計(jì)，液柱平衡體也由于藥筒底部擋板張力的阻滯而靜止不動(dòng)，彈丸擠進(jìn)壓力作用在身管上，方向沿軸線向前，擋板張力經(jīng)藥筒壁傳遞作用在噴管前端面上，方向沿軸線向后。即有：

Fj=Fz

(1)

式中:Fj為彈丸擠進(jìn)阻力；Fz為擋板張力。

1.2.2 從彈丸開始運(yùn)動(dòng)到液柱平衡體進(jìn)入噴管

彈丸在身管膛線引導(dǎo)下做軸線向前的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在軸線方向上受到膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力軸向分力和火藥燃?xì)獾墓餐饔?。而液柱平衡體推開藥筒底部擋板的阻滯，在火藥燃?xì)獾淖饔孟卵剌S線向后運(yùn)動(dòng)，與藥筒內(nèi)壁面相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生摩擦阻力。膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力軸向分力反作用在身管上，方向沿軸線向前，摩擦阻力作用在藥筒內(nèi)壁面，經(jīng)藥筒壁傳遞到噴管前端面，方向沿軸線向后。即

ma=Fp-Fd

(2)

mpap=Fp-Fm

(3)

Fs=Fm-Fd

(4)

式中:m和mp分別為彈丸和液柱平衡體質(zhì)量；a和ap分別為彈丸和液柱平衡體加速度；Fp為火藥燃?xì)庾饔昧?；Fd為導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力軸向分力；Fm為藥筒摩擦阻力；Fs為筒式發(fā)射裝置不平衡力。

1.2.3 從液柱平衡體開始進(jìn)入到完全噴出

彈丸受到膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力軸向分力和火藥燃?xì)夤餐饔美^續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，液柱平衡體受到火藥燃?xì)馀c藥筒摩擦阻力作用向后運(yùn)動(dòng)，在高溫燃?xì)庾饔孟?，液柱平衡體與燃?xì)庵饾u發(fā)生摻混、沖刷和霧化，形成氣液混合相向外噴出。氣液混合相與藥筒內(nèi)壁面產(chǎn)生摩擦阻力的同時(shí)，部分介質(zhì)作用在噴管上，形成混合相作用下的噴管推力，噴管推力軸向分力沿軸線向前。即有：

Fs=Ff-Fd-Ft

(5)

式中Ft為噴管推力軸向分力。

1.2.4 從液柱平衡體完全噴出噴管到彈丸離開身管

彈丸繼續(xù)受到膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力軸向分力和火藥燃?xì)獾墓餐饔茫捎谝褐胶怏w已經(jīng)完全被推出噴管，液柱平衡體的摩擦阻力消失，剩下火藥燃?xì)鈱?duì)藥筒內(nèi)壁面的摩擦阻力作用。此時(shí)，膛內(nèi)剩余火藥燃?xì)饨?jīng)噴管擴(kuò)張后繼續(xù)向后噴出，產(chǎn)生沿軸線向前的作用推力，筒式發(fā)射裝置總體上受到方向沿軸線向前的導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力軸向分力和噴管推力軸向分力以及方向沿軸線向后的火藥燃?xì)饽Σ磷枇Φ墓餐饔谩＜?/p>

Fs=Fm1-Fd-Ft1

(6)

式中：Fm1為燃?xì)鉀_刷產(chǎn)生的藥筒摩擦阻力；Ft1為火藥燃?xì)猱a(chǎn)生的噴管推力軸向分力。

1.2.5 從彈丸離開身管到恢復(fù)射擊前的狀態(tài)

膛內(nèi)剩余燃?xì)鈴耐彩桨l(fā)射裝置兩端流出，直至身管內(nèi)部與大氣壓平衡。在炮口部，燃?xì)鈬姵龊笈蛎洰a(chǎn)生沿軸線向后的作用力；在噴管部形成沿軸線向前的作用力。即有：

Fs=Ft1-Fq

(7)

式中Fq為炮口部燃?xì)馀蛎洰a(chǎn)生的作用力。

顯然，單兵筒式武器發(fā)射過程中的不平衡力主要由身管膛線部產(chǎn)生的導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力和噴管部受到的作用合力兩部分組成。

2 噴管部作用合力分析

噴管部作用合力由噴管前端面受到的藥筒作用力和噴管內(nèi)壁受到的噴管推力組成。為探究噴管部作用合力變化特性，以某型筒式武器為研究對(duì)象，利用Fluent軟件建立噴管仿真模型如圖2所示，其中，P1P2為燃?xì)馍淞魅肟?，定義為壓力入口邊界，P1P3和P3P4為簡(jiǎn)化噴管無厚度壁面，定義為無滑絕熱壁面，P5P6P7P8為外流場(chǎng)入口，定義為壓力遠(yuǎn)場(chǎng)邊界，P7P8為羽流流場(chǎng)出口，定義為壓力出口邊界，P2P8為旋轉(zhuǎn)軸。

圖2 噴管仿真模型

2.1 噴管推力

根據(jù)拉瓦爾噴管受力特點(diǎn)，噴管推力主要由兩部分作用力組成，即作用在收斂段的型面阻力和作用在擴(kuò)張段的正推力，即有：

Ft=Ftx+Ftz

(8)

式中：Ftx為型面阻力；Ftz為擴(kuò)張段正推力。

仿真得擴(kuò)張段正推力和收斂段型面阻力變化如圖3所示。從A點(diǎn)起，液體工質(zhì)開始作用在噴管收斂段，型面阻力逐漸增大，從B點(diǎn)起液體工質(zhì)進(jìn)入擴(kuò)張段，擴(kuò)張段正推力開始增大；C點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻膛內(nèi)壓力達(dá)到最大值，型面阻力出現(xiàn)峰值，液體工質(zhì)開始離開噴管；D點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻液體工質(zhì)即將全部離開噴管，擴(kuò)張段正推力達(dá)到最大值；到達(dá)E點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻時(shí)，液體工質(zhì)在大氣中得到極大擴(kuò)散，對(duì)火藥燃?xì)饷荛]作用減弱，火藥燃?xì)饬魉僭龃?，作用在收斂段型面阻力和作用在擴(kuò)張段正推力也依次產(chǎn)生小幅度的增加，然后隨著膛內(nèi)壓力的下降而逐漸減小。

圖3 液柱平衡體對(duì)噴管推力的影響

噴管尾端面的質(zhì)量流速如圖4所示。結(jié)合圖3可以看出，在C點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻，噴管尾端面的質(zhì)量流速開始增大，并快速上升后下降，直至D點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻，液體工質(zhì)被全部迅速的噴出噴管；此時(shí)，噴管尾端面的質(zhì)量流速仍然保持較為緩慢的下降速度，這是因?yàn)?，剛噴出噴管的液體工質(zhì)依然對(duì)火藥燃?xì)獯嬖谝欢ǖ拿荛]作用；直到一段時(shí)間后，液體工質(zhì)在大氣中得到充足的擴(kuò)散，對(duì)火藥燃?xì)獾拿荛]作用減弱，火藥燃?xì)饬魉俣虝涸龃蠛箅S著膛內(nèi)壓力減小而逐漸下降。

圖4 噴管尾端面質(zhì)量流速變化規(guī)律

2.2 藥筒作用力

藥筒作用力主要是膛內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)與藥筒內(nèi)壁的摩擦阻力經(jīng)藥筒壁傳遞作用在噴管前端面上。仿真計(jì)算得藥筒內(nèi)壁的摩擦阻力變化如圖5所示。

圖5 摩擦阻力變化規(guī)律

由于液體工質(zhì)在筒內(nèi)移動(dòng)距離較短，在尾部擋板破碎之后，經(jīng)過短暫距離的平直段運(yùn)行后，進(jìn)入噴管收斂部。此時(shí)膛內(nèi)壓力仍處于上升過程中，摩擦阻力隨膛壓的增加而逐漸增大，直至液體工質(zhì)進(jìn)入噴管收斂部，摩擦阻力開始下降，并在液體工質(zhì)對(duì)火藥燃?xì)饷荛]作用減弱，火藥燃?xì)饬魉僭黾又?，摩擦阻力再次增大，然后再隨膛壓的減小而逐漸減小。

噴管部作用力合力的變化規(guī)律如圖6所示。由圖6可知，由于液體工質(zhì)在噴管收斂段和擴(kuò)張段作用時(shí)間差的存在，使得噴管部作用力合力在作用前期呈現(xiàn)出“上下振蕩”的趨勢(shì)，直至液體工質(zhì)對(duì)火藥燃?xì)饷荛]作用減弱之后，噴管部作用力合力逐漸呈平穩(wěn)變化趨勢(shì)。同時(shí)，由于收斂半角較大，收斂段對(duì)液體工質(zhì)的阻滯作用增大，且與擴(kuò)張段作用時(shí)間差較大，使得噴管部作用力合力前期振蕩峰值較大，不利于射擊時(shí)穩(wěn)定。

圖6 噴管部作用力合力變化規(guī)律

3 膛線部導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力分析

筒式武器均采用等齊膛線型式。即有：

(9)

式中:N為等齊膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力;n為膛線條數(shù);ρ為彈丸回轉(zhuǎn)半徑;r為彈丸半徑;pd為彈底壓力;S為發(fā)射筒截面面積;α為纏角。

膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力隨時(shí)間變化曲線如圖7所示。由圖7可知，從F點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻開始，彈丸完成擠進(jìn)過程，開始進(jìn)入膛線部運(yùn)動(dòng)；到達(dá)G點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻時(shí)，液體工質(zhì)開始作用在噴管部，液體工質(zhì)受到的阻滯作用增強(qiáng)，引起膛內(nèi)壓力發(fā)生變化，使得導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力出現(xiàn)小波動(dòng)后繼續(xù)隨膛壓的增大而增大；到H點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻，膛內(nèi)壓力達(dá)到最大值，導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力也因此達(dá)到峰值，隨著液體工質(zhì)的逐漸噴出，膛內(nèi)壓力迅速下降，導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力也隨之迅速下降；直至M點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻，液體工質(zhì)全部噴出噴管。

圖7 膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力變化規(guī)律

4 結(jié)論

通過對(duì)基于液柱平衡體的單兵筒式武器受力過程進(jìn)行分析,建立了單兵筒式武器發(fā)射過程的受力模型和仿真模型，得出以下結(jié)論：

1)噴管部作用合力在射擊前期產(chǎn)生的作用力“上下振蕩”現(xiàn)象是造成筒式武器射擊不穩(wěn)定的主要因素。

2)液體工質(zhì)在噴管收斂段和擴(kuò)張段的作用時(shí)間差是噴管部作用力合力在射擊前期呈現(xiàn)出“上下振蕩”的根本原因，可以從這一角度對(duì)噴管部作用力合力進(jìn)行優(yōu)化，以減小振蕩幅值。

3)由于射擊中期液體工質(zhì)對(duì)火藥燃?xì)饷荛]作用下降，噴管部作用力合力會(huì)出現(xiàn)短暫的上升，然后隨著膛壓的下降而不斷減小。

4)膛線部的導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力在射擊前期對(duì)發(fā)射筒穩(wěn)定性影響相對(duì)較小，在射擊后期，即液柱平衡體對(duì)火藥燃?xì)獠划a(chǎn)生影響以后，膛線部導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力與噴管部作用力合力近似相互抵消，共同保持射擊穩(wěn)定。