曹塬，羅建華，何予涵

（西安北方光電科技防務有限公司，西安 710043）

引言

從1949年至今，我國武器裝備經(jīng)歷了從引進、仿制到自主研發(fā)的過程，時至今日在武器裝備性能上取得了顯著的成就。在解決了從無到有的問題后，可靠性成為我國武器裝備發(fā)展急需解決的問題。在各類針對武器裝備的環(huán)境試驗、可靠性試驗中，我國也經(jīng)歷了從技術(shù)引進到自主研發(fā)的過程，當前面臨著提高試驗精準度、減少試驗故障、保障試驗質(zhì)量的難題與瓶頸。

近年來末制導炮彈產(chǎn)品百花齊放，炮射武器裝備的力學強度抗沖擊性長期以來是研發(fā)、生產(chǎn)過程中的難點，也是考核產(chǎn)品各項性能中的重點。在炮射試驗中，發(fā)射藥量、環(huán)境溫濕度、筒壁溫度等均是影響試驗過載的重要因素，如何在高過載下保證試驗過載的精準度，排除模擬炮射試驗中不穩(wěn)定因素，是模擬炮射武器試驗設備使用與維護的重點。

1 模擬炮射試驗簡介

1.1 試驗目的

用模擬末制導炮彈發(fā)射瞬間，驗證被試品各零部件與整體抗高過載能力。通過試驗檢查被試品外觀與物理結(jié)構(gòu)變化，測試被試品性能，并分解被試品，檢測各零部件抗沖擊能力，以此判斷其整體與部件的抗高過載性能、安全性、可靠性等是否滿足產(chǎn)品的要求。

1.2 模擬試驗原理

在模擬炮射裝置內(nèi)，用專用固定工裝，將被試品固定于試驗艙內(nèi)，通過調(diào)整發(fā)射藥量和燃燒室體積以控制過載大小，并以試驗后銅柱的潰縮量經(jīng)公式計算獲取所需的過載加速度值，以此模擬末制導炮彈的實彈發(fā)射瞬間，如圖1所示。

1.3 試驗臺工作過程

將加速部件5（見圖1）靠向模擬炮膛1并用螺母與其固定，裝有被試品的試驗艙2位于試驗臺加速室內(nèi)，發(fā)射藥筒3裝入試驗臺裝藥室內(nèi)并緊貼試驗艙2底部的鋁柱，關(guān)閉閂體，試驗臺管子內(nèi)腔充滿壓縮空氣，其壓力值達（1.7±0.15）MPa。

圖1 模擬炮射試驗臺

當試驗臺控制柜電路給發(fā)射藥筒尾部電點火器提供電壓時，發(fā)射藥被引燃，在燃燒形成的氣體壓力作用下，試驗艙加速，加速度作用在被試品上。

當試驗艙運動經(jīng)過排氣窗口時，發(fā)射藥筒燃氣排入大氣中，而產(chǎn)品試驗艙行進到模擬炮膛內(nèi)，空氣被壓縮、產(chǎn)生制動。被試驗艙壓縮的空氣，從模擬炮膛經(jīng)連接孔進入側(cè)管，再從側(cè)管進入試驗艙后面的空間。

試驗艙被制動停下，并在壓縮空氣的作用下開始反向運動，此時壓縮其后面的空氣并將其經(jīng)孔、側(cè)管排入模擬炮膛前部。在試驗艙反向運動停止后，在其后面的壓縮空氣作用下，重新向前運動。試驗艙在模擬炮膛內(nèi)可能要往復運動幾次，才可完全停頓下來。

至此，試驗臺工作結(jié)束。從試驗臺上取出試驗艙，并從試驗艙中取出被試品，進行試驗結(jié)果分析。

1.4 過載加速度測量方法

1.4.1 膛壓法

被試品應在模擬炮射試驗臺內(nèi)與實際火炮內(nèi)所受直線慣性力相等，膛壓與時間的曲線相似，公式、曲線（圖2）如下[1]：

圖2 模擬炮射試驗臺發(fā)射時（P-t）曲線

式中：

F1—火炮發(fā)射時被試品所受力的數(shù)值，單位為牛頓（N）；

F2—模擬炮射試驗設備發(fā)射時被試品所受力的數(shù)值，單位為牛頓（N）；

P1—火炮發(fā)射時膛壓數(shù)值，單位為兆帕（MPa）；

P2—模擬炮射試驗設備發(fā)射時膛壓數(shù)值，單位為兆帕（MPa）；

CK—膛內(nèi)模擬系數(shù)；

G1—實際炮彈重量數(shù)值，單位為千克（kg）；

G2—試驗艙（包含被試品）重量數(shù)值，單位為千克（kg）；

D1—實際炮彈直徑數(shù)值，單位為毫米（mm）；

D2—試驗艙直徑數(shù)值，單位為毫米（mm）。

膛壓法的基本原理是牛頓第二定律F=ma，因此可知：

式中：

a—加速部件的加速度；

P—加速部件所受壓強；

m—加速部件質(zhì)量；

S—加速部件截面積。

1.4.2 測壓銅柱測量法

模擬炮射試驗過載值的測量與計算，是由試驗艙底座的測壓銅柱，利用金屬受力產(chǎn)生塑性形變的特性，通過測量測壓銅柱的變形量，經(jīng)計算確定其受到的作用力，從而得出過載值的一種物理測量方法，如圖3所示。

圖3 測壓銅柱測量法原理示意圖

試驗時，將測量裝置與試件鋼性連接到試驗艙的運動體上，當氣體或發(fā)射藥作用產(chǎn)生瞬間強沖擊，慣性體由于慣性不會立即隨導向安裝裝置向前移動，而是相對導向安裝裝置在慣性體運動腔內(nèi)反向移動，壓縮測壓銅柱，使測壓銅柱產(chǎn)生塑性變形。測量裝置與試件鋼性連接，可以認為測得測量裝置所受到得過載即為試件得過載。其過載值計算公式如下：

式中：

A—加速度；

P—測壓銅柱對照表數(shù)據(jù)（測壓銅柱生產(chǎn)廠家提供的對照表）；

S—銅柱受力面積；

Dd—銅柱重量；

Ddp—慣性體重量。

2 影響試驗過載因素

在試驗過程中，影響過載值的因素，主要與發(fā)射藥、試驗臺各部件物理結(jié)構(gòu)有關(guān)。其中發(fā)射藥的溫度、濕度是影響其燃燒產(chǎn)生助推能量大小的主要因素。試驗艙與模擬炮膛間隙、燃燒室的大小，是影響最終過載值的關(guān)鍵因素。

2.1 發(fā)射藥溫度

在模擬末制導炮彈炮射試驗中，影響試驗過載的最主要因素是對發(fā)射藥的溫度、濕度控制。關(guān)于溫度對發(fā)射藥化學反應速率的影響，常用阿累尼烏斯公式表示：

式中：

k—表示反應速率的反應速率常數(shù)。

由公式（7）可知，溫度越高，發(fā)射藥反應速率越快，在其他試驗條件不變的情況下，試驗過載越大。

2.2 發(fā)射藥濕度

發(fā)射藥在某一特定溫度下，絕對濕度在由小增大的過程中，反應速率呈由慢至快、再由快至慢的過程，直至無法燃燒。發(fā)射藥的絕對濕度大小與發(fā)射藥反應速率成不規(guī)律關(guān)系[2]。

2.3 發(fā)射藥燃燒室大小

發(fā)射藥筒與試驗艙底座之間的燃燒室，其空間體積越大，燃燒后產(chǎn)生的壓強則越小，若空間體積越小，則燃燒后產(chǎn)生的壓強越大。

2.4 試驗艙與模擬炮膛間隙

發(fā)射藥引燃后產(chǎn)生的助推能量會因試驗艙與模擬炮膛的間隙而部分損失，在試驗過程中，間隙會因試驗艙與模擬炮膛的反復摩擦而逐漸增大，助推能量損失的程度，取決于間隙的大小。

3 實際試驗控制

對于發(fā)射藥溫度、濕度的控制，可以使用專用恒溫恒濕箱，從而保證試驗所需過載。關(guān)于燃燒室空間體積的大小，由于發(fā)射藥筒緊貼試驗艙底座凸起的鋁柱，則其空間體積大小可以通過調(diào)整試驗艙底座鋁柱的長短來控制。但試驗艙與模擬炮膛的間隙變化，則相對難以把控。

4 密封間隙與過載關(guān)系分析

在模擬末制導炮彈炮射過程中，試驗艙在發(fā)射與退回時與模擬炮膛會進行反復摩擦，產(chǎn)生磨損，使二者間隙增大。其中，試驗艙所用鋼材質(zhì)為30GrMnSi，模擬炮膛鋼材質(zhì)為某特殊鋼材，在兩種材質(zhì)鋼摩擦過程中，模擬炮膛磨損可忽略不計，其二者密封間隙的增大，主要為試驗艙的30GrMnSi材質(zhì)磨損。我們以正向加速度（10 000±500）g為試驗目標，在相同的配重（3 kg）、發(fā)射藥溫度（25.5 ℃）、發(fā)射藥濕度（37 %）條件下分別用3枚同型號不同使用程度的試驗艙， 通過調(diào)整發(fā)射藥量進行驗證，并根據(jù)過載值計算公式得到所需對比的過載。

第一組數(shù)據(jù)，取某型號（1#）新試驗艙A，其外徑為生產(chǎn)圖紙尺寸2 103.81 mm，模擬炮膛內(nèi)徑為2 104.21 mm，A艙外徑與模擬炮膛內(nèi)徑間隙（圖1，6號位）為0.40 mm。以470 g發(fā)射藥進行4次試驗，并根據(jù)公式算出試驗過載值，得到表1數(shù)據(jù)。其中正向加速度4發(fā)平均值為9 998.50 g，反向加速度平均值為369.50 g。

表1 試驗艙A試驗對比數(shù)據(jù)

第二組數(shù)據(jù)，取同型號（1#）已發(fā)射500次試驗艙B，其外徑尺寸因試驗過程磨損減小為2 103.68 mm，模擬炮膛內(nèi)徑為2 104.21 mm，B艙外徑與模擬炮膛內(nèi)徑間隙為0.53 mm。以470 g發(fā)射藥進行4次試驗，得到表2中序號B1-B4數(shù)據(jù)，正向加速度平均值為9 162.75 g，反向加速度平均值為319.50 g。

將發(fā)射藥增加5 g至475 g進行4次試驗，得到表2中序號B5-B8數(shù)據(jù)。正向加速度平均值為9 941.50 g ，反向加速度平均值為388.75 g。

表2 試驗艙B試驗對比數(shù)據(jù)

第三組數(shù)據(jù)，取同型號（1#）已發(fā)射2 000次試驗艙C，外徑尺寸為2 103.34 mm，模擬炮膛內(nèi)徑為2 104.21 mm，C艙外徑與模擬炮膛內(nèi)徑間隙為0.87 mm。以470 g發(fā)射藥進行4次試驗，得到表3中序號C1-C4數(shù)據(jù)，正向加速度平均值為8 192.25 g，反向加速度平均值為286.00 g。

將發(fā)射藥由470 g逐次遞增5 g至490 g，進行4次試驗，得到表3中序號C5-C8數(shù)據(jù)。正向加速度平均值為8 400.25 g，反向加速度平均值為324.50 g。

表3 試驗艙C試驗對比數(shù)據(jù)

根據(jù)三組試驗數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)在470 g發(fā)射藥條件下，A、B、C三個試驗艙分別得到平均正向加速度A：9 998.50 g、B：9 162.75 g、C：8 192.25 g。由于磨損程度不同，試驗艙外徑與炮膛內(nèi)徑的間隙逐漸增大，密封性能逐漸減小，導致發(fā)射藥引燃后加速度因二者間隙增大導致?lián)p失程度逐漸增大，影響所需試驗結(jié)果，如圖4所示。

對比表1與表2（B5-B8）數(shù)據(jù)，得到A、B試驗艙平均正向加速度分別為A：9 998.50 g、B：9 941.50 g。我們發(fā)現(xiàn)通過增加發(fā)射藥量，可以彌補因試驗艙與模擬炮膛間隙增大而導致的能量損失增大，從而得到目標加速度值。

對比表3中C1-C4與C5-C8數(shù)據(jù)，在發(fā)射藥量為470 g時，平均正向加速度為8 192.25 g。通過逐步增加發(fā)射藥量后，雖然試驗加速度值有所增加，C5-C8平均正向加速度8 400.25 g，但最大值只有8 493 g，出于安全考慮無法增加更多發(fā)射藥量，并且對比C5、C6和C7、C8數(shù)據(jù)，加速度值并沒有因發(fā)射藥量增加而增大，試驗艙與模擬炮膛間隙增大而導致的能量損失，在到達一定程度后，無法通過增加發(fā)射藥量來解決過載過小問題。

4 總結(jié)

本文通過三組不同條件下的試驗數(shù)據(jù)對比，分析了模擬末制導炮彈炮射試驗中，因試驗艙磨損而導致加速度值減小的情況，并對解決方法進行了分析。

通過數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)射藥引燃后提供的助推能量，會因試驗艙與模擬炮膛的間隙而發(fā)生能量損失，間隙的大小在一定范圍內(nèi)，能量損失可通過增加發(fā)射藥量的方法來解決，并得到所需目標過載值。但間隙過大時，在安全范圍內(nèi)增加發(fā)射藥量已無法彌補過大的能量損失，且過載并不會因增加發(fā)射藥量而繼續(xù)增大，此時只能通過制作新試驗艙，或更換新試驗艙底座來解決間隙過大問題。

在模擬炮射試驗工作中，實驗室應有備用試驗艙與備用試驗艙底座，以確保試驗準確率與試驗進度。本文可為同類試驗的故障分析與解決方案提供參考依據(jù)。