程玉川,董昌灝,余永剛,張 雷,管廷偉

(1.中國人民解放軍63850部隊,吉林 白城 137001;2.南京理工大學 能源與動力工程學院,江蘇 南京 210094)

發(fā)射藥溫度會直接影響裝藥的燃燒速度,進而影響膛壓和初速的變化[1-2]。國軍標對彈藥保溫平衡時間的要求為:57 mm口徑以下恒溫時間不少于24 h,57～100 mm口徑恒溫時間不少于36 h,100～155 mm口徑恒溫時間不少于48 h[3]。同國外標準相比,國軍標規(guī)定的保溫平衡時間較長,制約著靶場彈藥性能鑒定試驗的效率。

姜波等[4]針對130 mm火炮建立發(fā)射裝藥三維模型,對發(fā)射裝藥內部溫度變化規(guī)律進行數值模擬,得到彈藥及其相關部件保低溫時的保溫平衡時間。姜波等[5]通過對仿真過程分析,找出影響彈藥溫度場仿真結果的幾個因素。黃鳳良等[6]開展了大口徑發(fā)射裝藥多層壁面包裝的多孔介質溫度場測定與數值計算。薛青等[7]對某型發(fā)射裝藥開展保溫時間仿真研究。齊杏林等[8]針對6種口徑的彈藥進行彈藥保溫試驗,得到了一些有意義的研究結果。陸欣等[9]采用多孔介質傳熱理論,建立了火炮裝藥傳熱模型。宋艾平[10]等基于BP神經網絡的彈藥傳熱模型,以某兩型榴彈的傳熱規(guī)律進行了仿真計算。綜上所述,文獻僅針對有限的幾種彈藥開展了保溫平衡時間研究,覆蓋面不廣,代表性不夠。

基于此,本文針對不同口徑的12種現役典型彈藥的發(fā)射裝藥進行實驗室測試,模擬靶場試驗真實保溫過程,獲取整個保溫過程中發(fā)射裝藥內部的溫度變化數據,得到彈藥保溫溫度變化曲線,研究結果可為后續(xù)相關標準修訂等工作提供重要參考。

1 實驗設備與測試方案

國軍標對試件不工作時保溫平衡時間的規(guī)定為:當試件中具有最大溫度滯后效應的功能部件溫度達到試驗溫度時,則認為試件達到了不工作時的溫度穩(wěn)定[11]。為了準確獲取彈藥的保溫平衡時間,首先需找出彈藥在溫度試驗過程中最后一個達到溫度穩(wěn)定的位置,即“彈藥熱學中心”。彈藥熱學中心點溫度穩(wěn)定即可視為彈藥溫度穩(wěn)定,也即所說的“保透”。

以圓柱形藥柱為例,其彈藥熱學中心如圖1所示。當發(fā)射藥溫度與環(huán)境溫度出現溫差時,從藥柱表面(端面和側面)同時向藥柱中心處發(fā)生熱傳導現象。根據熱傳導的“傅里葉定律”可知,傳熱速率與該方向的溫度梯度成正比。由此可得,對于端面?zhèn)鳠醽碚f,到端面的距離大于圓柱半徑(x>r)的位置是達到穩(wěn)定溫度較晚的位置;對于側面?zhèn)鳠醽碚f,由于圓柱形藥柱是軸對稱的,因此最后達到溫度穩(wěn)定的位置是中心軸線。

綜上所示,圓柱型藥柱的彈藥熱學中心位于圖1所示的o′-o″線段上。考慮到實際藥柱并不是標準的圓柱形,因此定義“彈藥熱學中心”為o′-o″線段上對應的發(fā)射裝藥直徑最大的位置。對于具有中心傳火管或者中空可燃紙筒結構的發(fā)射藥,其彈藥熱學中心在火藥與傳火管的交界面處。

圖1 彈藥熱學中心示意圖Fig.1 Schematic diagram of ammunition thermal center

本文通過在發(fā)射裝藥內部預置微型溫度傳感器的方法進行藥溫測量。

1.1 彈藥改裝

選取30～155 mm共計11種口徑的12種現役典型彈藥的發(fā)射裝藥進行改裝。對藥?；蛩幨睆酱笥? mm的發(fā)射裝藥進行鉆孔,鉆孔深度大于6 mm,將傳感器探頭插入孔內并置于發(fā)射裝藥的熱學中心點、橫向1/2、3/4處或擬測試溫度的特征點位;對于藥粒直徑小于5 mm的小口徑彈藥,在藥筒兩側壁鉆孔,將傳感器探頭用絕熱細線固定,置于藥筒熱學中心或裝藥肉厚1/2處;傳感器引線從底火孔引出,并對所有鉆孔進行絕熱密封處理,防止不合理傳熱。

1.2 藥溫測試系統(tǒng)構建

圖2 溫度測試系統(tǒng)結構圖Fig.2 Structure diagram of temperature testing system

圖3 數據采集設備照片Fig.3 Photos of data acquisition equipment

溫度傳感器選用4線RTD Pt100鉑電阻測量溫度,其測溫范圍可達-200 ℃～630 ℃,測量精度可達±0.1 ℃(A級),穩(wěn)定度好,重要的是其探頭尺寸小,約3 mm×5 mm。圖4是“小探頭”4線RTD Pt100溫度傳感器。

圖4 4線制RTD Pt100溫度傳感器Fig.4 Four-wire RTD Pt100 temperature sensor

1.3 實驗室測試過程

實驗室測試包括以下4個升、降溫測試過程:

①20～-40 ℃低溫測試;

②20～-55 ℃低貯測試;

③15～50 ℃高溫測試;

④15～70 ℃高貯測試。

1.4 數據采集

采用溫度測試系統(tǒng)對上述4個過程分別進行測試,初始溫度穩(wěn)定后開始采樣,測試采樣間隔設為1 min,采集時間持續(xù)到所有測試點溫度與周圍溫場溫度達到平衡(與目標溫度偏差小于0.5 ℃)并保持穩(wěn)定1 h以上停止采集,并保存數據。

2 數據處理與分析

2.1 保溫平衡時間計算

由于環(huán)境試驗設備內部溫度場均勻度和噪聲的影響,本文設計了一種彈藥保溫平衡時間計算方法:首先將原始數據進行濾波處理,然后計算試件溫度與試驗目標溫度達到規(guī)定溫度允差的穩(wěn)定時間。具體計算步驟如下所述:

① 對采集的彈藥熱學中心溫度θc進行滑動平均濾波處理,其表達式為

(1)

式中:N為滑動窗口的寬度,t為時間變量。

② 計算yc溫度與試驗目標溫度θE偏差小于等于允差(本文規(guī)定允差為±0.5 ℃)時所用的時間t0,其表達式為

|yc(t)-θE|≤δ

(2)

t0=min(t)t∈[0,L]

(3)

式中:L為溫度采集時長,單位為min,δ為允差。

③ 對同一種彈藥的多個樣本,取t0中最大值為該類彈藥的保溫平衡時間。

2.2 誤差分析與控制措施

測試系統(tǒng)采集的數據不可避免地會引入誤差,本實驗中的誤差來源主要分為三類:試驗條件誤差、測量精度誤差和數據處理誤差。

首先,試驗條件誤差主要受環(huán)境模擬試驗設備溫度場均勻度、波動度、風速、升降溫速率、彈藥內傳感器放置位置偏差等多種因素的綜合影響;本次實驗通過預先調整試驗箱技術狀態(tài)、精準布設傳感器位置等措施有效地減小了試驗條件誤差。

其次,測量精度誤差主要由測試設備和傳感器的精度決定;本次測溫實驗采用的是先進的Keithley 2750數據采集系統(tǒng),采用GPIB總線提高了采集速度,確保了各傳感器采樣時間的同步性,并對測量數據進行了濾波處理,從而最大程度地減小了測量精度帶來的誤差。

最后,數據處理誤差主要是指通過測得的溫度隨時間變化的數據來確定保溫平衡時間時造成的誤差;根據設定的允差(δ=±0.5 ℃),分別對12種不同發(fā)射藥在4種升/降溫實驗工況下的保溫平衡時間選取進行了誤差分析,得到的誤差范圍均在5%以內。

2.3 溫度穩(wěn)定時間分析

將測試數據生成了一系列溫度隨時間變化的曲線圖,從測試數據比對分析可得出:

①彈藥的保溫平衡時間與彈藥裝藥的徑向厚度、裝藥類型、裝藥密度以及裝藥結構均有關;

②盡管155 mm彈藥口徑最大,但由于裝藥中心存在傳火管和中空的可燃紙筒結構,其保溫平衡時間反而有所縮短;

③彈藥內部不同位置的傳感器溫度變化規(guī)律均表現為:徑向從外向里傳熱速率越來越慢,保溫平衡時間越來越長;

④此次實驗室測試所有彈種保溫平衡時間均包含了設備升、降溫段時間,其中:50 ℃用時22 min,70 ℃用時42 min,-40 ℃用時94 min,-55 ℃用時174 min;

⑤升降溫速率隨時間變化(溫差減小)而減小。

圖5給出了任意3種彈藥裝藥內部溫度在升降溫過程中的變化曲線,彈藥直徑(d)分別為30 mm,76 mm和130 mm,其中CH416/CH417為環(huán)境試驗設備內部的溫度變化曲線。

圖5 3種發(fā)射藥在升/降溫工況下的溫度變化曲線圖Fig.5 Temperature variation curve of three propellants under rising/cooling conditions

針對12種被測試彈藥生成的保溫平衡時間柱狀圖,如圖6所示,由圖可知:

圖6 被測試彈藥的保溫平衡時間柱狀圖Fig.6 Histogram of insulation balance time of tested ammunition

①57 mm(含)以下口徑彈藥保溫平衡時間均小于10 h;

②76～122 mm口徑彈藥保溫平衡時間均小于16 h;

③125～155 mm口徑彈藥保溫平衡時間均小于25 h;

④保溫平衡時間最長的為裝藥量最大的130 mm口徑彈藥。

此外,本文采用的測試方案和數據處理方法中,保溫平衡時間的計算是從試驗箱開機時間為準,而國軍標中規(guī)定的保溫時長的起算時間通常是以試驗箱達到規(guī)定溫度的時間為準,試驗箱升降溫約需1 h,因此,理論上本文中計算的保溫平衡時間比真值更長。

3 結束語

本文針對12種典型彈藥進行了測溫彈改裝和實驗室測試,測試統(tǒng)計結果可以得出以下結論:

①12種彈藥發(fā)射裝藥保溫平衡時間最長不超過26 h,而且小口徑彈藥保溫平衡時間僅需要7～8 h。

②彈藥保溫平衡時間最長的并不是口徑最大的155 mm彈藥,而是裝藥密度高的130 mm、152 mm口徑彈藥。

③從測試結果看,新軍標對57 mm(含)以下口徑彈藥設置恒溫12 h、76～122 mm口徑彈藥設置恒溫24 h、125～155 mm口徑彈藥設置恒溫36 h保溫平衡時間,完全可以滿足彈藥保透需求,是比較科學合理的,可以大幅縮短試驗周期,提高常規(guī)兵器靶場試驗效率。