爆炸螺栓作用同步性對彈丸著靶影響規律

張學倫，李　真，王昭明

(重慶紅宇精密工業有限責任公司，重慶　402760)

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爆炸螺栓作用同步性對彈丸著靶影響規律

張學倫，李真，王昭明

(重慶紅宇精密工業有限責任公司，重慶402760)

摘要：針對火箭橇試驗中彈丸終點彈道參數的準確性直接影響到彈丸終點效應評估的真實性，提出爆炸螺栓作用的時序及同步性對彈丸運動參量及著靶姿態的影響規律；利用CFD-FASTRAN氣動力分析軟件進行了數值模擬研究，分析了彈丸著靶運動參量及著靶攻角的變化關系，從中得出了爆炸螺栓作用的時序及同步性對彈丸運動參量及著靶姿態的影響規律；結果表明：爆炸螺栓作用時序及同步性對彈丸的運動參量及著靶姿態的影響較小。

關鍵詞：爆炸螺栓；同步性；彈丸；著靶參量；火箭橇試驗

Citation format:ZHANG Xue-lun，LI Zhen，WANG Zhao-ming.Influence of Explosive Bolts’ Synchronization on Projectile Impact Attitude [J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):23-26.

彈丸終點彈道參數的準確性直接影響到彈丸終點效應評估的真實性。因此，保障彈丸的終點彈道參數是評估彈丸終點毀傷效應的前提。

在地面彈丸終點效應考核試驗中，火箭橇試驗法[1]是目前較為常用的方法。火箭橇試驗技術中，采用爆炸螺栓實現彈與橇車的分離，即被試彈丸通過前、后兩道壓環固定，壓環兩側通過爆炸螺栓沿豎向固定在橇車立柱上。火箭橇運行到預定位置時，爆炸螺栓通電作用，釋放固定彈丸的壓環，彈丸按照規定的終點彈道運動參量自由飛向目標，實現對彈丸終點毀傷效應的打擊。由于彈丸與橇車分離技術本身的復雜性，對其影響分離的干擾因素認識不夠深入，常常導致試驗結果與預設結果偏離。夏洪利[2]等進行了戰斗部終點效應著靶攻角控制技術的研究，但未涉及爆炸螺栓作用時序及同步性對彈丸終點運動參量及姿態參量的研究。

文中利用CFD-FASTRAN氣動力分析軟件對某型彈丸著靶運動參量、姿態參量進行了數值模擬分析，主要從彈丸終點運動時間、質心運動軌跡、速度變化及攻角變化的方面考察了爆炸螺栓作用時序及作用同步性等因素的變化對彈丸終點參量的影響。

1數值模擬計算模型

1.1計算基本假設

計算模型的建立基于以下假設：不考慮結構卡環的變形及分離瞬間的結構相互干擾；不計撬車對彈丸的氣動干擾；不考慮卡環釋放過程中對彈丸的干涉；忽略彈丸與結構連接間的摩擦力。

1.2模型及坐標系

計算過程中涉及兩個坐標系，即地面坐標系OXYZ和彈丸自身坐標系O1X1Y1Z1。彈丸被釋放的初始時刻，彈丸自身坐標系O1X1Y1Z1相對地面坐標系OXYZ在繞Z軸方向預置2°夾角，飛行過程中彈丸相對地面坐標系運動。

地面坐標系OXYZ是與地球表面固連的坐標系，坐標原點O在發射瞬時彈丸的質心上，OX軸為彈道面與水平面交線，指向目標為正，OY軸沿垂線向上，OZ軸與其他兩軸垂直并構成右手坐標系[3]。

彈丸自身坐標系采用彈體坐標系，原點O1在質心上；O1X1軸與彈丸縱軸重合指向頭部為正；O1Y1軸位于彈丸縱向對稱面內與O1X1軸垂直，指向上為正；O1Z1軸垂直于O1X1Y1平面，方向按右手直接坐標系確定。圖1為彈丸坐標系及約束示意圖。

圖1　彈丸坐標系及約束示意圖

1.3控制方程[4]

根據彈丸約束情況，建立彈丸自身坐標系相對地面坐標系的六自由度運動方程如下：

1.4計算方法及參數

計算中湍流模型選擇S-A湍流模型，采用標準大氣參數。彈丸初始攻角預置為2°、初始速度預設為860 m/s，設置爆炸螺栓作用時刻點到著靶點的距離為21 m。爆炸螺栓作用時序及同步性分別設置為以下3種工況：

工況1：前、后爆炸螺栓同時作用，相當于彈丸從始至終處于自由飛的狀態，不需要添加約束。

工況2：前端爆炸螺栓比后端爆炸螺栓先作用4 ms的情況，在后爆炸螺栓處添加鉸鏈約束，約束生效時間為0～4 ms，4 ms后戰斗部處于自由飛狀態。

工況3：前端爆炸螺栓比后端爆炸螺栓后作用4 ms的情況，在前爆炸螺栓處添加鉸鏈約束，約束生效時間為0～4 ms，4 ms后彈丸處于自由飛狀態。

計算時先進行一定次數穩態計算，然后分別加載3種情況的運動模式，設置好約束條件進行3次動態過程計算[4]。

2計算結果及分析

2.1彈丸運動參數

對比3種工況對彈丸運動情況的影響，主要包括沿X方向飛行到21 m所用的時間、質心運動軌跡、速度變化等。

因彈丸初始速度高，飛行距離較短，在飛行時間上3種工況差別不大。彈丸沿X方向飛行到21 m所用的時間，工況1、工況2、工況3分別為0.024 46 s、0.024 45 s、0.024 45 s。4 ms 時刻，工況1、工況2和工況3的彈丸X方向位移為3.437 5 m、3.437 9 m和3.437 9 m。

彈丸水平方向飛行到21 m時，彈丸質心運動軌跡差別不大，工況1、工況2、工況3的Y方向位移分別為0.733 4 m、0.732 8 m、0.733 1 m。

圖2和圖3為分別為戰斗部X方向速度和Y方向速度隨X方向位移的變化關系。由圖中可以看出3種工況的速度變化有所不同，引起這種現象主要原因是爆炸螺栓作用的延遲使得彈丸姿態角不同。對于工況2和工況3速度變化出現拐點的時刻即為最后一組爆炸螺栓作用時刻。

圖2　X方向速度隨X方向位移的變化

圖3　Y方向速度隨X方向位移的變化

工況1、工況2和工況3的X方向速度變化范圍分別為[859.476 m/s，858.836 m/s]、[859.476 m/s，858.939 m/s]、[859.476 m/s，858.930 m/s]；工況1、工況2和工況3的Y方向速度變化范圍分別為[30.014 m/s，29.983 m/s]、[30.014 m/s，29.971 m/s]、[30.018 m/s、29.985 m/s]。從數據上看3種工況的速度變化差距并不是很明顯。

從計算結果上來看，爆炸螺栓作用的時序及同步性對彈丸運動參數的影響并不大，僅是參數的變化趨勢上有略微不同。

2.2彈丸姿態角

彈丸的姿態角即彈丸自身坐標系相對于地面坐標系的姿態，圖4為彈丸繞X軸、Y軸和Z軸的轉動角隨X方向位移的變化關系。由圖中可以看出在0～4 ms內，3種工況對彈丸的姿態角有一定影響，隨著飛行的繼續，3種工況的姿態角差距逐漸增大。由圖也可以看出3種工況彈丸繞X軸和Y軸的轉動角差別很小，僅在Z軸方向差距較大，這種現象主要跟彈丸的受力情況相關。

圖4　轉動角隨X方向位移的變化

彈丸在空氣中飛行時，主要受到作用在壓心上的氣動升力Fl、氣動阻力Fd和作用在重心的重力，彈丸所受的氣動力主要集中在頭部曲線附近，質心在壓心后，彈丸為靜不穩定的，示意圖見圖5所示。

圖5　彈丸受力分析示意圖

工況1彈丸處于自由飛的狀態，氣動力足以平衡重力，平穩飛行。工況2，氣動力相對鉸鏈點2產生的力矩被重力產生的力矩抵消一部分，因彈丸為靜穩定的，有自我恢復平衡的趨勢，從而引起彈丸姿態的調整。工況3，氣動力相對鉸鏈點1產生的力矩和重力對鉸鏈點1產生的力矩相互疊加，因此工況3時彈丸姿態的變化幅度比工況2的大。

從計算數據上看，3種工況繞X軸和Y軸的角度差別很小，僅繞Z軸的角度有一些差別，但總的來說差距不大。繞Z軸方向的轉動角速度見表1。

表1　繞Z軸轉動角速度

從計算結果來看爆炸螺栓作用的時序及同步性對彈丸著靶姿態影響不大。本文計算爆炸螺栓作用同步性延遲時間為4 ms，而實際爆炸螺栓產品的作用同步性不會超過1 ms，因而爆炸螺栓作用的時序及同步性不是造成彈丸著靶時姿態不可控狀態的主要因素。

3結論

運用CFD-FASTRAN氣動力分析軟件對彈丸在爆炸螺栓前后同時作用、前端爆炸螺栓比后端爆炸螺栓先作用4 ms、前端爆炸螺栓比后端爆炸螺栓后作用4 ms三種作用時序及同步性條件下彈丸著靶運動參量及姿態參量進行了數值模擬分析，得到以下結論：

1) 3種情況下，彈丸飛行時間、飛行位移、質心軌跡和飛行速度變化等，在數值上差距不大，僅在變化趨勢上略有不同；

2) 3種情況對彈丸著靶姿態的影響不大，僅在繞Z軸方向的角度差別大一些，但均不會造成彈丸著靶姿態不可控。

本文在仿真過程中將彈丸的約束簡化為鉸鏈，屬于一種較為極端的狀態。而實際情況是爆炸螺栓作用不同步，彈丸處于一種較牢固的約束狀態，僅是約束裝置變形可能導致彈丸初始姿態有所變化。如果約束裝置較為可靠，彈丸的初始姿態角變化幅度會比鉸鏈狀態更小，更加不會對彈丸著靶姿態造成大的影響。

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(責任編輯周江川)

Influence of Explosive Bolts’ Synchronization on Projectile Impact Attitude

ZHANG Xue-lun，LI Zhen，WANG Zhao-ming

(Chongqing Hongyu Precision Industrial Co., Ltd., Chongqing 402760, China)

Abstract:The accuracy of the rocket sled test parameters for the projectile ballistic projectile end effects directly affects the authenticity of the effectiveness assessment, and we proposed the influence law of explosive bolts timing and synchronization on parameters of projectile motion and the law of the attitude of the target; Numerial simulation study of the analysis software was proposed by using pneumatic dynamic code CFD-FASTRAN. The variation relations between projectile’s movement parameters and target attack angle were analyzed. The results show that the influence of explosive blots’ action sequence and synchronization on projectile’s movement parameters and impact attitude is negligible.

Key words:explosive bolt; synchronization; projectile; impact parameter；rocket sled test

文章編號：1006-0707(2016)03-0023-04

中圖分類號：TJ55

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.006

作者簡介：張學倫(1966—)，男，研究員，主要從事彈藥工程研究。

收稿日期：2015-10-25；修回日期：2015-12-02

本文引用格式：張學倫，李真，王昭明.爆炸螺栓作用同步性對彈丸著靶影響規律[J].兵器裝備工程學報，2016(3):23-26.

【裝備理論與裝備技術】