基于液態平衡體的無后坐炮內彈道研究

曹永杰,張向明,李志飛

(西北機電工程研究所,陜西 咸陽 712099)

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基于液態平衡體的無后坐炮內彈道研究

曹永杰,張向明,李志飛

(西北機電工程研究所,陜西 咸陽 712099)

為了實現無后坐炮在有限空間內安全發射,設計了一種含液態平衡體的新型裝藥結構?；谠撔滦脱b藥結構,開展了某口徑無后坐炮內彈道性能試驗,建立了相應的內彈道模型,計算結果與試驗結果吻合較好。在此基礎上,分析了液態平衡體初始質量、密度、火藥弧厚、噴管喉部直徑以及擠進壓力等參數對內彈道性能的影響。結果表明:液態平衡體初始質量對最大膛壓和炮口速度的影響顯著,而其密度的影響較弱;較厚的火藥、較小的噴管喉部直徑及較低的擠進壓力有利于提高內彈道綜合性能。研究結果可為基于液態平衡體的新型無后坐炮內彈道及裝藥結構設計提供理論指導。

無后坐炮;裝藥結構;液態平衡體;內彈道

現代戰爭要求火炮武器威力大、精度高、機動性好。如何降低火炮發射過程中巨大的后坐力,是協調火炮威力、機動性能、射擊精度三者之間矛盾的關鍵。國內外先后研究了多種減后坐技術和相應的反后坐裝置,不同程度地降低了火炮發射過程中產生的后坐沖量,如無后坐發射技術、炮口制退器技術、前沖技術[1]、二維后坐技術[2]、膨脹波發射技術[3]、電流變技術[4]和磁流變技術[5]等。其中,在便攜式步兵武器中具備應用價值并且成熟可靠的只有無后坐發射技術。

傳統的無后坐炮利用射擊過程中火藥燃氣后噴產生反向推力,使之與后坐力達到基本平衡,或兩者產生的動量基本平衡。由于這種形式的無后坐炮在發射時產生強烈的噪聲和較長的后噴火焰,故只能在空曠地使用,而不能在有限空間內使用,否則將對射手及其同伴造成嚴重的傷害。而城市作戰是現代戰爭的主要形式之一,其空間狹小的作戰環境嚴重制約了傳統無后坐炮的使用。因此,實現有限空間發射成為亟待解決的問題。根據瑞典薩博公司官方網站公開報道,其研究人員于2014年為其M4型“卡爾·古斯塔夫”無后坐炮研制成功了新型彈藥,該彈藥采用在藥筒內加裝液態平衡體的裝藥結構,在發射過程中液態物質可發生霧化,有效降低了噪聲和火焰長度,從而實現了有限空間發射。

本文設計了一種含液態平衡體的新型無后坐炮裝藥結構,開展了某口徑無后坐炮內彈道性能試驗,并建立了相應的內彈道模型,分析了內彈道設計中涉及的幾種主要參數對其內彈道性能的影響,對于發展我國適用于有限空間發射的新型無后坐炮具有一定的指導意義。

1　物理模型

設計的新型無后坐炮采用藥筒裝藥方式,其示意圖如圖1所示。為方便裝填,將彈丸、帶狀發射藥、平衡體及點火機構全部裝在藥筒內。藥筒底部的容器內裝有液態平衡體,由一個隔板將液態平衡體和燃燒室隔開,藥筒底部有一個擋板,點火后在高壓作用下發生破碎,液態平衡體向炮尾方向噴出。

圖1　新型無后坐炮裝藥結構示意圖

為減輕全彈質量和長度,設計的液態平衡體質量較彈丸小,相應地,其行程也較彈丸短。這樣設計的結果必然是液態平衡體先于彈丸噴出火炮。根據這一特征,可將該新型無后坐炮的內彈道過程分為2個階段:①從彈丸與液態平衡體同時運動開始,到液態平衡體完全出膛;②液態平衡體出膛后,膛內火藥氣體經由尾噴管迅速向炮尾排出,彈丸受膛內火藥氣體作用,繼續向炮口方向運動,直至出膛。

在經典內彈道基本假設[6]的基礎上增加以下幾點簡化和假設:

①藥筒底部擋板在達到一定壓力時瞬時破碎,噴管打開,同時彈丸開始運動;

②液態平衡體在膛內高壓燃氣作用下以類似于活塞運動方式向炮尾方向移動;

③液態平衡體在膛內高壓燃氣作用下一旦流出噴管喉部即發生霧化,與保留在膛內的部分離散;

④忽略藥筒內徑的變化,并近似等于身管內徑;

⑤熱散失通過減小火藥力間接修正;

⑥將傳火管、平衡體容器及隔板對平衡體質量的影響以及平衡體運動過程中受到的阻力用次要功計算系數修正。

2　數學模型

基于該新型無后坐炮內彈道物理模型,結合經典內彈道理論,建立如下數學模型。

①火藥燃速方程。

(1)

②火藥形狀函數。

(2)

③彈丸運動方程。

(3)

④彈丸速度與行程關系式。

(4)

⑤液態平衡體運動方程。

(5)

⑥液態平衡體速度與行程關系式。

(6)

⑦尾噴液態平衡體流量方程。

(7)

⑧尾噴燃氣相對流量方程。

(8)

⑨能量方程。

(9)

⑩氣體狀態方程。

(10)

式中:

初始條件為

其中:Δ為裝填密度,ρp為火藥密度,p0為擠進壓力,m20為液態平衡體初始質量。

3　計算結果與分析

基于本文設計的新型裝藥結構,開展了某口徑無后坐炮內彈道性能試驗。根據本文所建立的數理模型進行了數值仿真,計算結果與試驗結果的比較如表1所示。結果表明,計算得到的最大膛壓pm和彈丸炮口速度vg與試驗結果符合較好,相對誤差均在3%以內,可用于指導工程設計。

表1　計算結果與試驗結果的比較

在驗證模型準確、可行的基礎上,基于65式82 mm無后坐炮結構諸元和裝填條件(相關參數見文獻[6]),分析液態平衡體初始質量、密度、火藥弧厚、噴管喉部直徑及擠進壓力等因素對新型無后坐炮內彈道性能的影響。

3.1液態平衡體初始質量對內彈道性能的影響

在限定藥筒總長不變的情況下,液態平衡體初始質量越大其所占藥室容積越多,相應地,藥室內初始自由容積越小。因此,在密度不變的情況下,液態平衡體的質量通過其自身運動和藥室容積2種途徑影響內彈道性能。

在其他參數不變的前提下,僅改變液態平衡體的初始質量,計算得到的p-t曲線和v1-t曲線分別如圖2和圖3所示。

圖2　液態平衡體初始質量對平均膛壓的影響

圖3　液態平衡體初始質量對彈丸速度的影響

可以看出,液態平衡體初始質量對內彈道性能有顯著影響。一方面,液態平衡體初始質量越大,最大膛壓越高,給藥筒和身管強度設計帶來困難,不利于新型無后坐炮武器系統的輕量化設計;另一方面,液態平衡體初始質量越大,火藥利用率越高,彈丸炮口速度越高,而且越有利于降低發射過程中后噴燃氣的聲、光、煙、焰等信號特征。因此,液態平衡體初始質量應作為新型無后坐炮武器系統總體設計時需重點考慮的影響因素之一。

在發射過程中,液態平衡體在燃氣高壓作用下不斷向噴管尾部噴出,其尚未噴出部分的質量和速度隨時間變化曲線分別如圖4和圖5所示?？梢钥闯?液態平衡體在膛內的運動時間相對于彈丸在膛內的運動時間要短得多,并且液態平衡體初始質量越大,完成噴射所需的時間越長,液態平衡體速度變化越慢,類似于物體的“慣性”。

圖4　液態平衡體剩余質量隨時間的變化

圖5　液態平衡體速度隨時間的變化

3.2液態平衡體密度對內彈道性能的影響

考慮到武器裝備的環境適應性,要求液態平衡體須具備在低溫條件下不發生凝固的能力。此外,為保證儲存與使用安全性,液態平衡體及其霧化產物還應無毒、無腐蝕性。在現有技術條件下,駐退液可作為平衡介質的較理想的選擇之一。由于駐退液自身的密度隨溫度發生一定的變化,而且可以通過在液體中加入輕質軟性塑料來調節其密度(此時為等效密度),因此,有必要分析液態平衡體密度對內彈道性能的影響。

在液態平衡體質量保持為0.8 kg的條件下,調節其密度,計算得到的p-t曲線和v1-t曲線分別如圖6和圖7所示?？梢钥闯?減小液態平衡體的密度,最大膛壓和彈丸炮口速度均有所提高,但與液態平衡體質量對內彈道性能的影響相比,液態平衡體密度的影響較弱。

圖6　液態平衡體密度對平均膛壓的影響

圖7　液態平衡體密度對彈丸速度的影響

3.3火藥弧厚對內彈道性能的影響

火藥弧厚是內彈道設計時經常考慮的一個重要參數?；鹚幓『駥π滦蜔o后坐炮內彈道性能的影響如表2所示,表中,2e1為火藥弧厚,ηk為火藥相對燃燒結束位置。結果表明,火藥弧厚從0.38 mm改變為0.42 mm,火藥均可完全燃燒,炮口壓力pg變化很小,最大膛壓pm下降了6.3%,而彈丸炮口速度僅下降了1.6%。這意味著采用較厚的火藥,可在彈丸炮口速度下降相對較小的條件下,相對較多地降低最大膛壓,有利于新型無后坐炮武器系統的輕量化設計。

表2　火藥弧厚對內彈道性能的影響

3.4噴管喉部直徑對內彈道性能的影響

噴管喉部直徑是無后坐炮的一個重要結構參數,不僅影響內彈道性能,還與噴管膨脹比共同影響平衡性能。喉部直徑對內彈道性能的影響如表3所示。由表3可以看出,彈丸炮口速度對喉部直徑較為敏感。在滿足平衡性能和炮口沖擊波在安全閾值內的前提下,應選用喉部直徑較小的噴管,可在最大膛壓基本不變的情況下較大幅度地提高彈丸炮口速度。

表3　噴管喉部直徑對內彈道性能的影響

3.5擠進壓力對內彈道性能的影響

擠進壓力是新型無后坐炮內彈道過程的一個重要起始條件,它的變化對彈道性能也有一定的影響。擠進壓力對新型無后坐炮內彈道性能的影響如圖8和圖9所示。可以看出,擠進壓力增大,最大膛壓顯著升高,而彈丸炮口速度增加較少。較小的擠進壓力有利于彈藥和發射器的輕量化設計,并且對彈丸炮口速度的影響很小。

圖9　擠進壓力對彈丸速度的影響

4　結束語

本文設計了一種適用于無后坐炮的含液態平衡體的新型裝藥結構,建立了相應的內彈道模型,通過內彈道性能試驗驗證了模型的準確性與可行性。在

此基礎上,分析了多參數對內彈道性能的影響,得出以下結論:

①液態平衡體初始質量對最大膛壓和炮口速度的影響顯著,在武器系統總體設計時應重點考慮;液態平衡體密度的影響較弱,可不必對其進行針對性的調節。

②采用較厚的火藥,可在彈丸炮口速度下降相對較少的條件下,相對較多地降低最大膛壓,有利于新型無后坐炮武器系統的輕量化設計。

③在最大膛壓基本不變的情況下,較小的噴管喉部直徑可較大幅度地提高彈丸炮口速度。

④在彈丸炮口速度下降較小的條件下,較低的擠進壓力可較大幅度地降低最大膛壓。

合理匹配上述主要影響因素,可優化基于液態平衡體的新型無后坐炮內彈道與裝藥結構設計,并為武器系統輕量化設計提供參考。

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Study on Interior Ballistics of Recoilless Gun Based on Liquid Balance Body

CAO Yong-jie,ZHANG Xiang-ming,LI Zhi-fei

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering,Xianyang 712099,China)

In order to achieve the safety launch of recoilless guns in the confined space,a new charge structure containing liquid balance body was designed.The interior ballistic experiment was carried out based on the new charge structure,and the interior ballistic model was established.The calculated results are in good agreement with the experimental results.On this basis,the effects of the initial liquid balance body mass,the liquid density,the propellant web size,the nozzle throat diameter and the engraving pressure on the interior ballistic performance were analyzed.Results show that the balance body mass has remarkable effect on the maximum chamber pressure and the muzzle velocity,while the effect of the liquid density is little.Larger propellant web size,smaller nozzle throat diameter and lower engraving pressure are in favor of improving the overall interior ballistic performance.The results can offer theoretical guidance for the interior ballistics and charge-structure design of new recoilless gun based on the liquid balance body.

recoilless gun;charge structure;liquid balance body;interior ballistics

2015-10-09

曹永杰(1987- ),男,工程師,博士,研究方向為新概念發射原理與新型彈藥技術。E-mail:caoyj801@163.com。

TJ012.1

A

1004-499X(2016)03-0071-05