金屬延期管拋離過程研究

馬永忠

(武警工程大學裝備工程學院,西安 710086)

金屬延期管拋離過程研究

馬永忠

(武警工程大學裝備工程學院,西安 710086)

為了減少非致命彈藥爆炸產生的金屬破片數量,設計了金屬延期管拋離結構,根據點火藥燃燒特點和結構作用原理,分析了拋離過程,建立了拋離彈道模型,得到了延期管內點火藥氣體壓強變化和延期管速度變化規律,并利用高速攝影對試驗過程的影像分析，結果表明仿真所得最大速度與實際測試值的誤差僅為0.5 m/s,說明數學模型合理,為延期管拋離結構的設計與優化提供了理論指導。

延期管;拋離;內彈道;建模仿真

0 引言

某型子母式非致命彈藥使用塑料作為子彈彈體材料,通過靜爆試驗,發現在爆炸后金屬延期管并未碎裂。因此,為避免彈藥爆炸時產生金屬破片,開發了金屬延期管拋離技術。延期管拋離技術是利用火焰延期管點火過程中產生的高壓火藥氣體,將延期管推離彈體的一種拋撒技術,是為避免非致命彈藥爆炸產生金屬破片而提出的一種新技術。點火藥在延期管藥室內燃燒,火藥氣體通過延期管的噴孔流入子彈蓋內管底部,形成高壓氣體,推動延期管運動,延期管被拋離,同時火藥氣體引燃點火藥片,既保證了彈藥內部裝藥順利點燃,又避免產生金屬破片,提高了彈藥的使用安全性。

目前國內尚無對延期管拋離技術的研究報道,類似的研究主要集中在子母彈開倉拋撒技術的研究。如黃蓓等[1]建立了子母彈活塞式拋撒彈道模型;王帥等[2]研究子母彈內燃式氣囊拋撒的內彈道過程,建立了內彈道模型。這些拋撒技術的研究重點是提高彈藥殺傷性方面的研究。

1 作用原理

子彈延期管拋離系統主要包括火焰延期管、子彈蓋以及點火藥片。延期管拋離過程主要包括點火藥點燃、延期管底膜破裂、延期管拋離以及點火藥片被點燃等多種化學物理現象。圖1為結構設計圖。

圖1 延期管裝配結構圖

圖1中:1-子彈蓋;2-火焰延期管;3-延期管內傳火孔;4-延期管藥室,內裝延期藥和點火藥;5-延期管噴孔;6-傳火孔;7-點火藥片。

整個拋離可以分為3個階段:第一階段為延期管中點火藥被點燃到延期管噴孔噴出氣體,該階段中延期藥引燃點火藥,點火藥在延期管內燃燒,產生高溫高壓的火藥氣體;第二階段為延期管噴孔噴出火藥氣體到延期管運動前,該階段中火藥氣體通過延期管噴孔流入內管底部,迅速形成高溫高壓氣體,并與延期管內氣壓相同,整個過程時間短、速度快;第三階段為延期管開始運動到延期管離開子彈蓋,該階段高溫高壓氣體推動延期管運動,同時從延期管內傳火孔流出。

2 拋離過程彈道模型

2.1 假設條件

文中主要研究延期管在彈頂內管中運動情況。由于管內空間較小,整個拋離過程時間短,在分析過程中,采用以下假設:

1)不考慮延期藥所產生的氣體,且火藥燃燒過程瞬間完成,此過程中不發生氣體流出,并在火焰延期管內形成點火藥壓力,火藥氣體沖破延期管噴孔時所消耗的能量忽略不計。

2)將點火藥氣體視為理想氣體,火藥氣體沖破延期管噴孔后,所有的氣體充滿延期管藥室和子彈蓋內管,該過程中不存在氣體流出內管的現象。

3)延期管拋離過程中出現點火藥氣體流出的現象,氣體流動為等熵流動,整個過程中的熱散失、氣體膨脹做功、延期管運動摩擦功等形式的次要功,采用次要功計算系數進行修正。

2.2 拋離過程彈道模型

根據假設條件和作用原理,分階段建立數學模型,計算氣體壓強變化情況和延期管運動情況。

1)第一階段

基于延期管中點火藥藥量較小、3#小粒黑藥燃速度快等因素考慮,可認為點火藥燃燒到延期管噴孔噴出氣體的整個過程是瞬間結束。因此,這一時期點火藥為定容燃燒,初始時刻設定為t=0,根據內彈道火藥定容狀態方程,延期管內點火藥壓力為[3]

綜上所述，凝固性血胸患者采用單操作孔胸腔鏡下經皮腎鏡術式治療手術創傷小、術后恢復快，治療效果優于傳統胸腔閉式引流術聯合尿激酶的治療方式，值得在凝固性血胸患者的臨床治療中推廣應用。

(1)

式中:p為延期管內火藥氣體壓力;f為點火藥力,取290 J/g[4];V為延期管內藥室體積;α為點火藥氣體余容,取1 cm3/g;w為點火藥質量,w=0.1 g。

2)第二階段

延期管噴孔噴出火藥氣體,通過裂孔流向子彈蓋內管,根據理想氣體狀態方程,引入流量η,建立點火藥氣體狀態方程,則延期管內點火藥氣體狀態方程為:

p[V-αw(1-η)]=wf(1-η)

(2)

子彈蓋內管空隙中氣體狀態方程為:

p1(V1-αwη)=wfη

(3)

式中:p1為子彈蓋內管空隙中氣體壓強;V1為子彈蓋內管空隙的體積。

根據假設,火藥氣體流入子彈蓋內管的過程為等熵流動,則氣體流量為[5]:

(4)

式中:SΔ為去除傳火孔之外延期管內管截面積;φ1為流量消耗系數;k為點火藥氣體的比熱比,k=1.23[6]。

對式(2)中p求導,得:

(5)

對式(3)中p1求導,得:

(6)

為簡化計算,第二階段結束的標志也可以理解為p=p1。

3)第三階段

第三階段是從延期管開始運動到延期管離開子彈蓋,該過程中主要考慮延期管運動、點火藥氣體從延期管噴孔和內傳火孔流出以及次要功等方面。

①延期管運動方程。推動延期管運動的動力來源主要是火藥氣體,其壓力遠遠大于大氣壓。因此,此方程不考慮大氣壓對延期管的影響。于是,運動方程為:

(7)

式中:S′為火藥氣體作用在延期管上的有效面積;mp為延期管質量;φ為次要功系數,取1.119。

②能量守恒方程。根據能量守恒定理,考慮到火藥氣體流出子彈蓋內管以及延期管動能、次要功等,列出延期管能量守恒方程:

(8)

③流量方程。參考迫擊炮火藥氣體流出方程,計算延期管拋離過程中點火藥氣體流出量,得到流量方程:

(9)

(10)

3 仿真分析

采用Matlab軟件對上述模型進行編程計算,時間步長t=ns,點火藥質量為0.1 g,延期管質量為0.8 g,長度為21 mm,延期管藥室體積為211.26 mm3,子彈蓋直徑7 mm,內管深度為22 mm,子彈蓋質量40 g。仿真計算得到的延期管藥室氣體壓強、子彈蓋內管氣體壓強、延期管運動速度曲線分別如圖2～圖4所示。

圖2 延期管藥室氣體壓強變化曲線

圖3 彈頂內管氣體壓強變化曲線

圖4 延期管運動速度變化曲線

由仿真結果可知,延期管中點火藥瞬時燃完,延期管在0 s時刻達到最大壓強pmax=2.665×108Pa,點火藥燃盡后,形成高溫高壓氣體通過延期管噴孔迅速充滿延期管后部狹小的空間。因此,p1在5.52×10-5s時間迅速增大,而p在這一階段氣體壓強的下降時間短、不明顯。彈頂內管經過1.1×10-7s后,與延期管藥室壓強相等,達到p1max=2.605×108Pa,當p=p1時,延期管開始運動,由于火藥氣體從延期管內傳火孔中流出,和p1下降迅速。延期管經過3.48 ms,達到最大速度vmax=30.26 m/s。

4 試驗研究

利用高速攝影儀對延期管拋離過程進行拍攝,逐幀分析延期管位移變化,計算延期管速度變化情況。圖5為延期管被點燃、拋出以及點火藥片發火過程圖。

圖5 延期管拋離試驗試件測試圖

圖6試驗得到的延期管拋離最大速度為v試max=29.76 m/s。

圖6 延期管運動速度理論計算曲線圖與試驗曲線圖

如圖6所示,對比仿真計算與試驗測試結果,發現仿真計算得到的延期管運動速度曲線比高速攝影測試得到的運動速度曲線收斂快,但是延期管最大運動速度的計算誤差僅為Δv=0.5 m/s,表明模型能夠比較準確的計算出延期管拋離所達到的最大速度。

5 結論

通過建立延期管拋離內彈道模型,并利用仿真軟件進行計算,得到了延期管運動速度變化曲線;通過對高速攝影影像的分析,得到了延期管運動速度變化試驗值結果。對比分析可知,仿真計算所得延期管拋離速度與高速攝影測試值的吻合度較好,其中延期管最大拋離速度與實際測試值的差僅為0.5 m/s,該模型對延期管拋離結構設計、控制延期管飛行速度、調整延期管內點火藥裝藥量有重要指導意義。

[1] 黃蓓, 王浩, 陶如意. 帶導向管的子母彈活塞式拋撒彈道建模及數值仿真 [J]. 兵工學報, 2009, 30(12): 1584-1589.

[2] 王帥, 陶如意, 王浩, 等. 子母彈內燃式氣囊拋撒內彈道建模及數值仿真 [J]. 彈道學報, 2009, 21(3): 57-60.

[3] 江坤, 王浩, 郭錦炎, 等. 拉桿活塞式發射裝置內彈道建模與仿真 [J]. 彈道學報, 2011, 23(1): 13-17.

[4] 錢林方, 火炮彈道學 [M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2009: 37-58.

[5] 翁春生, 王浩. 計算內彈道學 [M]. 北京: 國防工業出版社, 2006: 1-62.

[6] 金志明. 槍炮內彈道學 [M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2004, 10: 40-66.

Research on the Process of Metal Extension Tube Stripping

MA Yongzhong

(School of Equipment Engineering, Engineering University of China Armed Police Force, Xi’an 710086, China)

In order to reduce the number of metal fragment produced by non lethal ammunition explosion, the cast structure of metal extension tube was designed. Based on the burning characteristics of the ignition composition and the structural action principle, the stripping process was analyzed and the stripping trajectory model was established. The change laws of the gas pressure and the velocity of the extension tube were obtained, and the model was verified by high speed photography. The results showed that the error between the maximum speed and the actual speed was only 0.5 m/s. It was proved that the mathematical model was reasonable and it provided theoretical guidance for the design and optimization of the structure of the extension tube stripping.

extension tube; stripping; interior ballistics; modeling and simulation

2016-03-22

武警部隊裝備科研基金(WK2013-X1)資助

馬永忠(1970-),男,山西清徐人,教授,碩士研究生導師,研究方向:警用裝備與非致命武器研發。

TJ012

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