大口徑火炮發射過程炮架振動的主動抑制技術

王瓊林，李 強，茍兵旺，張江波，賈永杰

(西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

大口徑火炮發射過程炮架振動的主動抑制技術

王瓊林，李 強，茍兵旺，張江波，賈永杰

(西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

為了主動抑制大口徑火炮發射過程中的炮架振動，提出了一種基于炮架振動加速度測試的炮架振動評價方法；分析了影響火炮發射過程中炮架振動的發射藥及裝藥因素，開展了發射過程炮架振動試驗研究，在此基礎上提出了一種三基發射藥及裝藥方案，并通過試驗與單基藥裝藥方案進行了對比。結果表明，采用三基藥裝藥方案使炮架振動加速度降低了22.1%，炮口無二次火焰；炮架振動評價方法能夠有效評價火炮發射振動特性量值；控制裝藥膛壓特性是降低炮架振動的關鍵技術途徑；消除裝藥炮口二次火焰有利于顯著降低炮架振動。

大口徑火炮；彈藥；三基發射藥；發射裝藥；炮架振動；主動抑制

引 言

槍炮身管武器廣泛應用于陸、海、空等軍兵種，其發射過程產生的沖擊振動會對周邊環境產生一定影響，如造成槍炮及臨近區域設施設備損壞、使用可靠性降低、打擊精度下降等負面效應，實際工作中急需能有效抑制這些負面效應的方法。

國內外已有槍炮發射過程沖擊振動方面的研究，主要集中在發射過程沖擊振動的被動防護技術上。梁傳建等[1]通過分析反后坐裝置結構布置對炮口振動的影響，研究了小口徑火炮發射過程中炮管振動加固以減小炮管抖動、提高射擊密集度；衡剛等[2]開展了火炮振動與射擊密集度試驗方法研究，研究了火炮發射過程中發射筒振動加固以減小發射管抖動、減小彈藥落點散布等。實際中經常會遇到另一類發射過程振動問題，解決此類問題，本質上需要優化發射藥及裝藥性能[3-5]，屬于發射過程振動主動抑制技術范疇。

本研究針對大口徑火炮發射過程炮架振動主動抑制技術問題，圍繞研究發射藥及裝藥優化和試驗驗證，提出了火炮發射過程炮架振動的評估方法，研究了火炮發射過程炮架振動的變化規律，實施了基于發射藥及裝藥優化設計的主動抑制技術措施，進行了試驗驗證，取得了良好效果。

1 火炮發射過程振動評估方法研究

大口徑火炮發射過程沖擊振動過大，容易引起火炮系統部件掉落、部件損壞而導致發射故障。此類機械性損壞現象，主要表現為炮架振動過大，即火炮發射過程產生了過大的振動機械波，并傳播到火炮平臺，引起平臺上臨近設施部件共振，共振能量達到一定限度，就會導致這些部件的機械性損壞。

通過記錄火炮發射過程中炮架不同測點和方向上的加速度變化曲線，可以大致了解火炮發射過程振動機械波的能量。記錄的典型加速度曲線如圖1所示。

圖1 大口徑火炮發射過程中某測點和方向上測得的典型加速度曲線Fig.1 A typical acceleration curve measured at one tested point and a direction during firing of large caliber gun

從圖1可以看出，典型曲線包含了起始峰(峰值較低)、主峰(峰值最高)、衰減峰(不斷衰減直至消失)等多組振動峰，其多組振動峰持續時間約數十毫秒到數百毫秒。

據文獻[4-5]報道，某測點處振動加速度均方值與其振動能量密度成正比。利用這個原理，可采用測試炮架上振動加速度曲線，然后計算振動加速度均方值的方法來表征火炮發射過程振動機械波能量密度大小。以一條振動加速度曲線為例，通過公式(1)來計算加速度均方值A：

(1)

式中：A為振動加速度均方值，g2；a為振動加速度值，g；T為振動加速度最大波峰前后的一段時間，ms。

時間T的確定方法如下：先確定一條振動加速度曲線的主峰點，向主峰點前延長時間T1，向主峰點后延長時間T2，T為T1與T2之和。T1、T2的選取，與火炮平臺及周邊環境有關，原則上應全部包含一次發射產生的多組振動峰。

通過對某種發射裝藥一組多發、一發多個測點測向的所有加速度均方值進行求和，可以用來衡量一種發射裝藥炮架振動能量密度相對值的大小，見計算公式(2)：

(2)

采用上述方法，測試大口徑火炮發射裝藥炮架振動，測試結果見表1。

表1 大口徑火炮發射過程炮架振動測試結果

從表1中數據可以看出，序號3、4均方值分別為2.31、4.17，后者是前者的1.8倍，說明該發射裝藥射擊過程炮架振動能量大小跳動較大。

綜上所述，發射過程振動機械波之所以能夠產生機械損壞，主要原因是振動機械波能量過大。因此，為了評價火炮發射過程炮架振動產生損壞效應，應重點評價炮架振動機械波能量密度大小，即先測試炮架振動加速度曲線、再計算加速度均方值來評價炮架振動大小。

2 火炮發射過程炮架振動基礎研究

2.1 火炮發射振源分析

通常機械振動的源頭(即振源)是不平衡力[6-7]。對大口徑火炮而言，能夠產生不平衡力的發射過程主要有彈藥裝填入膛、發射藥點火及燃燒波(壓力波)傳播、彈丸膛內運動、炮管后坐、反后坐裝置聯動、炮口排氣、炮口閃光等過程，簡要分析如下：

(1)彈藥裝填入膛過程，包含彈藥提升、裝入彈鼓、裝填入膛等分過程。正常情況下這些分過程產生的振動均較小，不足以對火炮臨近區域設施部件產生機械性損壞。

(2)發射藥點火及燃燒波(壓力波)傳播過程，包含底火擊發、傳火藥燃燒、發射藥點火、發射藥燃燒波傳播等分過程。其中，若出現發射藥燃燒波傳播不對稱，有較大膛內壓力波，會導致炮管內壁受力不對稱而運動方向和受力失常，增大炮架振動，如圖2所示。

圖2 燃燒波傳播對稱性對炮架振動的影響示意圖Fig.2 Illustration of influences of combustion wave propagation symmetry on the gun mount vibration

(3)彈丸膛內運動過程，包含彈丸擠進膛線、彈丸旋轉和加速運動、彈丸速度持續增大等分過程。其中，如彈丸結構不正確、炮管結構不正確導致彈丸膛內運動與炮管內壁相互作用不平穩，均會增大炮架振動。正常情況下不會出現這種情況。

(4)炮管后坐過程，包含彈丸沿身管向炮口運動、炮管沿身管向炮尾運動等分過程。其中，如因炮管與外部連接機構不正確導致炮管與外部滑軌機構相互作用不平穩，將增大炮架振動。正常情況下不會出現這種情況。

(5)反后坐裝置聯動過程，包含炮管后坐帶動反后坐裝置運動，反后坐裝置內部排油消耗后坐能量，聯動過程機械波沿炮架向武器平臺傳播等。其中，如因出現反后坐裝置運動失常，后坐能量消耗量小，后坐能量將大部分轉化為振動機械波能，將增大炮架振動。不同膛壓曲線及其產生的炮管后坐沖擊力如圖3所示。一種情況是膛壓曲線前端陡度過大、炮管后坐沖擊力(速度)過大，如圖3(a)和(b)中曲線1所示，反后坐裝置來不及反應而運動失常；另一種情況是膛壓曲線陡度過小、炮管后坐沖擊力(速度)過小，如圖3(a)和(b)中曲線3所示，反后坐裝置未啟動反應而運動失常。這兩種情況下，膛壓曲線特性與反后坐裝置特性不匹配，不同炮管后坐沖擊力影響反后坐裝置運動和炮架振動能量傳播圖如圖4所示。如圖4(a)所示，反后坐裝置運動失常，后坐能量消耗不足；如圖4(b)所示，增大了炮架振動機械波能量和炮架振動。

(6)炮口排氣過程，包含高壓燃氣排出炮口、在空氣中產生沖擊波超壓、沖擊波傳播等分過程[8-10]。其中，因炮口壓力過大而炮口沖擊波超壓增大，傳播、加載到火炮及鄰近區域，將增大炮架振動。

圖3 不同膛壓曲線及其產生的炮管后坐沖擊力Fig.3 Different bore pressure curves and therecoil shock force of gun barrel

圖4 不同炮管后坐沖擊力影響反后坐裝置運動和炮架振動能量傳播圖Fig.4 Different recoil shock forces of gun barrel affect the movement of count-recoil device and the energy spreading of gun mount vibration

(7)炮口閃光過程，包含炮口燃氣排出炮口、排出燃氣與空氣混合、混合氣體被點燃而快速燃燒釋放大量熱量、產生較強沖擊波等分過程。其中，如炮口二次火焰過大，將快速釋放出大量的能量(理論估算與發射藥在膛內釋放的化學能相當)，形成強烈沖擊波，沖擊波超壓傳播、加載到火炮及鄰近區域，增大炮架振動。

可以看出，火炮發射過程容易產生不平衡力的過程及異常原因有：(1)發射藥燃燒波傳播過程，原因有燃燒波傳播不對稱，有較大膛內壓力波等；(2)反后坐裝置聯動過程，原因有膛壓曲線沖擊力特性與反后坐裝置反應特性不匹配，如出現膛壓曲線沖擊力過大(或反后坐裝置后坐反應滯后)，或者膛壓曲線沖擊力過小(或反后坐裝置不反應)；(3)炮口排氣過程，原因有炮口壓力過大等；(4)炮口閃光過程，原因有炮口火焰過大等。

2.2 小口徑火炮發射過程炮架振動模擬試驗研究

采用的30mm火炮發射過程炮架振動模擬試驗裝置，其反后坐裝置為強力彈簧和液壓系統，炮管固定在彈性炮架上，彈性炮架固定在地面基礎上；緊鄰炮管中部、炮架中后部分別布置了兩個振動加速度測點，每個測點可以測試炮管軸向、垂向兩個方向上的振動加速度，如圖5所示。

圖5 30mm火炮發射過程炮架振動試驗裝置Fig.5 Gun mount vibration testing device in the launching process of 30mm caliber gun

30mm火炮試驗彈采用了制式30mm榴彈彈丸(砂彈)、藥筒(含底火)等部件，采用了7孔粒狀單樟藥或新型低爆溫三基發射藥。通過改變發射藥品種及其裝藥量，可以調節裝藥燃燒波傳播特性、膛壓曲線特性、炮口壓力特性、炮口閃光特性等。

炮架振動曲線測試系統由振動加速度傳感器、電荷放大器、數據采集器組成。其中，加速度傳感器測量范圍為0～7000g，頻率范圍為1～15kHz；信號調理器線性度為±1.0%(滿量程)，頻率范圍為1Hz～100kHz。測試過程中使用的儀器設備有加速度傳感器、電荷放大器、GENESIS數據采集系統、加速度傳感器安裝座及轉接頭、低噪聲電纜等，測試系統框圖如圖6所示。

圖6 炮架振動測試系統框圖Fig.6 Illustration of the testing system of gun mount vibration

采用壓力傳感器測試膛內壓力；采用常規靶線法測試彈丸初速。

通過30mm火炮發射過程炮架振動試驗，主要得到以下規律：

(1)膛壓曲線特性顯著影響炮架振動是主要發射振源，二者在時間、幅值上基本同步(見圖7)。

(2)炮口火焰明顯影響炮架振動，是重要發射振源，影響程度接近膛壓曲線的影響(見圖7)。

(3)炮口壓力對發射過程振動有一定影響(見圖7)。

圖7 30mm火炮膛壓曲線、炮口火焰、炮口壓力對炮架振動加速度的影響Fig.7 The influence of bore pressure curve, muzzle flash, muzzle pressure of 30mm gun on the gun mount acceleration

(4)膛壓峰值沖擊力過大或過小，均顯著增大炮架振動，并呈現碗狀曲線分布(見圖8碗狀曲線)。此規律與膛壓曲線對反后坐裝置的作用有關。在左邊碗沿上，膛壓曲線后坐沖擊力不足，反后坐裝置未啟動反應而運動失常；在右邊碗沿上，膛壓曲線后坐沖擊力過大，反后坐裝置來不及反應而運動失常。這兩種情況的反后坐裝置運動失常，造成后坐能量消耗不足，增大了炮架振動。

圖8 30mm火炮膛壓峰值沖擊力對炮架振動的影響Fig.8 The influence of bore pressure peak value shock force of 30mm gun on gun mount vibration

(5)火炮發射過程后坐長度的增長，炮架振動有降低的趨勢。此規律可用能量觀點來解釋，即隨火炮后坐長度越大，被火炮反后坐裝置吸收和消耗的后坐能量越多，則余下被轉化為炮架振動機械波的能量越小，因此炮架振動降低，如圖9所示。

圖9 30mm火炮發射過程后坐長度與炮架振動的關聯性Fig.9 The asssociation of recoil length and gun mount vibration in the launching process of 30mm gun

(6)發射藥燃燒特性不同，低振動膛壓區間不同。結果表明，對比初始緩燃的7孔粒狀單樟藥，采用初始速燃的7孔粒狀新型低爆溫三基藥后，火炮低炮架振動區域起始膛壓更低。這種規律與后者膛壓曲線峰值前端陡度較大，力學沖擊力較大，有利于在較低膛壓峰值條件下獲得較高沖擊力而進入低振動區域有關，如圖10所示。

3 大口徑火炮炮架振動主動抑制試驗驗證

3.1 試驗方案

大口徑火炮采用的振動測試系統與30mm火炮發射過程炮架振動試驗的測試系統相同。在火炮基座不同部位安裝了多個振動加速度測點，每個測點可以測試火炮軸向及垂向兩個方向上的振動加速度。同時測量膛壓曲線，炮口火焰現象。試驗分別采用了單基發射藥裝藥和三基發射藥裝藥方案，通過改變發射藥品號，調整裝藥量，調節裝藥膛壓燃燒壓力曲線，從而調節火炮射擊過程沖擊力特性，降低發射振動。

3.2 炮架振動主動抵制效果分析

大口徑火炮發射過程炮架振動測試結果見表2。

表2 大口徑火炮發射過程炮架振動測試結果

對兩種發射裝藥進行了大口徑火炮炮架振動試驗，實測振動加速度曲線如圖11所示。由圖11可知，對單基藥裝藥，三基藥裝藥炮架振動加速度均降低了22.1%以上。

圖11 兩種發射裝藥實測振動加速度曲線Fig.11 The vibration acceleration curves of two gun propellant charges

通過試驗研究，完成了大口徑火炮發射過程炮架振動特性檢測，得出以下規律：

(1)發射裝藥膛內燃燒過程顯著影響炮架振動大小。振動測試數據顯示，采用三基發射藥裝藥，通過對裝藥膛內燃燒過程進行優化設計，在保持彈丸初速不變、內彈道性能滿足要求的條件下，火炮發射過程炮架振動顯著降低。表明通過發射裝藥調整，優化膛內燃燒壓力時間-曲線，匹配火炮系統結構，可有效降低火炮發射振動。

(2)炮口火焰明顯影響炮架振動大小。試驗結果顯示，當出現炮口火焰，特別是較大的炮口二次火焰時，火炮炮架振動數值大幅度提高。

4 結 論

(1)通過分析火炮發射過程炮架振動過大導致的機械性損壞形式及主要原因，結合炮架振動機械波測試，提出的基于炮架振動加速度測試的炮架振動評價方法，能夠有效評價火炮發射振動特性量值。

(2)通過分析火炮發射過程炮架振動影響因素，以及火炮炮架振動試驗，認為控制裝藥膛壓特性是降低炮架振動的關鍵技術途徑。

(3)消除裝藥炮口二次火焰有利于顯著降低振動。

(4)研究結果證明，通過發射藥及裝藥優化設計，可以主動抑制火炮發射過程炮架振動，為主動抑制各種火炮發射振動提供了新思路。

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Active Suppression Technology of Gun Mount Vibration during Firing of Large Caliber Gun

WANG Qiong-lin，LI Qiang，GOU Bing-wang，ZHANG Jiang-bo，JIA Yong-jie

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China)

To actively suppress the vibration of gun mount during firing of large caliber gun, an assessment method of the gun mount vibration based on vibration acceleration test was presented. The factors affecting the gun propellant and charge of gun mount vibration in the firing process of gun were analyzed and gun mount vibration tests in the firing process were performed. Based on this work, a tri-base gun propellant and charge scheme were put forward and a comparison test with single-base gun propellant charge scheme was carried out. The results show that the acceleration of gun mount vibration for tri-base gun propellant charge scheme decreases by 22.1%. The gun muzzle has no secondary flame. The vibration assessment method can be used to effectively assess the characteristic values of gun launching vibration. Controlling the bore pressure characteristics of charge is the key technology approach to reduce the vibrication of gun mount. Eliminating the secondary flame of gun muzzle is beneficial to significantly reduce the gun mount vibration.

large caliber gun; ammunition; tri-base gun propellant; propellant charge; gun mount vibration; active suppression

2017-09-31；

2017-11-01

海軍裝備部型號研制項目

王瓊林(1966-)，男，研究員，博導，從事發射藥及裝藥技術、發射裝藥綜合治理技術研究。E-mail: wangqionglin359@126.com

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.06.001

TJ55;TQ562

A

1007-7812(2017)06-0001-06