長桿彈機械式脫殼技術研究

張漢武， 李 干， 王明洋

(解放軍理工大學 爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室， 南京 210007)

二級輕氣炮是一種通用的發射裝置，對彈體的材料、形狀和質量適用范圍寬，被廣泛的應用于高速、超高速問題的試驗研究[1]。在試驗發射金屬彈體時，出于保護發射管內膛的原因，須制作一種能包裹彈體的塑料材質彈托，彈托外徑與發射管內口徑一致，彈托攜帶彈體高速射向靶體。在輕氣炮高速/超高速碰撞試驗中，長桿彈彈托會影響到靶體的開坑效果。劉堅成等[2]進行了定心式彈托對次口徑彈體侵徹混凝土效應影響的研究，發現彈托附加質量對侵徹深度有明顯影響。因此，為避免彈托本身對試驗帶來的干擾，須設法對彈體進行彈托分離。

目前常用的脫殼方式主要分為氣動力脫殼和機械式脫殼。氣動式脫殼通過設計彈托的幾何形狀，使彈托在高速飛行中由發射管出口激波和周圍流場共同作用與彈體分離[3]。Schmidt等[4]進行了60 mm口徑氣體炮發射尾翼穩定穿甲彈試驗，研究了脫殼過程中引起彈道擾動的因素，認為通過實現快速彈托分離有助于減少氣動力的干擾。Zielinski等[5]通過試驗和工程建模技術，分析了電磁學在固體電樞軌道炮發射脫殼彈過程中所發揮的作用。Dick等[6]與進行了風洞試驗，研究了在脫殼過程中不同階段彈托表面的靜態壓力，為計算流體動力學軟件提供了可供參考的數據。與氣動脫殼相比，機械式脫殼通過外部脫殼器與彈托發生直接機械作用，實現彈托和彈體的分離，在此過程中彈體速度并不會損失。王金貴[7]采用錐形攔截器對二級輕氣炮發射超高速彈丸進行了彈托分離試驗，該脫殼裝置針對小型彈丸設計，對長桿彈適用情況并未研究。申超等[8]研究了利用木靶作為脫殼裝置的一種機械式脫殼方法，采用次口徑彈體，為同類型高速侵徹提供了參考。

長桿彈長徑比大，相對于超高速碰撞條件下的球形彈，彈托更長，質量更大，脫殼難度也更大。從目前的文獻調研結果來看，并未見針對長桿彈機械脫殼技術的公開報道。鑒于此，本文在現有的球形彈機械脫殼技術基礎上，通過改進，設計了一種適合長桿彈的機械脫殼系統，既能實現彈托分離又能充分發揮輕氣炮的發射性能。

1 機械式脫殼系統設計方案

長桿彈機械式脫殼系統的結構，如圖1所示，針對長桿彈彈托長、托底厚、質量大的特點，在設計時采用三段式減速機制：長桿彈飛出發射管后進入出口延伸段，彈托與脫殼器發生碰撞，之后彈托沿錐形脫殼器與減速器1撞擊，減速器1獲得速度后進一步與減速器2和彈托回收器組成三級減速和緩沖，并最終通過卡盤1和2中的橡膠環吸能完成彈托制動。彈托碎片由彈托回收器回收，長桿彈沿脫殼器內孔飛出，射向靶體，實現脫殼。

圖1 機械式脫殼系統示意圖

脫殼系統中，發射管出口延伸段與炮管同軸，起導向作用，以保證長桿彈準確進入脫殼器，并在延伸段的出口處設計帶有小段圓弧的預留空間，使分離的彈托順利進入減速階段；脫殼器前段為錐形，入口處外側采用大倒角處理，與彈托前端傾角匹配以便于引導彈托分離運動，脫殼器內管道采用小錐角收縮設計，以實現進入脫殼器的彈托底部材料的減速，更好的與彈體分離；減速器1、2為兩個金屬圓板，套在脫殼器上，可以滑動，彈托碎片撞上減速器1后，兩者會以更低的速度撞上質量更大的減速器2，進而實現二次減速；彈托回收器設置了較大空間用來回收分離的彈托碎片。卡盤1、2通過螺栓連接，中間放置多層橡膠圈，以發揮減振的作用。整個脫殼系統由卡盤1通過螺桿固定在發射管出口端。

彈托采用抗沖擊性好，機械強度高的聚碳酸酯材料[9]，由四瓣卡瓣及底推拼接而成，如圖2所示。彈托設計基于兩點考慮：① 減小彈托質量，降低彈托對脫殼器造成的損傷程度；② 彈托與脫殼器高速碰撞，彈托前端傾角與脫殼器外側倒角相匹配，實現更好的脫殼效果。

圖2 彈托結構

2 長桿彈脫殼實驗

實驗在解放軍理工大學爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室的100/30 mm二級輕氣炮上進行，實驗系統如圖3所示，由炮管、脫殼器、激光測速儀、光源、高速攝影、靶體、靶室等組成。彈丸在脫殼器內完成彈托分離后，采用激光測速儀測量彈丸速度，由高速攝影捕捉彈丸撞擊靶體的畫面。組合好的脫殼器和安裝好的脫殼系統如圖4所示。

圖3 實驗系統局部示意圖

實驗測得彈體發射速度為1 000 m/s，實驗前后脫殼裝置外觀上無明顯變化。拆解裝置，發現脫殼器外表面及彈托回收器內部均被碳化的聚碳酸酯所覆蓋，回收到大量熔化的彈托殘余。圖5所示的是清理后在減速器1上觀察到的彈托撞擊留下的印痕，對稱分布；脫殼系統其他構件均未受損傷，脫殼器幾乎未發生變形(如圖6所示)。說明此脫殼裝置設計合理，脫殼過程穩定、可靠。

圖5 試驗后的減速器1

圖6 脫殼器實驗前后對比

圖7為高速攝影捕捉到完成脫殼后的長桿彈即將撞靶的照片，通過高速攝影看出，長桿彈飛行姿態穩定，僅有少量彈托殘余隨彈體一同飛出。說明彈托分離效果良好，成功實現了長桿彈的機械式脫殼。

圖7 長桿彈照片

3 長桿彈脫殼過程數值模擬及工作性能分析

采用FEM-SPH接觸耦合算法[10]對彈托與脫殼器間的高速碰撞進行數值模擬。由于模型結構相對復雜，AUTODYN軟件自身前處理模塊無法建立模型，故利用ANSYS軟件完成建模前處理，生成K文件，導入AUTODYN軟件進行后處理。卡瓣及底推所用材料為聚碳酸酯材料，密度為1.19 g/cm3，采用SPH模型，粒子尺寸為0.3 mm。彈丸及脫殼器所用材料為30CrMnSiNi2A鋼，采用Lagrange模型，六面體單元。彈體長54 mm，直徑10.8 mm，密度為7.85 g/cm3，長徑比為5。對脫殼器采用梯度網格劃分方法，端部加密，減少計算時間的同時保證結果的精確性。彈托與脫殼器及彈體間摩擦系數設為0.51[11-12]。

30CrMnSiNi2A鋼、聚碳酸酯狀態方程采用Shock方程，該方程適用于絕大多數固體和液體材料，且形式簡單。表達式如下

U=c0+s1up

(1)

式中:U為沖擊速度，c0,s1為材料常數，up為質點速度。

30CrMnSiNi2A鋼在不同的沖擊條件下，具有一定的應變率效應，其強度模型采用Johnson-Cook模型，綜合考慮應力硬化、應變率效應、及熱效應，其表達式如下

(2)

(3)

式中，Troom為室溫，Tmelt為熔點溫度。

聚碳酸酯材料強度模型采用Von Mises準則，其屈服強度為89.7 MPa。

簡化后的仿真模型，如圖8所示。長桿彈在發射速度為1 000 m/s時的脫殼過程，如表2所示。

圖8 長桿彈機械脫殼數值仿真模型

彈托在與脫殼器發生高速碰撞后，以近似流體的狀態沿著脫殼器上表面飛行，同時會有少部分彈托碎片進入脫殼器與彈體間的縫隙。彈托后表面為自由界面，沖擊波傳到后反射為拉伸波，當拉伸波傳播到彈托與彈丸的交界面時，再次反射，使兩者分開。繼續飛行一段距離后，彈體與彈托殘余逐漸分離，順利脫殼。

如圖9所示,在長桿彈撞擊靶體0.11 ms后，被脫殼器切割的彈托殘余出現在高速攝影所拍攝的畫面中。經計算彈托殘余速度約為975 m/s，數值模擬中設置觀察點的彈托殘余速度為953 m/s，與試驗相差約2.26%，數值模擬與試驗吻合度較高，說明其結果是可靠的。數值模擬中，長桿彈初速度為1 000 m/s，完成脫殼后，其速度為996.5 m/s，速度損失0.35%，而在氣動脫殼試驗中，彈體速度損失往往達到10%～20%[13]，由此可知，相對于氣動脫殼，此種脫殼方式可充分發揮氣體炮的發射性能。

圖9 彈托殘余照片

令長桿彈分別以500、1 000、1 250、1 500、1 750 m/s的速度進行機械式脫殼模擬。研究在不同速度條件下，彈托對脫殼器造成的損傷。整理后如表3所示。

從表3可知，在速度500、1 000、1 250 m/s條件下，彈托對脫殼器影響很小，幾乎不產生變形；速度為1 500 m/s時，脫殼器頭部開始出現微小變形，當速度達到2 000 m/s時，脫殼器在彈托的沖擊下，發生嚴重變形。由此，可認為速度低于或接近1 500 m/s時，脫殼器工作性能較好，可重復進行試驗；當速度很達到1 750 m/s及以上時，脫殼器受沖擊變形嚴重，需更換脫殼器。

4 結 論

本文通過對脫殼原理分析，結合脫殼試驗和數值模擬兩種方法，研究了長桿彈機械式脫殼技術，數值模擬與試驗結果高度吻合，再現了長桿彈整個脫殼過程，并對脫殼器工作性能進行了分析。得到以下結論：

(1) 長桿彈機械式脫殼系統設計合理，彈體著靶姿態穩定，速度損失小，脫殼效果十分理想。

(2) 長桿彈發射速度較小時，脫殼器可重復使用，超過1 500 m/s時，脫殼器受損較為嚴重，需更換脫殼器。