某復合增程修正彈近彈原因分析*

劉 猛，楊 瑩，卜祥磊，倪慶杰

(1 沈陽工學院，沈陽 113122；2 遼沈工業集團有限公司，沈陽 110045)

0 引言

底排火箭復合增程修正彈不同于普通彈道，其飛行特點是：彈藥在發射前進行信息裝訂，發射后依次點燃底排裝置、火箭發動機和戰斗部，在彈丸飛行過程中，接收機進行定位，飛行控制器預判彈丸落點坐標位置，適時展開阻力片，實現彈道修正[1]。由于底排與火箭的復合，其外彈道飛行過程顯得尤為復雜，對射程影響的因素較多。文中通過對串聯式某型底排火箭復合增程修正彈的理論分析、仿真及試驗，逐一排查近彈原因，研究結果對解決復合增程修正彈近彈問題具有一定的指導意義。

1 試驗情況

某增程修正彈進行低溫摸底試驗，射擊5發(不修正射擊模式，不開阻力環)，出現3發射程近的現象，試驗結果見表1。

表1 試驗數據現場記錄表(射擊條件：射角30°，射程預設30 km。彈藥保-40 ℃低溫)

1.1 試驗現場情況

a)試驗第1發、第3發、第4發的射程較第2發、第5發正常彈近5～6 km(射程較正常彈近17%～20%)；方向極差72 m(5發彈方向偏差正常，5發彈初速正常)。

b)射前、射后均對火炮進行了檢查，炮口制退器及火炮身管內膛沒有發現異常。

c)試驗后，在炮口前方沒有找到底排碎藥，說明底排工作正常。從炮位觀看，底排和火箭工作正常。

d)在炮位聽彈丸飛行的聲音，沒有異常。

1.2 雷達跟蹤情況

多普勒雷達對5發彈測量速度過程均正常，均能夠在彈丸出炮口0.3 s實現對該彈徑向速度的測量，測量結果如圖1所示。

圖1 雷達測量彈丸徑向速度數據圖

靶場試驗反饋的雷達數據顯示：第1發、第3發、第4發近彈出炮口后速度降劇烈，火箭發動機均在設定時間正常工作。

從雷達速度瀑布圖上可見，第1發、第3發、第4發近彈出炮口后初始段速度回波信號噪聲大，對5發彈出炮口附近時間段速度降統計如表2所示。

表2 不同時間區間內各發彈的速度降 m/s

從表2數據可見，在0～5 s內，異常近彈(第1發、第3發、第4發)出現巨大的速度降(平均317.3 m/s)，該速度降遠大于正常彈(第2發、第5發)的速度降(平均197.2 m/s)；而在5～10 s時間內，異常近彈速度降與正常彈差異減小。

該雷達除對第4發跟蹤數據不全，對其余4發均實現穩定跟蹤，數據結果如圖2、圖3所示。

圖2 LM-314坐標雷達射距X數據圖

圖3 LM-314坐標雷達射高Y數據圖

1.3 近彈回收情況

將第3發和第4發近彈挖出，對回收的2發近彈檢查發現：

a)底排裝置殼體完好，未脫落；

b)戰斗部與發動機連接正常；

c)彈丸導帶火炮陽線印痕正常，導帶工作正常；

d)彈丸上定心部、下定心部及尾部未發現火炮陽線印痕，證明彈丸在膛內擠進過程正常。

2 計算分析

2.1 飛行速度降分析

3發異常近彈2 s時的速度降分別為153 m/s、165 m/s和167 m/s，表明這3發近彈一出炮口飛行就存在巨大阻力，造成出炮口短時間內存在超大速度降，這種速度降較正常彈和以往有時底排出炮口工作性能不穩定對應的速度降有明顯差異(正常彈2 s時速度降約90 m/s)。如果這3發彈出炮口 2 s的速度降對應急劇增大的阻力是由炮口附近擾動產生的章動引起，依據異常近彈出炮口后出現的急劇增大阻力系數，由文獻[2]中理論計算可估算出異常彈出炮口阻力系數最大幅值處所對應的章動角約為13°～15°，正常飛行炮彈的炮口章動角要遠遠小于這一數值。

2.2 飛行阻力系數分析

提取2發異常近彈和2發正常彈的底排工作段和底排非工作段阻力系數Cx，4發彈丸的阻力系數曲線如圖4所示。

圖4 4發彈阻力系數隨時間變化曲線對比

由圖4可見，異常近彈在0～7.5 s內阻力急劇增大，在 2.5 s處異常近彈阻力系數約為0.45～0.47，正常彈阻力系數約為0.21；在2.5～7.5 s內，異常近彈的阻力系數迅速減小，并向正常彈阻力系數狀況回歸；后續彈道段2發異常近彈的阻力系數較正常彈阻力系數平均增幅約7%～8%。這種現象同以往出現過的一般底排工作性能不穩定現象完全不一樣。

3 原因排查分析

3.1 試驗條件排查

此次試驗使用新換身管火炮。本次試驗(出現近彈情況)后，又進行了5發常溫試驗，工作正常，表明火炮機構動作正常，火炮狀態良好，可排除。

射擊試驗前，進行地面、高空氣象探測，氣象條件均滿足射擊要求，未見異常，可排除。

3.2 彈藥問題排查

3.2.1 彈丸飛行不穩定分析排查

將回收的兩發近彈外觀檢查，導帶上的陽線均勻、正常；彈丸下定心部無火炮陽線印痕。通過對火炮身管進行檢查，火炮身管不存在燒蝕、磨損嚴重現象，故可排除彈丸膛內運動差造成的異常近彈。

取彈丸的結構和靜參數偏差最大值，進行計算分析，可得出炮口初始擾動引起的最大章動角為2°～3°，不支持這3發近彈現象。

此外，根據兩發回收的近彈彈體可見，彈丸表面和彈帶磨損正常，彈丸上定心部、下定心部及底排殼體部沒有火炮陽線印痕。試驗后觀察炮口制退器上沒有劃痕，火炮內膛未見異常，故由彈炮匹配引起炮口附近出現擾動大現象可排除。

3.2.2 彈丸外形變化排查分析3.2.2.1 修正引信排查分析

由修正引信外形變化引起的異常近彈可有3個因素：接收裝置的風帽脫落、電子頭脫落及阻力環提前張開。對這3個因素進行了排查。

1)接收裝置的風帽脫落

接收裝置的風帽(如圖5所示)采用尼龍46材料。尼龍46具有較好的抗沖擊性能和較好的耐熱性能，廣泛用于炮彈產品。但尼龍46材料存在低溫脆性問題，抗拉強度較常溫大幅度下降，不排除由于結構設計缺陷造成低溫強度不足，發射時，在離心力作用下產生破裂的可能。

圖5 接收裝置的風帽

風帽厚度為2 mm，較為輕薄。此風帽采用上、下壓螺安裝，上、下膠粘及凹槽等方式固定于接收裝置外部。炮彈發射后，在離心力作用下，如果風帽在炮口附近出現撕裂，飛行阻力急劇變大，飛行較短時間后，接收裝置的風帽整體脫落，彈丸阻力迅速減小，接近正常狀態。風帽脫落后，引信表面產生2 mm的凹臺，經計算此種外形變化所引起的全彈阻力增幅約7%～8%，與近彈10 s后彈道段阻力系數與正常彈阻力系數差異7%～8%正好相符，故由此種故障引發射程異常的情況不能排除。

2)電子頭脫落排查

圖6 電子頭脫落后阻力系數與異常近彈阻力系數對比

將電子頭脫落后阻力系數與異常近彈阻力系數對比，如圖6所示，電子頭脫落前，彈頭直徑為14 mm，脫落后，彈頭直徑將變為45 mm。通過理論計算，電子頭脫落后，全彈阻力系數將增加40%。考慮到電子頭脫落為永久性損傷，因此在全彈道段，電子頭脫落條件下的阻力系數較正常彈都將大40%左右。然而近彈在10 s后，其阻力系數與正常彈阻力系數差異在7%～8%左右，掉電子頭后的阻力系數曲線和異常近彈的阻力系數曲線明顯不一致。由電子頭脫落引起本次近彈原因可排除。

3)阻力環提前打開和阻力環打開不一致

彈上的阻力環如果出炮口就打開，會造成出炮口后炮彈阻力急劇增大，造成近彈[3]。以假設彈上阻力環一出炮口就完全張開狀況為例，估算上述兩種假設條件下的阻力系數變化曲線，將其與異常彈提取的阻力系數曲線進行對比，如圖7所示。

圖7 出炮口阻力環全部張開與異常近彈阻力系數對比

如果出炮口后阻力環完全張開，射程為16.6 km，該射程要遠小于3發近彈的平均射程(23.8 km)。從圖7假設情況阻力系數曲線可看出，阻力環出炮口完全張開的阻力系數曲線在阻力環張開后其阻力系數在后續彈道段均會產生幾乎相同的阻力系數增幅。這與本次異常近彈出炮口阻力系數異常增大其值約為正常彈阻力系數2.3倍、后續阻力系數增幅7%～8%變化趨勢不一致，故阻力環出炮口完全張開故障或張開一半的故障假設可以排除。

3.2.2.2 半備彈丸外形變化分析

如果彈丸出炮口時底排裝置脫落，彈丸出炮口后會失穩，影響射程[4]。對回收的2發異常近彈檢查，底排裝置沒有脫落，可排除。

如果火炮燒蝕嚴重、導帶或收帶加工裝配質量不滿足要求，可能會造成導帶在膛內被火炮陽線削平，從而造成彈丸出炮口后失穩，出炮口擾動大，影響射程[5]。從回收的2發異常近彈檢查可見，導帶存在且其表明的火炮陽線印痕完整，可排除。

統計5發彈的火箭增速，火箭增速正常，且一致性較好，表明火箭發動機工作正常?；鸺l動機點火時間異常、火箭發動機增速低、火箭發動機未工作故障可排除。

3.2.3 底排工作異常排查分析

如果底排藥柱力學性能不足，則會造成發射時底排藥柱破碎，影響底排的減阻性能。兩發正常飛行的彈丸其出炮口阻力系數約為0.2，即便底排不工作，其全彈阻力系數在出炮口段也僅約為0.24～0.25，而近彈出炮口阻力系數為0.46～0.48，約為正常彈的2.3倍。且近彈阻力系數在7.5 s后阻力系數趨于正常，保持較正常彈阻力系數高7%～8%直至結束，即便底排不工作，射程近2 km左右，與本次試驗近5～6 km不符。同時炮口前附近未發現底排碎藥?；厥债惓椀着虐餐暾?，底排藥劑燃燒充分，可證明異常彈底排工作過程正常，故由于底排藥柱力學性能低引起底排減阻率低造成近彈可排除。

3.2.4 假設異常模式對應射程的仿真計算

按照30°射角計算不同假設異常模式對應射程見表3。

表3 不同假設異常模式對應射程計算表

根據外彈道仿真計算，底排和火箭均不工作、電子頭脫落、底排裝置脫落、接收機風帽異常脫落4種失效模式的射程與近彈接近。前3種假設可通過分析速度曲線、回收近彈彈丸實物、阻力系數曲線等可以排除，而接收機風帽脫落，其仿真射程和阻力系數變化曲線與近彈接近，故不可排除。

4 故障定位

通過分析排查，僅有接收機風帽脫落故障假設計算的阻力系數曲線與3發近彈提取的阻力系數曲線相類似，射程也接近。

故引起這3發異常近彈故障的可能因素定位為：接收裝置的風帽在低溫時抗拉性能下降，在離心力作用下，出炮口后撕裂、張開、脫落，引起出炮口后短時間內阻力系數急劇增大，產生巨大速度降；脫落后，接收裝置外形產生2 mm的凹臺，引起其彈形對應的阻力系數較正常彈增幅約7%～8%，造成近彈。

5 改進措施及結論

優化風帽結構設計，減少應力集中。優化后的結構見圖8。

經上述改進措施后，進行了3組低溫驗證試驗，試驗結果全部正常，說明該產品低溫近彈問題得到徹底解決。該研究成果可推廣其他復合增程修正彈近彈問題排查。

圖8 優化后的風帽