一種高速破片加速裝置設計研究

羅智恒,向 永,何 碧,韓 勇

(1.中國工程物理研究院 化工材料研究所,四川 綿陽 621900;2.中國工程物理研究院 研究生院,四川 綿陽 621999)

破片發射裝置是破片撞擊試驗中高速破片的加載手段,通過對破片的定向驅動,得到滿足速度和質量要求的破片。常用的破片發射裝置包括破片發生器、爆炸成型彈丸(EFP)和二級輕氣炮等。Held[1]設計了一種無約束的單枚破片發射發生器,將破片置于柱殼裝藥的一端定向驅動,建立起破片參數與破片威力的對應關系;文獻[2]借鑒定向戰斗部的設計概念,設計了特殊的藥型罩參數,通過裝藥型面的張角設計控制破片飛散方向,從而獲得高密度破片群;這種裝置有利于試驗測試和分析,適合大藥量戰斗部試驗,成本可控,但為一次性裝置,不可重復使用。二級輕氣炮加載破片雖然一致性和速度穩定性均較好,但成本昂貴,防護困難,試驗條件要求高。

本文按照破片試驗所需破片參數設計了一款口徑為25 mm的彈丸發射裝置,用于發射破片,采用火藥燃燒驅動的技術來實現高速破片加速,經過多次試驗驗證,效果良好。

1 高速破片內彈道計算和發射裝置設計

1.1 彈丸發射裝置內彈道計算

根據內彈道計算基本公式組,采用迭代計算方法,計算火藥驅動彈丸的內彈道參數,燃速方程采用正比燃速方程以估算簡單結構火藥的裝藥情況[3-4]。

幾何燃燒定律為

ψ=χz(1+λz)

(1)

式中:Ψ為火藥燃燒掉的相對質量;χ,λ為火藥幾何燃燒的系數;z為火藥已燃燒的相對厚度;ψ,χ,λ,z均為無量綱量。

正比燃速方程為

(2)

式中:p為膛內壓力,kPa;Ik為燃氣壓力全沖量,kPa·s。

彈丸運動方程為

(3)

式中:S為炮管截面積,m2;φ為次要功系數,且為無量綱量;m為彈丸質量,kg;v為彈丸速度,m/s。

內彈道能量轉換基本方程為

(4)

式中:lψ為自由容積縮徑長度,m;l為彈丸運動距離,m;f為火藥力,kN·m/kg;me為裝藥質量,kg;絕熱指數θ=k-1,且為無量綱量。

擬設計25 mm口徑、炮膛長度4 m的發射裝置,其內彈道計算使用的火藥參數見表1。表中,ρ′為火藥密度,α為火藥氣體余容。對2種質量彈丸的發射內彈道進行了計算,圖1是200 g火藥驅動75 g彈丸的壓力、速度、位置的計算結果,其中,膛壓為243 MPa,出口速度為2 500 m/s。表2給出了不同裝藥量的膛壓、出口速度結果。表中,mp為彈丸質量,me為火藥裝藥量,ρ為裝填密度,p為膛壓,vp為出口速度。選用火藥的裝填密度在一般火炮設計的裝填密度經驗值范圍[5]400～700 kg/m3內。

表1 計算用火藥參數

圖1 典型內彈道計算結果

mp/gme/gρ/(kg·m-3)p/MPavp/(m·s-1)752006792432 500751806111772 160751605431271 86075140475901 580502006791712 470501806111252 16050160543901 86050140475631 570

1.2 發射裝置設計

根據內彈道初步計算,擬將發射規?？刂圃趶椡栀|量75 g、裝藥量200 g左右,考慮到加工因素,設計的彈丸發射裝置發射炮管為多段拼接,見圖2。

圖2 25 mm彈丸發射裝置結構示意圖

1.3 強度校核和安全系數分析

根據第二強度理論(最大線性應變理論)校核炮管強度[7-8],炮管的承壓極限為

(5)

(6)

式中:p1為承壓極限,MPa;σs為材料屈服/拉伸強度,MPa;a為炮管徑比,且為無量綱量;r2為炮管外徑,mm;r1為炮管內徑,mm。

設計裝置的膛壓-位置曲線見圖3,各段的強度核算結果見表3。表中,pmax為最大膛壓,pY為屈服承壓極限,μY為屈服安全系數,pT為拉伸承壓極限,μT為拉伸破壞安全系數,在炮膛和基管段的膛壓最大,其值為250 MPa,設計發射裝置使用高強度鋼材,其標稱拉伸強度為1 400 MPa,由此計算安全系數(材料標稱強度/材料強度)可達到3.9,因此該裝置設計有足夠的安全余量。

圖3 不同裝藥量的內彈道膛壓-位置曲線

炮管段名pmax/MPa屈服強度核算pY/MPaμY拉伸強度核算pT/MPaμT延長管1086456.08547.9延長管1346454.88546.4延長管1726453.88545.0延長管2306452.88543.7基管2506592.68723.5炮膛2506822.79033.6

2 高速破片加速試驗驗證

2.1 試驗設計

試驗使用25 mm彈丸發射裝置裝填發射藥,對彈丸(破片和彈托組合件)進行發射試驗,用炮口前方安裝收彈箱回收彈丸,采用高速攝影測試彈丸飛出情況和彈速,并采用通斷網靶測試彈丸速度。試驗布局示意圖如圖4所示。

圖4 試驗現場布置示意圖

根據破片試驗要求,設計了如圖5所示的試驗用彈丸,其中,破片材料為軟鋼,質量為18.4 g;彈托材料為聚四氟乙烯,采用3種彈托,破片與彈托可組合成37 g、55 g、73 g 3種質量的彈丸進行試驗。

圖5 試驗彈丸示意圖

試驗前對火藥驅動37 g、55 g、73 g 3種質量彈丸的內彈道情況進行了計算,繪制了速度、壓力與裝藥量、彈丸質量的關系圖,見圖6。圖中,虛線為裝藥量,實線右側為危險區域,其他線為彈丸質量。由于該裝置的發射膛壓需限制在250 MPa以下,因此,試驗前應對彈丸質量和裝藥情況綜合分析,可通過比對內彈道計算、強度校核的安全系數分析結果,控制裝藥量避免超出發射裝置膛壓限制。

發射裝置的性能檢測試驗順序以膛壓逐步升高的順序進行,試驗裝藥量參照表4進行裝填。表中,mp為彈丸和彈托的總質量,me為火藥裝藥量,vs為預定速度,ps為預計膛壓。根據圖6中發射藥量-彈速關系曲線,分析預估膛內壓力情況,以保證膛壓在不超過250 MPa狀態下工作。

2.2 驗證試驗

驗證試驗實際使用了約50 g和65 g的組合彈丸,獲得較理想的加速效果,試驗結果見表5。表中,ms為鋼制彈丸質量,vp為實測彈丸速度。試驗表明,采用本文所設計的發射裝置,可以將18.4 g鋼質的彈丸加速至1 840 m/s,達到彈藥安全性破片試驗的要求。

表5 25 mm彈丸發射試驗結果

圖7是試驗前、試驗后的彈丸照片,發射的破片撞擊沙袋后仍具有良好的完整性。

圖7 試驗前及試驗后彈丸照片

3 結束語

通過數學模型計算分析和試驗驗證,說明所設計的25 mm彈丸發射裝置系統方案是合理可行的。通過試驗,獲得了25 mm彈丸發射裝置的裝藥量與彈速的關系;考察了2種破片、彈托組合,在不同裝藥量加速時的破片速度;試驗也確認了彈丸發射裝置使用的安全性。該試驗裝置可以靈活安裝,利于裝置的重復利用,縮短了試驗周期,減少了試驗成本,為高速破片加速提供了一種新的解決方案。