一種高速破片加載裝置設計與實驗研究

李廣嘉，呂永柱，孔慶強，梁安定

(西安近代化學研究所， 西安 710065)

破片速度是評價破片戰斗部毀傷效能的重要指標之一[1]。由于速度是導出量，無法直接測量，存在精度、場地、經濟等方面限制導致時間、距離測量精度不高，進而影響戰斗部結構設計，顯然這種獲取判據的方法已經不滿足于現今的戰斗部破片速度特性研究?，F有技術中，常規制式身管類破片加載裝置只能將破片加載到最高速度1 600 m/s，在實際工程運用上，對于戰斗部破片威力性能評估、目標易損性、戰斗部裝藥安定性等破片類的試驗研究，該類測試裝備則不能覆蓋常規戰斗部破片速度的研究需求。另一種作為破片加載裝置的輕氣炮，可以將破片加載到8 000 m/s的速度，但是輕氣炮加載破片的質量為0.58 g[2]，不能滿足戰斗部實際破片質量需求，而且試驗必須在室內進行，存在機動性差，速度重復性差，破片易碎，適用范圍小等缺點。因此，本文設計了一種破片加載裝置，采用增大藥室，提高裝藥量和延長身管長度，加強做功能力，以此提高裝置發射破片初速。該裝置與測速靶組建的破片速度測試系統，獲取了3種10組不同工況條件的破片速度值，結果表明破片高速加載裝置可以將15 g破片速度加載到2 149 m/s，且加載的破片速度穩定，重復性好，能夠覆蓋工程上戰斗部設計最為關心1 500～2 200 m/s發射初速為目標，可以用于檢驗戰斗部加載破片能力、戰斗部目標易損性等，具有一定的應用價值，能夠為戰斗部研究提供了新的技術途徑[3-5]。

1 破片加載裝置

1.1 破片加載裝置結構

本文設計破片加載裝置由發射體和移動牽引發射架兩部分組成，發射體包括身管、組合炮閂、備帽、復進機、助推器和底座。移動牽引發射架底部為鋼質平臺，與發射體底部鋼板設計相同的安裝螺栓孔，使其與發射體緊密配合，使該裝置具有完備的發射身管水平調節、炮口方向自由調整等功能。加載裝置將質量2～30 g的破片初速加速到1 500～2 200 m/s，發射架必須具有足夠的初力，并在后座作用的過程中存儲足夠的能量，完成后座復進循環，以有效控制加載裝置發射破片時受力和運動。

破片加載裝置發射體設計思路是：將發射身管長度延長至4 m，其中發射身管口徑為25 mm，身管長度延長，可以加大做功能力；藥室采用海30藥筒，增大藥室及裝藥量，有利于獲得高膛壓(圖1)。

圖1 破片加載裝置圖

1.2 破片加載裝置工作原理

破片加載裝置以火藥燃燒做功，驅動模擬破片彈體沿發射管加速運動，彈體脫離發射管后通過氣動脫殼，破片沿彈道運動，完成高速運動破片的速度加載。發射體和移動發射架一般分開放置，使用時先將移動發射架布置在發射位置，發射架到位后將發射體放置在發射架頂部鋼板上，并用10個16 mm螺栓固定，調整發射身管方向和水平，完成破片高速載裝置實驗準備。發射模擬破片過程為：首先將彈體裝入炮尾坡膛處定位，然后將裝有發射藥的藥筒裝入身管，關閉炮閂，利用電擊發方式將火藥點燃，通過發射裝藥在膛內燃燒做功，以火藥燃氣驅動彈體，將質量50 g的模擬破片加速到1 500～2 200 m/s，并通過改變裝藥量和模擬破片的破片質量，完成對不同破片的彈體初速加載。身管用來賦予破片初速和飛行方向；炮閂用以關閉炮膛，擊發火藥；助推器用以保證發射體的復位；移動發射架的復進機，可以控制加載裝置發射破片時受力和運動；水平調節、方向調整功能，可以有效的保證發射體工作姿態；炮杵為發射架受沖擊時提供很好的穩定支撐。

2 模擬破片

模擬破片是由彈托、破片(方形破片、球形破片、圓柱形破片)、底推、底推片等組成。其中破片為有效載荷，其質量范圍為2～30 g。模擬破片如圖2、圖3所示。

結合工程上破片戰斗部的實際應用情況，設計了2 g、4.7 g、30 g球形鎢珠；9 g、15 g圓柱形；10 g、15 g立方體等3種戰斗部常用典型破片的模擬破片的模擬破片。彈托、底推、底推片與破片質量合計為50 g。機械設計我們遵循等效質量原理，即模擬破片中的有效載荷——破片，與常規破片質量相當，這樣才能在實驗中更好的展現實際破片的運動狀態、存速能力和毀傷能力。

模擬破片采用次口徑脫殼設計方案，這樣可以最大限度的保證破片的幾何外形。

圖2 模擬破片

圖3 底推、底推片、破片、彈托

3 破片速度實驗

3.1 理論分析

根據各有關現象的物理實質，建立相應的內彈道數學模型，以掌握火炮彈藥系統與彈道規律之間的關系，采用經典內彈道數學模型[6]：

ψ=χZ(1+λZ+μZ2)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

本實驗的模擬破片沿身管全行程l=4 m；火藥力：f=1 048 800 kg·dm/kg；火藥密度：δ=1.6×103kg/m3。利用Matlab/Simulink編寫程序并得到不同裝藥量條件下的最大膛壓和出炮口速度見表1。

表1 高速加載裝置及裝藥內彈道計算結果

注：最后一行數據僅為理論計算結果，故不剔除。

3.2 破片加載裝置考核試驗

為考核高速破片加載裝置發射破片速度的能力，開展了破片速度測試實驗對其進行驗證。破片速度測試系統如圖4所示，由破片高速加載裝置、彈托回收器和區截測速靶等組成。在彈道軸線上，距破片發射裝置身管前端10m處擺放彈托回收器，15 m處布設破片測速靶。實驗時破片發射裝置為水平放置，彈道中軸線與場地寬邊平行并且居中，發射身管軸線距離地面高度約為1.3 m，發射破片質量15 g,裝藥質量為150 g、170 g、180 g、190 g、210 g，共5組。由區截測速靶測量破片速度，并利用數理統計方法計算得到不同裝藥量條件下的破片速度。具體實驗數據見表2。裝藥質量210 g,發射質量2 g、4.7 g、9 g、10 g、15 g、30 g不同外形破片，共5組。得到不同質量不同形狀的破片速度。實驗數據見表3。

圖4 破片速度測試實驗布設示意圖

序號火藥型號模擬破片/g破片/g裝藥/g速度/(m·s-1)12345單樟4/749.7151501 685.749.8151701 831.549.7151801 897.550151902 020.249.9152102 164.5

表3 不同破片質量測速試驗結果

4 實驗結果分析

1) 破片發射裝置加載能力。從表1可以看出：50 g的模擬破片在130～210 g裝藥量的條件下，破片高速加載裝置可以將破片加載到1 500～2 200 m/s，最大膛壓在117～352 MPa。相對于目前常規制式身管類破片加載裝置只能將模擬破片加載到最高速度1 600 m/s，該破片加載裝置很大地提高了破片的加載速度。

試驗測試數據如表2、表3所示，裝藥量為210 g時，在距身管口15 m處所測破片速度為2 164 m/s?？紤]該速度為距身管15 m處的破片速度衰減值，則可以認為破片發射初速(出身管口速度)大于2 200 m/s，故破片高速裝置加載能力仍有余量，可以滿足加載2～30 g破片初速1 500～2 200 m/s的設計要求。

2) 破片發射速度穩定性。表4給出了破片實驗的速度均值與計算結果及其誤差。

表4 破片速度實驗值與計算值

由表4可知：對于15 g破片的不同發射裝藥量的計算結果與實驗結果比較吻合，兩者的誤差小于3%。該破片高速加載裝置的發射體在火藥燃燒做功下最高可以將質量為15 g 的破片加載到2 149 m/s，可以滿足戰斗部破片速度考核的要求。

5 結論

設計了一種破片高速加載裝置用于模擬戰斗部的破片速度，獲取高速破片值。采用破片高速加載裝置及區截測速系統，對3種不同條件的破片速度進行測試，通過對實驗數據及計算數據的分析，表明該破片高速加載裝置可以將15 g的破片初速加載到2 149 m/s，速度測試均值與計算值誤差小于3%，驗證了系統的穩定性，對戰斗部破片速度考核提供了一種技術途徑，具有重要的工程意義。