模擬炮射試驗氣密性與過載量關系分析

曹塬，羅建華，何予涵

（西安北方光電科技防務有限公司，西安 710043）

引言

從1949年至今，我國武器裝備經歷了從引進、仿制到自主研發的過程，時至今日在武器裝備性能上取得了顯著的成就。在解決了從無到有的問題后，可靠性成為我國武器裝備發展急需解決的問題。在各類針對武器裝備的環境試驗、可靠性試驗中，我國也經歷了從技術引進到自主研發的過程，當前面臨著提高試驗精準度、減少試驗故障、保障試驗質量的難題與瓶頸。

近年來末制導炮彈產品百花齊放，炮射武器裝備的力學強度抗沖擊性長期以來是研發、生產過程中的難點，也是考核產品各項性能中的重點。在炮射試驗中，發射藥量、環境溫濕度、筒壁溫度等均是影響試驗過載的重要因素，如何在高過載下保證試驗過載的精準度，排除模擬炮射試驗中不穩定因素，是模擬炮射武器試驗設備使用與維護的重點。

1 模擬炮射試驗簡介

1.1 試驗目的

用模擬末制導炮彈發射瞬間，驗證被試品各零部件與整體抗高過載能力。通過試驗檢查被試品外觀與物理結構變化，測試被試品性能，并分解被試品，檢測各零部件抗沖擊能力，以此判斷其整體與部件的抗高過載性能、安全性、可靠性等是否滿足產品的要求。

1.2 模擬試驗原理

在模擬炮射裝置內，用專用固定工裝，將被試品固定于試驗艙內，通過調整發射藥量和燃燒室體積以控制過載大小，并以試驗后銅柱的潰縮量經公式計算獲取所需的過載加速度值，以此模擬末制導炮彈的實彈發射瞬間，如圖1所示。

1.3 試驗臺工作過程

將加速部件5（見圖1）靠向模擬炮膛1并用螺母與其固定，裝有被試品的試驗艙2位于試驗臺加速室內，發射藥筒3裝入試驗臺裝藥室內并緊貼試驗艙2底部的鋁柱，關閉閂體，試驗臺管子內腔充滿壓縮空氣，其壓力值達（1.7±0.15）MPa。

圖1 模擬炮射試驗臺

當試驗臺控制柜電路給發射藥筒尾部電點火器提供電壓時，發射藥被引燃，在燃燒形成的氣體壓力作用下，試驗艙加速，加速度作用在被試品上。

當試驗艙運動經過排氣窗口時，發射藥筒燃氣排入大氣中，而產品試驗艙行進到模擬炮膛內，空氣被壓縮、產生制動。被試驗艙壓縮的空氣，從模擬炮膛經連接孔進入側管，再從側管進入試驗艙后面的空間。

試驗艙被制動停下，并在壓縮空氣的作用下開始反向運動，此時壓縮其后面的空氣并將其經孔、側管排入模擬炮膛前部。在試驗艙反向運動停止后，在其后面的壓縮空氣作用下，重新向前運動。試驗艙在模擬炮膛內可能要往復運動幾次，才可完全停頓下來。

至此，試驗臺工作結束。從試驗臺上取出試驗艙，并從試驗艙中取出被試品，進行試驗結果分析。

1.4 過載加速度測量方法

1.4.1 膛壓法

被試品應在模擬炮射試驗臺內與實際火炮內所受直線慣性力相等，膛壓與時間的曲線相似，公式、曲線（圖2）如下[1]：

圖2 模擬炮射試驗臺發射時（P-t）曲線

式中：

F1—火炮發射時被試品所受力的數值，單位為牛頓（N）；

F2—模擬炮射試驗設備發射時被試品所受力的數值，單位為牛頓（N）；

P1—火炮發射時膛壓數值，單位為兆帕（MPa）；

P2—模擬炮射試驗設備發射時膛壓數值，單位為兆帕（MPa）；

CK—膛內模擬系數；

G1—實際炮彈重量數值，單位為千克（kg）；

G2—試驗艙（包含被試品）重量數值，單位為千克（kg）；

D1—實際炮彈直徑數值，單位為毫米（mm）；

D2—試驗艙直徑數值，單位為毫米（mm）。

膛壓法的基本原理是牛頓第二定律F=ma，因此可知：

式中：

a—加速部件的加速度；

P—加速部件所受壓強；

m—加速部件質量；

S—加速部件截面積。

1.4.2 測壓銅柱測量法

模擬炮射試驗過載值的測量與計算，是由試驗艙底座的測壓銅柱，利用金屬受力產生塑性形變的特性，通過測量測壓銅柱的變形量，經計算確定其受到的作用力，從而得出過載值的一種物理測量方法，如圖3所示。

圖3 測壓銅柱測量法原理示意圖

試驗時，將測量裝置與試件鋼性連接到試驗艙的運動體上，當氣體或發射藥作用產生瞬間強沖擊，慣性體由于慣性不會立即隨導向安裝裝置向前移動，而是相對導向安裝裝置在慣性體運動腔內反向移動，壓縮測壓銅柱，使測壓銅柱產生塑性變形。測量裝置與試件鋼性連接，可以認為測得測量裝置所受到得過載即為試件得過載。其過載值計算公式如下：

式中：

A—加速度；

P—測壓銅柱對照表數據（測壓銅柱生產廠家提供的對照表）；

S—銅柱受力面積；

Dd—銅柱重量；

Ddp—慣性體重量。

2 影響試驗過載因素

在試驗過程中，影響過載值的因素，主要與發射藥、試驗臺各部件物理結構有關。其中發射藥的溫度、濕度是影響其燃燒產生助推能量大小的主要因素。試驗艙與模擬炮膛間隙、燃燒室的大小，是影響最終過載值的關鍵因素。

2.1 發射藥溫度

在模擬末制導炮彈炮射試驗中，影響試驗過載的最主要因素是對發射藥的溫度、濕度控制。關于溫度對發射藥化學反應速率的影響，常用阿累尼烏斯公式表示：

式中：

k—表示反應速率的反應速率常數。

由公式（7）可知，溫度越高，發射藥反應速率越快，在其他試驗條件不變的情況下，試驗過載越大。

2.2 發射藥濕度

發射藥在某一特定溫度下，絕對濕度在由小增大的過程中，反應速率呈由慢至快、再由快至慢的過程，直至無法燃燒。發射藥的絕對濕度大小與發射藥反應速率成不規律關系[2]。

2.3 發射藥燃燒室大小

發射藥筒與試驗艙底座之間的燃燒室，其空間體積越大，燃燒后產生的壓強則越小，若空間體積越小，則燃燒后產生的壓強越大。

2.4 試驗艙與模擬炮膛間隙

發射藥引燃后產生的助推能量會因試驗艙與模擬炮膛的間隙而部分損失，在試驗過程中，間隙會因試驗艙與模擬炮膛的反復摩擦而逐漸增大，助推能量損失的程度，取決于間隙的大小。

3 實際試驗控制

對于發射藥溫度、濕度的控制，可以使用專用恒溫恒濕箱，從而保證試驗所需過載。關于燃燒室空間體積的大小，由于發射藥筒緊貼試驗艙底座凸起的鋁柱，則其空間體積大小可以通過調整試驗艙底座鋁柱的長短來控制。但試驗艙與模擬炮膛的間隙變化，則相對難以把控。

4 密封間隙與過載關系分析

在模擬末制導炮彈炮射過程中，試驗艙在發射與退回時與模擬炮膛會進行反復摩擦，產生磨損，使二者間隙增大。其中，試驗艙所用鋼材質為30GrMnSi，模擬炮膛鋼材質為某特殊鋼材，在兩種材質鋼摩擦過程中，模擬炮膛磨損可忽略不計，其二者密封間隙的增大，主要為試驗艙的30GrMnSi材質磨損。我們以正向加速度（10 000±500）g為試驗目標，在相同的配重（3 kg）、發射藥溫度（25.5 ℃）、發射藥濕度（37 %）條件下分別用3枚同型號不同使用程度的試驗艙， 通過調整發射藥量進行驗證，并根據過載值計算公式得到所需對比的過載。

第一組數據，取某型號（1#）新試驗艙A，其外徑為生產圖紙尺寸2 103.81 mm，模擬炮膛內徑為2 104.21 mm，A艙外徑與模擬炮膛內徑間隙（圖1，6號位）為0.40 mm。以470 g發射藥進行4次試驗，并根據公式算出試驗過載值，得到表1數據。其中正向加速度4發平均值為9 998.50 g，反向加速度平均值為369.50 g。

表1 試驗艙A試驗對比數據

第二組數據，取同型號（1#）已發射500次試驗艙B，其外徑尺寸因試驗過程磨損減小為2 103.68 mm，模擬炮膛內徑為2 104.21 mm，B艙外徑與模擬炮膛內徑間隙為0.53 mm。以470 g發射藥進行4次試驗，得到表2中序號B1-B4數據，正向加速度平均值為9 162.75 g，反向加速度平均值為319.50 g。

將發射藥增加5 g至475 g進行4次試驗，得到表2中序號B5-B8數據。正向加速度平均值為9 941.50 g ，反向加速度平均值為388.75 g。

表2 試驗艙B試驗對比數據

第三組數據，取同型號（1#）已發射2 000次試驗艙C，外徑尺寸為2 103.34 mm，模擬炮膛內徑為2 104.21 mm，C艙外徑與模擬炮膛內徑間隙為0.87 mm。以470 g發射藥進行4次試驗，得到表3中序號C1-C4數據，正向加速度平均值為8 192.25 g，反向加速度平均值為286.00 g。

將發射藥由470 g逐次遞增5 g至490 g，進行4次試驗，得到表3中序號C5-C8數據。正向加速度平均值為8 400.25 g，反向加速度平均值為324.50 g。

表3 試驗艙C試驗對比數據

根據三組試驗數據，我們發現在470 g發射藥條件下，A、B、C三個試驗艙分別得到平均正向加速度A：9 998.50 g、B：9 162.75 g、C：8 192.25 g。由于磨損程度不同，試驗艙外徑與炮膛內徑的間隙逐漸增大，密封性能逐漸減小，導致發射藥引燃后加速度因二者間隙增大導致損失程度逐漸增大，影響所需試驗結果，如圖4所示。

對比表1與表2（B5-B8）數據，得到A、B試驗艙平均正向加速度分別為A：9 998.50 g、B：9 941.50 g。我們發現通過增加發射藥量，可以彌補因試驗艙與模擬炮膛間隙增大而導致的能量損失增大，從而得到目標加速度值。

對比表3中C1-C4與C5-C8數據，在發射藥量為470 g時，平均正向加速度為8 192.25 g。通過逐步增加發射藥量后，雖然試驗加速度值有所增加，C5-C8平均正向加速度8 400.25 g，但最大值只有8 493 g，出于安全考慮無法增加更多發射藥量，并且對比C5、C6和C7、C8數據，加速度值并沒有因發射藥量增加而增大，試驗艙與模擬炮膛間隙增大而導致的能量損失，在到達一定程度后，無法通過增加發射藥量來解決過載過小問題。

4 總結

本文通過三組不同條件下的試驗數據對比，分析了模擬末制導炮彈炮射試驗中，因試驗艙磨損而導致加速度值減小的情況，并對解決方法進行了分析。

通過數據對比可以發現，發射藥引燃后提供的助推能量，會因試驗艙與模擬炮膛的間隙而發生能量損失，間隙的大小在一定范圍內，能量損失可通過增加發射藥量的方法來解決，并得到所需目標過載值。但間隙過大時，在安全范圍內增加發射藥量已無法彌補過大的能量損失，且過載并不會因增加發射藥量而繼續增大，此時只能通過制作新試驗艙，或更換新試驗艙底座來解決間隙過大問題。

在模擬炮射試驗工作中，實驗室應有備用試驗艙與備用試驗艙底座，以確保試驗準確率與試驗進度。本文可為同類試驗的故障分析與解決方案提供參考依據。