电热化学炮内弹道参数敏感性研究

李 兵 张明安 狄加伟 魏建国 李 媛

（西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099）

1 引言

电热化学炮发射技术是在输入一定功率脉冲电能条件下，借助于等离子体点传火系统将电能转换为高温含能等离子体，然后通过等离子体与弹后空间内固体含能工质相互作用，引燃固体发射药，生成高温高压火药气体，推动弹丸加速运动，最终实现火炮内弹道发射过程。针对这一新型发射技术，在弹道性能方面的各种潜在优势和特点，国内外从弹道理论分析和试验验证等方面，展开了广泛而又深入地研究[1-4]。研究结果表明，与常规火炮相比，电热化学炮技术在提高火炮炮口动能、弹道一致性、弹道温度补偿性能、弹道调控性能及装药安全性等方面具有明显的优势[5-7]。特别是在与新型含能工质，如高能高密度发射药、高装填密度发射装药等相互激励，来实现提高炮口动能方面，由于电能输入的可控性及等离子体具备的高温、轻质、高辐射性能，增强了对新型发射药及其装药的适应性，进而达到对火炮弹道性能的调控和增强。尽管电能输入与等离子体点火特性两个新的因素的增加，为提高常规火炮弹道性能带来了上述的优势，但高能高密度发射药技术与高装填密度装药技术，在火炮内弹道性能敏感性方面将带来新的影响和变化，是从事火炮内弹道及装药设计方面必须予以考虑的重要因素。

文献[8]和文献[9]以获得较高的炮口动能为目标，分别就高装填密度装药条件下，发射药燃速控制、装药量、弹丸质量、火药燃速、火药弧厚及装药附件燃速等因素变化，对火炮内弹道性能影响，进行了理论分析与试验研究。以此为基础，为了更好地开展以某口径火炮为背景的电热化学炮技术研究，进一步推进电热化学炮弹道理论、新型发射药研制及装药设计研究工作，本文针对高装填密度装药带来的弹道起始环境与条件的变化，以经典弹道模型为基础，结合等离子体点火对发射药燃速影响，开展弹道相关参数对弹道性能的影响研究，为电热化学炮弹道研究与装药设计提供理论依据。

2 装药结构与弹道过程描述

为了便于对比分析，采用的某大口径高膛压火炮装药结构示意图如图1所示。

图1 某大口径火炮装药结构示意图

如图1所示，其弹道过程可分为三个阶段：首先是等离子体点传火管起爆；随后自传火管喷出的高温等离子体点燃粒状和管状发射药，发射药燃烧形成高温高压火药气体，当膛内压力达到和超过弹丸挤进压力后，弹丸加速运动；火药燃烧完成后，随着火药气体持续膨胀，弹丸继续加速运动直至炮口。

3 基本假设

为了确保高装填密度下，弹道性能敏感性研究结果的可靠性和对实际工作指导的可参考性，首先利用经典弹道计算模型对常规制式装药的弹道敏感性进行了基本研究。随后在此基础上，通过相应的理论假设，完成电热化学炮高装填密度下，弹道性能敏感性研究，最终得出影响变化规律。其中基本假设如下：

（1）常规制式发射装药与电热化学炮发射装药燃烧符合几何燃烧规律；

（2）等离子体对发射药药形表面及其内部的影响通过调整发射药燃速系数来实现；

（3）弹后装药空间发射装药均匀点火与燃烧；

（4）发射药高温气体与身管的热损失，通过降低火药力修正。

4 计算结果与分析

4.1 常规粒状发射装药与堆积发射装药计算结果

在常规内弹道计算模型的基础上，针对图1所示的发射装药结构进行了弹道敏感性计算，其结果分别如图2～6所示。

图2 粒状发射装药弹道性能变化（药形一定条件下）

图3 堆积发射装药弹道性能变化（一定药长和弧厚下）

图4 堆积发射装药药长对弹道性能影响（装填密度为0.82g/dm3）

图5 堆积发射装药药长对弹道性能影响（装填密度为0.84/dm3）

4.2 叠片发射装药计算结果

针对叠片发射装药方案进行弹道敏感性计算，其结果分别如表2和图6所示。

图6 膛底、膛内平均及弹底压力曲线

4.3 高能高密度装药方案及结果

假定发射药随密度增加，其燃速系数保持不变，其内弹道计算结果如表3所示。

4.4 计算分析

（1）由图 2和图 3可知，当火药装填密度由0.8kg/dm3左右增加到0.85kg/dm3左右时，粒状发射装药最大平均膛压和初速分别增加 16%和 6%，堆积装药则分别提高12.3%和4%。

（2）由图4和图5可知，在较低装填密度下，堆积发射药长度有20mm增加到120mm，其最大平均膛压降低 14%，弹丸初速降低 2%；而在较高装填密度下，当药长由120mm增加到480mm时，最大平均膛压和初速分别降低1.5%和0.2%。

（3）由表1分析可知，针对较低装填密度方案，随叠片药内外层燃速系数比增加，最大平均膛压和初速分别增加3.5%和1.4%。

（4）由表2可看出，针对较高装填密度方案，最大平均膛压增加 11.7%左右；随着叠片药内外层弧厚比增加，弹丸初速具有一定增加，最大可达到5%左右，这主要有叠片发射药中心层快速燃烧和其厚度增加，使得膛压变化产生第二平台所致（图 6所示）。

（5）由表3数据可知，随着火药密度增加，在假设其燃速系数不变条件下，其最大平均膛压呈现下降趋势，火药燃烧结束点将更加靠近炮口。计算表明，随火药密度增大，弹丸初速增加幅度较小，且当密度增加到一定值后，由于火药未能完全燃烧，弹丸初速将呈现负增长。

表1 叠片装药方案1弹道性能计算结果

表2 叠片装药方案2弹道性能计算结果

表3 高能高密度装药条件弹道性能变化规律计算结果

5 结论

由上述分析表明，可以得出如下几点结论：

（1）在一定范围内随着装填密度的增加，在燃烧系数不变的前提下，粒状发射装药对应的最大平均压力和弹丸初速增加幅度高于堆积装药。

（2）在较低装填密度下，堆积装药对应的最大平均压力和弹丸初速随着药长增加，其下降幅度较大；而在较高装填密度下，堆积装药对应的最大平均压力和弹丸初速随着药长增加，其下降幅值变化很小。

（3）叠片发射装药的内外层燃速系数和内外层弧厚比例变化，对于火炮内弹道性能具有明显影响，在内弹道研究和装药设计中应予以高度重视。

（4）在燃速系数不变的条件下，通过增加火药密度，进而增加弹丸初速，其效果较弱，为实现增速效果则必然应同时改变火药燃烧能量释放规律。

[1]William F.Oberle and Bradley D.Goodle,The role of electrothermal-chemical(ETC) gun propulsion in enhancing direct-fire gun lethality,16THInternational Symposium on Ballistics,SAN FRANCISCO,CA,23-28 September 1996.

[2]Kevin J.White,Irvin Stobie,Williem Oberle,Gary Katulka and Simon Driesen,Combustion control Requirements in high loading density,solid propellant ETC gun firings, IEEE transactions on magnetics,vol.33,No.1, January 1997.

[3]Hans K.Haak,Paul Schaffers,Thomas H.G.G.Weise,andHolger G.Wisken,Basic investigations in a 70-mm firing simulator, IEEE transactions on magnetics,vol.39,No.1,January 2003.

[4]A.Kay,D.Hensel,C.Steinbach and S.Bleickert, Improved firing performance with a 120-millimeter electrothermalchemical(ETC) gun, 21stInternational Symposium on Ballistics Adelaide, South Australia, 19-23 April, 2004.

[5]A. Chaboki, S.Zelenak, B.Isle, Recent advances in electrothermal-chemical gun propulsion at United Defence,L.P., IEEE transactions on magnetics, vol.33,No.1,January 1997.

[6]D.Zoler,N.Shafir,D.Forte,E.Kot,A.Ravid,S.Wald and M.Sudai, Study of plasma jet capabilities to produce uniform ignition of propellants,ballistic gain and significant decrease of the “temperature gradient” effect, Propulsion Physics Laboratory,Soreq NRC, Yavne 81800,Israel.

[7]Jahn Dyvik,Juleigh Herbig, Randall Appleton, Recent activities in Electro-Thermal Chemical Launcher Technologies at BAE system,2006.

[8]Gloria P.Wren and William F.Oberle, Influence of high loading density charge configurations on performance of Electrothermal-Chemical (ETC) guns, IEEE transactions on magnetics,vol.37,No.1,January 2001.

[9]Thomas H.G.G.Weise,Joseph Kruse, Paul Schaffers and Hans-Karl Haak, Status and Results of the German R&D Program on ETC Technologies, IEEE Transactions on Magnetics, Vol.37,No.1,January, 2001.