基于气体炮的引信动态模拟方法综述

2011-08-21齐杏林杨清熙

探测与控制学报 2011年4期

齐杏林,杨清熙,文健,崔亮

(军械工程学院弹药工程系,河北石家庄 050003)

0 引言

引信在设计生产、储存运输、发射应用的过程中,为了考核引信是否能满足战术技术要求,要通过一系列的试验,检测引信的质量状况,鉴定引信的工作性能,评定引信设计方案的优缺点。

引信试验主要包括实验室试验和靶场试验。引信的实验室试验是在实验室条件下用非射击的方法对引信或零部件的某些性能进行检查或测试的各种试验。实验室试验大多是模拟性质的,但还不能对引信发射过程的真实环境进行模拟。由于试验方法和条件接近真实情况,靶场试验能真实而确切地反映引信的战术技术性能,但是靶场试验耗费大,要消耗大量的弹药和物资器材,而且组织试验所用时间长,人员多,因此应大力进行动态模拟试验,以便尽量减少靶场试验的数量,降低试验消耗[1]。

现有的模拟装置中,气体炮是一种很好的模拟装置,能较好实现对引信发射、飞行和碰目标环境的模拟,可以在一定程度上替代靶场试验,降低试验消耗,成为研究的重点。

为了解决中大口径地面榴弹引信综合性能检测的问题,作者查阅了国内外利用气体炮对引信进行动态模拟的资料,虽花费了不少时间,但收获颇丰,特作一综述,相信对专业与阅历相近的同仁会有参考价值。

1 气体炮分类

气体炮按气源可分火药驱动的气体炮和非火药驱动的气体炮。火药驱动的气体炮叫火药炮,简称火炮。非火药驱动的气体炮包括空气炮、氢气炮、氦气炮、氮气炮等。其中以氢气、氦气等轻质气体作为工作介质的气体炮又称作轻气炮。真空炮(又称负压炮)也是空气炮的一种,是在真空状态下,以大气压作为动力推动弹丸运动的一种气体炮[2]。气体炮又分为一级气体炮、二级气体炮和多级气体炮。一级气休炮是在火炮的基础上改用压缩气体发射弹丸的设备,当采用氢气、氦气等轻质气体作为工作介质时能获得更高弹速,对于采用轻质气体的一级气体炮又称为一级轻气炮。二级气体炮是在一级气体炮的基础上追求高弹速的设备,由压缩级和发射级组成,通常用火炮的火药燃烧气体作为第一级的驱动气体推动活塞压缩第二级的轻质气体,第二级的轻质气体再加速弹丸。由于二级气体炮只用轻质气体,所以称为二级轻气炮,多级气体炮是在二级气体炮基础上为了获得更高弹速而设计的,由于结构比较复杂,不再赘述[3]。

火炮能使大质量的模拟弹获得高的载荷,但是火药燃气对炮膛烧蚀严重,而且污染空气,在实验室引信动态模拟中较少使用;轻质气体分子量小、声速高、绝热指数小,能够获得更高的弹速,但氢气是可燃易爆气体,存在安全隐患;氦气是稀有气体价格昂贵。空气资源丰富,获取方便,所需成本低,不过空气中如果混有油料等燃烧物质,高压下可能与空气中的氧作用而爆炸,为了安全,必须使用高纯度空气滤清器,这就提高了成本,加长了试验周期,氮气在高压下使用就没有这些问题,价格也低于轻气。所以引信动态模拟应用的主要是空气炮,高压场合也用氮气炮。

2 利用气体炮模拟引信所受加速度

引信零件在发射过程受后坐力,在碰目标过程受目标反作用力和前冲力作用。这3种力都与引信的加速度有关,模拟加速度-时间曲线是气体炮模拟的关键问题,有3种模拟方法。

2.1 直接加速法

即利用试验弹在气体炮发射中受的加速度模拟所需的加速度。试验前,将被试的引信装在试验弹上,试验弹装在炮尾,试验时,弹丸突然被释放,试验弹在弹后气体推动下由静止状态突然向前作加速运动,随着弹丸向前运动,弹后的气体作绝热膨胀,压力缓慢下降,形成了与弹丸实际发射时膛压曲线相近似的压力变化,以此来模拟膛内后坐加速度。

美国法兰克福兵工厂的127 mm空气炮采用了这种方法,这个装置用海军127 mm滑膛炮管及加长的封口管构成,总长17 m。高压空气96.1 MPa,推动联接被试件的活塞加速运动。127 mm空气炮释放装置最初采用隔板式释放机构(又叫破膜式释放机构),如图1所示。试验前隔板表面开一个环形槽,隔板作为活塞组合体的部件进行装配。高压气体作用在活塞组合体的尾端,当作用在活塞上的力超过隔板的剪切强度时,隔板在开槽部分破裂,于是不平衡力作用在活塞上使其沿着炮管前进,用这种方法可获得高达35 000 g的加速度,改变压力、活塞重量和隔板厚度可得到各种不同的峰值加速度,但持续时间极短,目前主要用来作为撞击法的动力源。

图1 隔板法发射图解Fig.1 The scheme of lauching by the diaphragm

对于破膜式释放机构,现在更多采用双破膜方式,参考文献[3]描述其作用原理如图2所示。当要求高压气室释放压力为 p cz时,首先向排气室注入p cz/2压力,然后向高压气室注入p cz压力,此时两个膜片两侧都有p cz/2压力差,而两个膜片的破裂压力均大于p cz/2,小于p cz,所以此时膜片不会破裂,发射时,将A阀打开,排气室压力迅速下降,当左端膜片强度不能再承受高压气室压力时破裂,高压气体迅速进入排气室使右端膜片破裂,接着进入发射管推动试验弹加速运动。膜片是刻有十字、米字等形状槽的圆板,可通过调节膜片的材料、槽的形状及深度来控制发射压力。但破膜式释放装置都是靠膜片迅速破裂来发射的,达到峰值加速度的上升时间比实际火炮要短,而且随着试验弹向前运动,弹底压力迅速下降,在峰值附近没有明显的持续时间,加速度衰减很快,因而很难模拟火炮实际发射时的加速度-时间曲线[4]。

图2 双破膜式释放机构Fig.2 Release framework of double-film

为了获得更真实的加速度-时间曲线,127 mm空气炮又采用了调节套筒式发射装置,如图3所示。调节套筒上有许多塞孔,可以控制环形容器中高压空气进入炮管的流量。试验时,先将活塞组件置于调节套筒内,高压空气充满环形容器,发射时,先利用低压空气推动弹丸向前运动,逐渐露出调节套筒第一排孔,高压空气经这排孔进入炮膛推动弹丸加速运动。根据试验要求可以打开或堵塞一些孔,使流通面积和弹丸行程之间形成某种关系,达到控制弹丸加速度的目的。炮口外设有膨胀段,供试验弹出炮口后炮管内的气体卸压,膨胀段后面是端部封闭的回收管,试验弹在回收管中运动时压缩前方空气,最终在高压下停在回收管内,实现无损回收。这种方法可获得数万g、毫秒级加速度脉冲,能比较好地模拟火炮实际发射时的加速度-时间曲线,但是装置笨重、调节困难、试验周期长、成本高[5]。

图3 调节套筒法发射图解Fig.3 The scheme of lauching by the regulative sleeve

对末制导炮弹进行过载实验也采用直接加速法,利用火药炮发射装有被试件的模拟弹,可以模拟的加速度峰值8 500～10 000 g,脉宽约 3.5 ms,并也利用回收管无损回收。

2.2 撞击加速法

即通过气体炮发射的高速模拟弹碰撞装有引信的试验弹,使试验弹由静止突然加速,或者气体炮发射的弹丸通过缓冲器撞击试验弹,使试验弹突然加速,缓冲器的作用是通过其自身的变形,获得一个接近实际的加速度-时间曲线。可以根据需要选用不同的缓冲器控制冲击脉冲形状,也可以通过对缓冲器头部冲击角度的改变达到调节加速度-时间曲线的目的。这种方法由于是靠碰撞后传递的能量加速,能量利用率低,较难获得较大的加速度,在模拟后坐加速度时有一定局限。

这种方法主要用于利用反弹道法对引信碰目标过程进行模拟,即气体炮发射的模拟弹是一种具有一定角度的模拟靶,模拟靶发射后以一定速度碰击静止的装有引信的试验弹,来达到模拟引信以一定速度和着角碰目标的目的。这种方法的主要优点是,装有引信的试验弹是静止不动的,测试比较方便。

2.3 撞击减速法

即利用气体炮发射装有倒置引信的试验弹,试验弹高速飞出炮口,碰撞炮口前的靶或者缓冲器,试验弹突然受阻减速,以此模拟膛内后坐加速度。碰撞通常需要三部分,一是试验弹,二是缓冲器,三是动量转换块。试验弹提供碰撞的速度,缓冲器决定碰撞的时间,动量转换块吸收碰撞的能量,使弹丸减速,根据不同的结构,有些碰撞部分的动量转换块被固定块代替。碰撞所模拟的加速度的大小和持续时间由试验弹、缓冲器和动量转换块的质量、材料等参数决定。

美国哈里戴蒙德研究所的一台177.8 mm口径的真空炮就是采用的这种方法。实验前,将待测引信倒置安装在试验弹上,将试验弹安装在炮管尾部,并用O形环密封,炮口用聚酯薄膜密封,并对炮管进行抽真空。实验时,拔掉释放销,在大气压力推动下试验弹获得一定速度飞出,撞击缓冲器和动量转换块后迅速减速,试验弹获得减加速度,由于引信倒置的,正好可以模拟引信在发射过程中所受的后坐力。该装置得到试验弹最高速度为161.5 m/s,平均加速度为 15 000 g,持续时间1.2～1.5 ms,如图4所示[6]。

图4 空气炮作用阶段图Fig.4 Air gun operational phases

美国4557143号专利[7]又在炮口和缓冲器之间加了一个密度可调的雨场,试验弹飞到雨场受阻减速,以此来模拟后坐加速度的初始阶段,这种方法研究初衷是为解决当试验弹速度超过457.2 m/s撞击缓冲器时,容易使缓冲器失去效果的问题。

采用撞击减速法能够比较好地模拟引信所受后坐力,可以获得较高的峰值加速度,而且试验周期较短、成本较低,成为气体炮的重点发展方向。

3 利用气体炮对后坐力、切线惯性力和离心力的综合模拟

由于引信多采用后坐和离心双环境力解除保险,单独模拟后坐力不能满足要求,将发射时三种环境力进行综合模拟就成为研究的重点。目前主要通过2种模拟方法来实现。

3.1 采用有膛线的发射炮管法

即用高压气体作为动力,推动带弹带的试验弹从有膛线的炮管加速旋转飞出,这样就能同时模拟三种环境力,其后坐力的模拟仍是采用直接加速法。1972年Walter N.Stewart在发表的美国3693432号专利[8]中,详细介绍了利用这种模拟方法对机械时间引信检测的装置。美国陆军研究发展与工程中心(ARDEC)的155 mm线膛气体炮,就是利用了现有155 mm带膛线的炮管,它利用调节套筒式释放装置来控制高压气体进入炮管的规律,以延长后坐加速度的上升时间。国内也有类似的155 mm气体炮系统采用此法能模拟的加速度峰值为10 000 g,加速度上升时间大于3 ms,弹丸转速7 700 r/min,基本能实现对引信发射环境的模拟[9]。但是,这种方法除前述成本高、试验周期长外,膛线缠度固定,后坐力与离心力的比例不能任意调整。

3.2 采用撞击旋转法

即用撞击减速法模拟后坐力,利用试验弹与旋转的缓冲器撞击模拟切线惯性力,使撞击后的试验弹继续旋转来模拟离心力。

美国哈里戴蒙德研究所研制了一套由50.8 mm气体炮、旋转管、接收管和辅助设备组成的撞击旋转模拟系统,采用电螺线管控制的气动活塞作为释放装置,旋转炮管被一台最高转速5 400 r/min的变速电机控制,压缩气体为空气或氮气,缓冲器为胶合板,动量转换块为由聚四氟乙烯密封的六角形金属块,其详细结构如图5所示[10]。

图5 系统结构框图Fig.5 Schematic of system

哈里戴蒙德研究所又设计了靠50.8 mm真空炮发射的撞击旋转模拟系统,用于对M 732等引信电源的测试。这类引信电源的激活是利用发射时后坐力,电解液进入电极是靠旋转所产生的离心力实现的。该系统通过抽真空的方法,利用大气压力推动装有待测电源的试验弹运动,通过碰撞高速旋转的缓冲器,来达到模拟火炮发射环境的目的。也就是说利用撞击方法模拟后坐力,利用电机旋转模拟离心力,利用试验弹与旋转的缓冲器撞击模拟切线惯性力。该系统可实现后坐加速度5 000 g,转速18 000 r/min,具有自动和手动两种模式,且有一个检测电源电压的输出系统。试验弹由两个部分组成,带电源重254 g,前端伸出两个1.3 cm长的金属销,当弹丸进入旋转炮管后,销子插入旋转的缓冲块,与之一块旋转,作用示意图如图6。缓冲器为通过加强玻璃纤维黏在一起的6个7层1.91 cm厚的等边三角形夹板块,材料为船用胶合板。动量转换块为固体黄铜圆柱[11]。对于电源的测试在美国3444733号专利中有详细介绍[12]。后来发表的3597969专利中又介绍了一种液压缓冲器,大大提高了测试效率[13]。

图6 作用示意图Fig.6 Sketch map of process

1981年哈里戴蒙德研究所在公开发表的AD报告中又介绍了一种76.2 mm真空炮发射的撞击旋转模拟系统,用于对引信电源及其他零件进行模拟测试,可以实现后坐加速度1 000～20 000 g,转速达到12 000 r/min[14]。

撞击旋转法利用了撞击减速法模拟后坐力的优点,同时加上旋转可对引信发射时后坐和旋转双环境进行模拟,成为发射环境模拟研究的一个方向[15]。

4 利用气体炮对后坐力和爬行力的综合模拟

由于有些引信采用后坐力和爬行力解除保险,为了模拟这类引信的发射环境,就需要模拟这两种环境力,并且还要模拟先出现后坐力后出现爬行力的时序关系。美国哈里戴蒙德研究所研制了一套后坐力-爬行力模拟系统,用于考核XM 754引信在后坐力-前冲力环境下解除保险性能。该模拟系统主要是由真空炮、拉管、回收箱、控制箱、缓冲器、动量转换块以及装有引信的试验弹组成,缓冲器的直径小于拉管内径以便空气流通,动量转换块靠近试验弹一侧有个垫片,可以通过选择不同垫片控制漏气大小,试验弹可以同时装三个引信,提高了实验效率。该模拟系统仍利用撞击减速法模拟后坐力,其作用原理是利用真空炮发射试验弹,试验弹进入拉管后撞击缓冲器和动量转换块急剧减速,动量转换块在冲击力下往外移动,增加了它与试验弹间的空气容积,气体不能很快地越过垫片进入,使试验弹前后产生压力差推动它向前加速,以此模拟爬行力,其作用示意图如图7。这套模拟系统获得的后坐加速度为1 500～16 000 g,爬行力所对应的空气阻力加速度0～40 g[16]。

图7 模拟阶段图Fig.7 Stages of simulation

5 结论

利用气体炮对引信进行动态模拟试验是国内外引信检测的重要手段。目前利用气体炮已能够较真实地实现对引信发射环境和碰目标环境的模拟,而且有多种模拟方法,本文对利用气体炮模拟引信所受加速度的直接加速法、撞击加速法和撞击减速法等3种主要方法,利用气体炮对后坐力、切线惯性力和离心力的综合模拟,利用气体炮对后坐力和爬行力的综合模拟等进行了综述,以期方便相关科技人员了解利用气体炮对引信进行动态模拟的方法及其优缺点,为应用气体炮和进一步的研究提供参考。

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