超高射频火炮射击实验及内弹道仿真

张绪明，侯 健，郭 栋

(海军工程大学兵器工程系，武汉 430033)

超高射频火炮因采用串联欲装填发射方式可以获得极高的发射速度以及灵活的发射方式，所以极具发展前景。在身管内串联放置的多发弹丸通过点火控制装置连续不断地发射出去，因而内弹道过程非常复杂，澳大利亚金属风暴公司在工程实现上进行了较广泛的研究，国内研究机构主要对其发射过程进行了一定的探讨，并进行了原理炮实验。本文进行了串联排列的膛内三发和五发弹丸的较高射频的连发实验，并利用经典内弹道模型对膛内过程进行了模拟仿真，就发射频率对超高射频火炮的内弹道性能和出炮口速度的影响进行了数值仿真［1－9］。

1 发射原理及膛内压力测试

超高射频火炮试验装置和控制测试装置的连接示意图如图1所示。点火控制装置根据预设射击频率控制各个药室依次引燃底火，发射身管设有一系列测压孔，压电测压传感器测得的压力值，经过膛压信号调理电路由单片机采集并记录，最后通过计算机处理得到各测试点的压力变化曲线。由首发弹丸穿过纸靶的时间间隔可测得弹丸初速弹丸出炮口速度。

2 射击实验结果及分析

对上述装药结构的超高射频火炮进行了三连发和五连发频率的实验，下面是一些典型射击结果曲线。

2.1 三连发射击实验膛压曲线

图2中压力曲线由上至下依次为G1、G2、G3点处测得。其中G1点位于第一发弹药室处，G2点位于第二发弹药室处，G3点位于第三发弹药室处，分别用于测试所处药室处的压力变化。G1与G2，G2与G3之间的间隔距离均为一个弹长。

图1 试验装置及控制测试装置连接示意图

图2 三连发实验P－t曲线

2.2 五连发射击实验膛压曲线

在上述三连发的经验基础上，进行了某射击频率的五连发射击试验。图3是发射五发弹丸时G1、G2、G3、G4、G5的压力曲线，五个点分别对应五个药室。

从图2和图3可见，实弹射击所得的各弹丸膛压数据规律相同，即当每发弹及其发射装药相同，装填条件相同，启动压力相同，第二发弹丸及后续弹丸的最大膛压均高于第一发弹丸的最高膛压，其中第二发弹丸的最大膛压最高。但三连发时测得的第二、第三发弹丸膛压均比五连发时测得的第二、第三发弹丸膛压偏低，这是由于三连发时各弹丸膛内运动行程均大于五连发时前三发弹丸，使三连发时各发弹丸出炮口后的气体压力低于五连发时相对应的弹丸，即三连发时各发弹丸启动压力低于五连发时相对应的弹丸启动压力。

3 膛内过程数值仿真

为了建立经典的内弹道数值模型，特提出一下几点假设:火药燃烧服从几何燃烧定律;火药燃烧和弹丸的运动是在平均压力的条件下进行的;火药燃烧速度与压力成正比;在燃烧期间和燃烧结束后，火药的燃烧生成物始终保持不变，即把火药力f和火药气体余容α当作常量来处理;用次要功系数来考虑各种次要功，膛壁的热散失忽略不计;弹丸在膛内运动时，密闭良好，不存在漏气现象;以滑膛炮为研究对象，不考虑挤进功，认为膛压达到弹前启动压力时弹丸开始运动。

超高射频发射火炮内弹道基本方程组见文献［6－13］。在其基础上，详细分析了涉及频率的变化对内弹道性能的影响。本文以多孔火药为例，进行了超高射频串联发射五连发射击时的三种射击状态的内弹道仿真。

图3 五连发实验P－t曲线

3.1 射频较低时内弹道仿真结果及分析

每发弹丸质量及其发射药的装药量相同，装填条件相同，启动压力相同，射击间隔为10 ms，后发弹丸击发时前发弹丸火药燃气已排空。图4－图7为射频较低时P－t，v－t，P －l，v－l仿真结果。

图4 5发弹丸P－t曲线

图5 5发弹丸v－t曲线

图6 5发弹丸P－l曲线

图7 5发弹丸v－l曲线

从图4－图7，若每发弹及其发射装药相同，装填条件相同，启动压力相同，则每发弹到达最大膛压时，弹丸速度、弹丸行程、所用时间相同;后发弹丸出炮口速度要比前发弹丸出炮口速度略有增加，这是由于后发弹丸膛内运动行程大于前发弹丸。

3.2 射频较高时内弹道仿真结果及分析

每发弹丸质量及其发射药的装药量相同，装填条件相同，启动压力相同，射击间隔为5 ms，前发弹丸火药燃气尚未排空后发弹丸就已击发。图8－图11为射频较高时P－t，v－t，P －l，v－l仿真结果。

从图8－图11，若每发弹及其发射装药相同，装填条件相同，启动压力相同，则第二发弹丸及后续弹丸的最大膛压均高于第一发弹丸的最高膛压，其中第二发弹丸的最大膛压最高，这是由于前发弹丸火药燃气压力对后发弹丸的影响，使后发弹丸启动压力均高于第一发弹丸;第二发弹丸至第五发弹丸最大膛压依次降低，这是由于后发弹丸膛内运动行程、速度均大于前发弹丸，使后发弹丸出炮口后的气体压力低于前一发弹丸，即后发弹丸启动压力低于前发弹丸启动压力;后发弹丸出炮口速度要比前发弹丸出炮口速度略有增加，这是由于后发弹丸膛内运动行程大于前发弹丸。

图8 5发弹丸P－t曲线

图9 5发弹丸v－t曲线

图10 5发弹丸P－l曲线

图11 5发弹丸v－l曲线

3.3 射频很高时内弹道仿真结果及分析

每发弹丸质量及其发射药的装药量相同，装填条件相同，启动压力相同，射击间隔为3 ms，前发弹丸火药燃气尚未出炮口后发弹丸就已击发。图12－图15为射频较高时P－t，v－t，P －l，v－l仿真结果。

图12 5发弹丸P－t曲线

图13 5发弹丸v－t曲线

图14 5发弹丸P－l曲线

图15 5发弹丸v－l曲线

从图12－图15，若每发弹及其发射装药相同，装填条件相同，启动压力相同，则由于射频很高，前发弹丸还没出炮口，后发弹丸就已击发，前发弹丸对后发弹丸运动产生很大阻力，导致第二发弹丸最大膛压比第一发弹丸最大膛压高出近60 MPa，第二发弹丸及其后弹丸最大膛压相差不大;后发弹丸出炮口速度要比前发弹丸出炮口速度要小，这是由于后发弹丸开始运动时受弹前压力的作用，启动压力提高，但发射时间间隔太小，由于弹前压力过大，后发弹丸在定容燃烧阶段已经达到非常高的膛压，火药燃烧结束点大大提高，炮膛工作容积利用率反而下降，最终造成炮口速度下降。

4 结束语

本文进行了某口径火炮的串联3发和5发较高射频的实验，并建立了超高射频火炮的内弹道经典模型，详细分析了射击频率对金属风暴武器系统内弹道参数的影响。分析结果表明:实弹射击所得的各弹丸膛压数据规律和射频较高时内弹道仿真得出的数据规律基本相符。因此，从实弹射击所测得的膛压曲线可以看出该型超高射频串联发射装置是可行的;随着射击频率的提高，前发弹与次发弹之间的内弹道过程耦合越明显，使得武器的内弹道过程也越复杂。由于超高射频火炮在高射频时会出现弹道耦合的现象，影响弹丸出炮口时的运动参数，进而影响到射击精度;后续研究应对发射装置进行进一步验证与改进，同时优化改进内弹道的分析模型，争取早日达到实战要求。本文的研究结果为超高射频火炮内弹道设计和优化提供了参考依据。

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(责任编辑周江川)