激光点火窗口动态承压能力的试验研究*

刘 伟，魏建国，王育维，张洪汉

(西北机电工程研究所，陕西咸阳 712099)

大口径火炮激光点火是将激光能量透过炮尾的光学窗口传输到膛内点火药，最终实现整个发射药床点火的过程[1]。相比于传统点火方式，激光点火具有机械结构简单、可靠性高、射速高等优点[2-3]，因此有着良好的应用前景。在激光点火过程中，光学窗口直接承受着高温、高压火药气体的冲击，其工作的可靠性直接关系到火炮作战的可持续性以及己方士兵的安全。为了保证参试人员和设备的安全，窗口材料需要具有耐高温高压的特性，并且必须在上炮试验前经过动态承压能力测试。Ritter等人[4]利用密闭爆发器装填M232A1模块装药模拟了火炮发射过程中的内弹道环境，并对多种光学窗口的动态承压能力进行了试验测试，结果发现这些窗口均遭受了不同程度的损坏。其主要原因是密闭爆发器与火炮膛内动态加压环境存在区别，火炮膛内的压力在最大压力点后随着弹丸的运动逐渐下降，而密闭爆发器腔内压力在达到最大值之后维持30～60 s的高压状态。这种测试方法不能模拟火炮膛内压力下降阶段，并且更容易对光学窗口造成损坏。Howard[5]和马昌军等人[6]建立了药室内部压力变化的数学模型，提出利用射流干扰法解决药室内火药气体对光学窗口造成污染的问题，这种方法同时也降低了火药气体直接冲击光学窗口的强度。

针对靶场试验费用高、耗时长的特点，设计了一种半密闭动态加压装置，并利用该装置对火炮激光点火所用的蓝宝石窗口进行动态压力载荷测试，以模拟火炮内弹道过程中膛内的高压加载状态。

2 动态压力载荷特性与模拟加载装置

2.1 动态压力载荷特性

图1给出了火炮激光点火装置示意图。光学窗口在发射过程中承受动态高压载荷的冲击。某大口径榴弹炮的发射过程通常持续十几毫秒，膛内压力峰值高达380 MPa，压力加载状态具有时间短、压力高、冲击强等特点。在压力上升阶段，某时刻压力p随时间t变化的速率称为该时刻的升压速率Sp。在光学窗口承受动态压力加载的过程中，最大压力、升压速率、平均升压速率是动态压力载荷的主要特性，其数值可以根据射击时实测火炮膛内压力-时间曲线确定。

图1 火炮激光点火装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the gun’s laser ignition device

2.2 动态压力模拟加载装置

图2 半密闭动态压力加载装置Fig.2 Schematic diagram of semi-closedpressure-loading vessel

试验装置主要由半密闭压力加载装置和动态压力测试系统等组成，可以用于模拟火炮发射过程中光学窗口在动态高压加载下的可靠性。其中半密闭压力加载装置如图2所示。可以看出，装药爆炸后，在光学窗口左端腔室内部充满高温、高压的火药气体，与火炮膛内状态类似。试验过程中，装置容积、泄压孔的直径等参数固定，通过调整装药量可以模拟不同内弹道环境中光学窗口承受的动态压力加载状态。装置本体上设置有测压孔和泄压孔，结合动态压力测试系统，可以记录整个试验过程中腔室内部压力随时间的变化情况。

3 动态压力加载数学模型

3.1 动压载荷模型的建立

为了对模拟加压装置内的压力变化进行预测，建立了腔室内火药燃烧及燃气流动的数学模型[7-10]，主要控制方程如下。

(1) 发射药燃速方程

(1)

(2) 火药气体生成速率方程

(2)

(3) 腔室内火药气体质量守恒方程

(3)

(4) 火药气体状态方程

(4)

(5) 泄压孔气体流量方程

(5)

式中：up、n、e1、zk分别为发射药的燃速系数、燃速指数、1/2弧厚、燃烧结束时的相对已燃厚度；χ、λ、μ为发射药的形状特征量；χs、λs为火药在减面燃烧阶段的形状特征量；V0、mg、φ、ρg分别为腔室容积、气体总质量、气体空隙率、气体密度；p1、p2分别为为腔室内、外压力；ωb、ω、Ψ、z分别为点火药质量、发射药质量、发射药已燃百分比、相对已燃厚度；f、ρp、α分别为发射药的火药力、密度和余容；dh/dt为泄压孔质量流量；mout为从泄压孔流出气体的总质量；C0为小孔流量系数，0

3.2 模型验证

图3 理论计算和实测压力变化的比较Fig.3 Comparison of test and calculated p-t curves

试验中采用单基8/7发射药，其主要参数如下：火药力为930 J/g，余容为0.001，比热比为1.23，密度为1.6 g/cm3；装药量为19 g，半密闭加压装置容积V0=80 mL，泄压孔直径d=1.6 mm。将以上参数代入动态载荷模型，计算得出半密闭动态加压装置内压力随时间的变化情况，并将结果与实测结果进行比较，如图3所示。可以看出，实测压力曲线与理论计算结果符合较好，两者压力峰值的相对误差为3.17%，表明动态载荷模型能够较好地描述半密闭加压装置内压力的变化过程。

4 光学窗口动态承压能力试验

4.1 试验条件的确定

根据某大口径火炮全装药最大膛压小于425 MPa(含单发跳动)的要求，为保证该火炮激光点火的安全性，光学窗口必须能够承受最大压力为425 MPa的冲击。图4为全装药时火炮高温内弹道压力随时间的变化曲线。图5为升压速率随时间的变化，其中最大升压速率为90.2 GPa/s。

为了模拟激光点火过程中光学窗口承受的动态压力载荷，可以采用动态载荷模型对试验条件进行预测。计算结果表明：当半密闭加压装置容积V0=80 mL，泄压孔直径为1.6 mm时，装填30.1 g单基8/7发射药，该装置内的最大压力预计将达到432 MPa，满足动态压力加载模拟试验的要求。

图4 火炮膛内实测压力变化曲线Fig.4 p-t curves of the gun chamber in the test

图5 火炮膛内实测升压速率变化曲线Fig.5 Sp-t curves of the gun chamber in the test

4.2 试验结果与分析

取单基8/7发射药30.1 g，对同一蓝宝石窗口进行3发重复的动态压力加载试验。试验中点火压力均为10 MPa，图6给出了装药量为30.1 g时腔室内实测压力-时间曲线。由图6可知，3条曲线在压力变化较大的阶段几乎完全重合，最大压力的平均值为428.7 MPa，与理论值(432 MPa)非常接近。

图7(a)为试验前蓝宝石光学窗口的照片，试验后，对光学窗口上火药气体残渣进行清理，得到激光点火窗口的图像如图7(b)所示。通过对比可知，连续经受3次动态高压冲击载荷后，蓝宝石光学窗口的表面和内部均未出现裂纹，且透光性能保持良好，表明蓝宝石光学窗口的强度满足试验要求，可以承受最高压力为428.7 MPa的动态高压载荷。

图6 发射药量为30.1 g时膛内实测压力曲线Fig.6 p-t curves of the semi-closed vesselwith 30.1 g propellant

图7 试验前及试验后经清洗处理的蓝宝石窗口照片Fig.7 Photos of sapphire window before test andsubjected to cleaning process after test

图8为半密闭加压模拟装置与火炮全装药发射时内弹道试验实测压力-时间曲线对比图。图9为火炮膛内和半密闭加压装置中升压速率随时间的变化情况。大量的试验结果表明，当加载压力小于100 MPa时，蓝宝石窗口不会受到破坏。由图8和图9可知，火炮和半密闭加压模拟装置的内部压力几乎同时达到100 MPa(3 ms时刻)，随后，半密闭加压装置内的升压速率迅速超过火炮膛内的升压速率，并一直持续到压力达到峰值以后。由此可知，半密闭加压装置中加压速率更高，使用半封闭加压装置进行模拟时，蓝宝石窗口更容易受到破坏。

图8 半密闭加压装置和火炮膛内实测压力曲线Fig.8 p-t curves of semi-closed vessel and gun chamber

图9 半密闭加压装置和火炮膛内实测升压速率曲线Fig.9 Sp-t curves of semi-closed vessel and gun chamber

表1 两种试验装置中试验结果的比较Table 1 Comparison of results obtained by the gun chamber and semi-closed vessel

5 结 论

设计了一种能够用于模拟火炮膛内动态高压加载状态的半密闭动态加压装置，建立了该装置内压力变化的数学模型，通过理论计算预测得出动态压力模拟载荷的试验条件。动态压力加载试验的结果表明：在最大压力为428.7 MPa的条件下，被试蓝宝石窗口完好无损，其动态承压能力能够满足某大口径火炮激光点火的使用要求。该半封闭动态加压装置为炮用激光点火窗口动态承压能力的测试提供了一种可行的模拟方法。

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