基于液态平衡体的无后坐炮内弹道研究

曹永杰,张向明,李志飞

(西北机电工程研究所,陕西 咸阳 712099)



基于液态平衡体的无后坐炮内弹道研究

曹永杰,张向明,李志飞

(西北机电工程研究所,陕西 咸阳 712099)

为了实现无后坐炮在有限空间内安全发射,设计了一种含液态平衡体的新型装药结构。基于该新型装药结构,开展了某口径无后坐炮内弹道性能试验,建立了相应的内弹道模型,计算结果与试验结果吻合较好。在此基础上,分析了液态平衡体初始质量、密度、火药弧厚、喷管喉部直径以及挤进压力等参数对内弹道性能的影响。结果表明:液态平衡体初始质量对最大膛压和炮口速度的影响显著,而其密度的影响较弱;较厚的火药、较小的喷管喉部直径及较低的挤进压力有利于提高内弹道综合性能。研究结果可为基于液态平衡体的新型无后坐炮内弹道及装药结构设计提供理论指导。

无后坐炮;装药结构;液态平衡体;内弹道

现代战争要求火炮武器威力大、精度高、机动性好。如何降低火炮发射过程中巨大的后坐力,是协调火炮威力、机动性能、射击精度三者之间矛盾的关键。国内外先后研究了多种减后坐技术和相应的反后坐装置,不同程度地降低了火炮发射过程中产生的后坐冲量,如无后坐发射技术、炮口制退器技术、前冲技术[1]、二维后坐技术[2]、膨胀波发射技术[3]、电流变技术[4]和磁流变技术[5]等。其中,在便携式步兵武器中具备应用价值并且成熟可靠的只有无后坐发射技术。

传统的无后坐炮利用射击过程中火药燃气后喷产生反向推力,使之与后坐力达到基本平衡,或两者产生的动量基本平衡。由于这种形式的无后坐炮在发射时产生强烈的噪声和较长的后喷火焰,故只能在空旷地使用,而不能在有限空间内使用,否则将对射手及其同伴造成严重的伤害。而城市作战是现代战争的主要形式之一,其空间狭小的作战环境严重制约了传统无后坐炮的使用。因此,实现有限空间发射成为亟待解决的问题。根据瑞典萨博公司官方网站公开报道,其研究人员于2014年为其M4型“卡尔·古斯塔夫”无后坐炮研制成功了新型弹药,该弹药采用在药筒内加装液态平衡体的装药结构,在发射过程中液态物质可发生雾化,有效降低了噪声和火焰长度,从而实现了有限空间发射。

本文设计了一种含液态平衡体的新型无后坐炮装药结构,开展了某口径无后坐炮内弹道性能试验,并建立了相应的内弹道模型,分析了内弹道设计中涉及的几种主要参数对其内弹道性能的影响,对于发展我国适用于有限空间发射的新型无后坐炮具有一定的指导意义。

1　物理模型

设计的新型无后坐炮采用药筒装药方式,其示意图如图1所示。为方便装填,将弹丸、带状发射药、平衡体及点火机构全部装在药筒内。药筒底部的容器内装有液态平衡体,由一个隔板将液态平衡体和燃烧室隔开,药筒底部有一个挡板,点火后在高压作用下发生破碎,液态平衡体向炮尾方向喷出。

图1　新型无后坐炮装药结构示意图

为减轻全弹质量和长度,设计的液态平衡体质量较弹丸小,相应地,其行程也较弹丸短。这样设计的结果必然是液态平衡体先于弹丸喷出火炮。根据这一特征,可将该新型无后坐炮的内弹道过程分为2个阶段:①从弹丸与液态平衡体同时运动开始,到液态平衡体完全出膛;②液态平衡体出膛后,膛内火药气体经由尾喷管迅速向炮尾排出,弹丸受膛内火药气体作用,继续向炮口方向运动,直至出膛。

在经典内弹道基本假设[6]的基础上增加以下几点简化和假设:

①药筒底部挡板在达到一定压力时瞬时破碎,喷管打开,同时弹丸开始运动;

②液态平衡体在膛内高压燃气作用下以类似于活塞运动方式向炮尾方向移动;

③液态平衡体在膛内高压燃气作用下一旦流出喷管喉部即发生雾化,与保留在膛内的部分离散;

④忽略药筒内径的变化,并近似等于身管内径;

⑤热散失通过减小火药力间接修正;

⑥将传火管、平衡体容器及隔板对平衡体质量的影响以及平衡体运动过程中受到的阻力用次要功计算系数修正。

2　数学模型

基于该新型无后坐炮内弹道物理模型,结合经典内弹道理论,建立如下数学模型。

①火药燃速方程。

(1)

②火药形状函数。

(2)

③弹丸运动方程。

(3)

④弹丸速度与行程关系式。

(4)

⑤液态平衡体运动方程。

(5)

⑥液态平衡体速度与行程关系式。

(6)

⑦尾喷液态平衡体流量方程。

(7)

⑧尾喷燃气相对流量方程。

(8)

⑨能量方程。

(9)

⑩气体状态方程。

(10)

式中:

初始条件为

其中:Δ为装填密度,ρp为火药密度,p0为挤进压力,m20为液态平衡体初始质量。

3　计算结果与分析

基于本文设计的新型装药结构,开展了某口径无后坐炮内弹道性能试验。根据本文所建立的数理模型进行了数值仿真,计算结果与试验结果的比较如表1所示。结果表明,计算得到的最大膛压pm和弹丸炮口速度vg与试验结果符合较好,相对误差均在3%以内,可用于指导工程设计。

表1　计算结果与试验结果的比较

在验证模型准确、可行的基础上,基于65式82 mm无后坐炮结构诸元和装填条件(相关参数见文献[6]),分析液态平衡体初始质量、密度、火药弧厚、喷管喉部直径及挤进压力等因素对新型无后坐炮内弹道性能的影响。

3.1液态平衡体初始质量对内弹道性能的影响

在限定药筒总长不变的情况下,液态平衡体初始质量越大其所占药室容积越多,相应地,药室内初始自由容积越小。因此,在密度不变的情况下,液态平衡体的质量通过其自身运动和药室容积2种途径影响内弹道性能。

在其他参数不变的前提下,仅改变液态平衡体的初始质量,计算得到的p-t曲线和v1-t曲线分别如图2和图3所示。

图2　液态平衡体初始质量对平均膛压的影响

图3　液态平衡体初始质量对弹丸速度的影响

可以看出,液态平衡体初始质量对内弹道性能有显著影响。一方面,液态平衡体初始质量越大,最大膛压越高,给药筒和身管强度设计带来困难,不利于新型无后坐炮武器系统的轻量化设计;另一方面,液态平衡体初始质量越大,火药利用率越高,弹丸炮口速度越高,而且越有利于降低发射过程中后喷燃气的声、光、烟、焰等信号特征。因此,液态平衡体初始质量应作为新型无后坐炮武器系统总体设计时需重点考虑的影响因素之一。

在发射过程中,液态平衡体在燃气高压作用下不断向喷管尾部喷出,其尚未喷出部分的质量和速度随时间变化曲线分别如图4和图5所示。可以看出,液态平衡体在膛内的运动时间相对于弹丸在膛内的运动时间要短得多,并且液态平衡体初始质量越大,完成喷射所需的时间越长,液态平衡体速度变化越慢,类似于物体的“惯性”。

图4　液态平衡体剩余质量随时间的变化

图5　液态平衡体速度随时间的变化

3.2液态平衡体密度对内弹道性能的影响

考虑到武器装备的环境适应性,要求液态平衡体须具备在低温条件下不发生凝固的能力。此外,为保证储存与使用安全性,液态平衡体及其雾化产物还应无毒、无腐蚀性。在现有技术条件下,驻退液可作为平衡介质的较理想的选择之一。由于驻退液自身的密度随温度发生一定的变化,而且可以通过在液体中加入轻质软性塑料来调节其密度(此时为等效密度),因此,有必要分析液态平衡体密度对内弹道性能的影响。

在液态平衡体质量保持为0.8 kg的条件下,调节其密度,计算得到的p-t曲线和v1-t曲线分别如图6和图7所示。可以看出,减小液态平衡体的密度,最大膛压和弹丸炮口速度均有所提高,但与液态平衡体质量对内弹道性能的影响相比,液态平衡体密度的影响较弱。

图6　液态平衡体密度对平均膛压的影响

图7　液态平衡体密度对弹丸速度的影响

3.3火药弧厚对内弹道性能的影响

火药弧厚是内弹道设计时经常考虑的一个重要参数。火药弧厚对新型无后坐炮内弹道性能的影响如表2所示,表中,2e1为火药弧厚,ηk为火药相对燃烧结束位置。结果表明,火药弧厚从0.38 mm改变为0.42 mm,火药均可完全燃烧,炮口压力pg变化很小,最大膛压pm下降了6.3%,而弹丸炮口速度仅下降了1.6%。这意味着采用较厚的火药,可在弹丸炮口速度下降相对较小的条件下,相对较多地降低最大膛压,有利于新型无后坐炮武器系统的轻量化设计。

表2　火药弧厚对内弹道性能的影响

3.4喷管喉部直径对内弹道性能的影响

喷管喉部直径是无后坐炮的一个重要结构参数,不仅影响内弹道性能,还与喷管膨胀比共同影响平衡性能。喉部直径对内弹道性能的影响如表3所示。由表3可以看出,弹丸炮口速度对喉部直径较为敏感。在满足平衡性能和炮口冲击波在安全阈值内的前提下,应选用喉部直径较小的喷管,可在最大膛压基本不变的情况下较大幅度地提高弹丸炮口速度。

表3　喷管喉部直径对内弹道性能的影响

3.5挤进压力对内弹道性能的影响

挤进压力是新型无后坐炮内弹道过程的一个重要起始条件,它的变化对弹道性能也有一定的影响。挤进压力对新型无后坐炮内弹道性能的影响如图8和图9所示。可以看出,挤进压力增大,最大膛压显著升高,而弹丸炮口速度增加较少。较小的挤进压力有利于弹药和发射器的轻量化设计,并且对弹丸炮口速度的影响很小。

图9　挤进压力对弹丸速度的影响

4　结束语

本文设计了一种适用于无后坐炮的含液态平衡体的新型装药结构,建立了相应的内弹道模型,通过内弹道性能试验验证了模型的准确性与可行性。在

此基础上,分析了多参数对内弹道性能的影响,得出以下结论:

①液态平衡体初始质量对最大膛压和炮口速度的影响显著,在武器系统总体设计时应重点考虑;液态平衡体密度的影响较弱,可不必对其进行针对性的调节。

②采用较厚的火药,可在弹丸炮口速度下降相对较少的条件下,相对较多地降低最大膛压,有利于新型无后坐炮武器系统的轻量化设计。

③在最大膛压基本不变的情况下,较小的喷管喉部直径可较大幅度地提高弹丸炮口速度。

④在弹丸炮口速度下降较小的条件下,较低的挤进压力可较大幅度地降低最大膛压。

合理匹配上述主要影响因素,可优化基于液态平衡体的新型无后坐炮内弹道与装药结构设计,并为武器系统轻量化设计提供参考。

[1]杨军荣.基于软后坐技术的某自动迫击炮动力学分析[J].弹道学报,2006,18(1):63-67.

YANG Jun-rong.Dynamic analysis of an auto mortar based on the soft recoil technology[J].Journal of Ballistics,2006,18(1):63-67.(in Chinese)

[2]宗士增,钱林方,何永,等.轻型车载火炮二维后坐动力学研究[J].弹道学报,2011,23(2):76-78.

ZONG Shi-zeng,QIAN Lin-fang,HE Yong,et al.Analysis of two-dimension recoil dynamics of truck-mounted artillery[J].Journal of Ballistics,2011,23(2):76-78.(in Chinese)

[3]KATHE E,DILLON R E.Sonic rarefaction wave low recoil gun,AIAA 2001-0743[R].2001.

[4]童睕,王国辉,宋刚,等.电流变液体在火炮反后坐装置上的应用[J].火炮发射与控制学报,2006(S1):108-111.

TONG Huan,WANG Guo-hui,SONG Gang,et al.Application of electrorheological fluid in gun recoil mechanism[J].Journal of Gun Launch & Control,2006(S1):108-111.(in Chinese)

[5]李赵春,王炅.火炮磁流变阻尼器试验分析与动态模型[J].振动与冲击,2012,31(1):64-67.

LI Zhao-chun,WANG Jiong.Experimental analysis and dynamic model of a magneto-rheological damper for gun recoil system[J].Journal of Vibration and Shock,2012,31(1):64-67.(in Chinese)

[6]金志明.枪炮内弹道学[M].北京:北京理工大学出版社,2004:280-292.

JIN Zhi-ming.Gun interior ballistics[M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press,2004:280-292.(in Chinese)

Study on Interior Ballistics of Recoilless Gun Based on Liquid Balance Body

CAO Yong-jie,ZHANG Xiang-ming,LI Zhi-fei

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering,Xianyang 712099,China)

In order to achieve the safety launch of recoilless guns in the confined space,a new charge structure containing liquid balance body was designed.The interior ballistic experiment was carried out based on the new charge structure,and the interior ballistic model was established.The calculated results are in good agreement with the experimental results.On this basis,the effects of the initial liquid balance body mass,the liquid density,the propellant web size,the nozzle throat diameter and the engraving pressure on the interior ballistic performance were analyzed.Results show that the balance body mass has remarkable effect on the maximum chamber pressure and the muzzle velocity,while the effect of the liquid density is little.Larger propellant web size,smaller nozzle throat diameter and lower engraving pressure are in favor of improving the overall interior ballistic performance.The results can offer theoretical guidance for the interior ballistics and charge-structure design of new recoilless gun based on the liquid balance body.

recoilless gun;charge structure;liquid balance body;interior ballistics

2015-10-09

曹永杰(1987- ),男,工程师,博士,研究方向为新概念发射原理与新型弹药技术。E-mail:caoyj801@163.com。

TJ012.1

A

1004-499X(2016)03-0071-05