水下內弹道装药特性仿真分析及试验研究*

周永升 侯 健 可学为

(1.海军工程大学 武汉 430033)(2.海军湛江军械修理厂 湛江 524000)

水下內弹道装药特性仿真分析及试验研究*

周永升1侯 健1可学为2

(1.海军工程大学 武汉 430033)(2.海军湛江军械修理厂 湛江 524000)

论文依据水下內弹道模型,通过仿真计算分析了不同装药量、不同类型发射药两种条件下水下超空泡射弹武器膛压及弹丸初速变化规律,选用不同类型的发射药进行实弹射击试验,通过仿真结果的对比及试验测试的验证表明:小口径水下超空泡射弹武器在装药时一般应选取低燃温、低燃速、等面燃烧的单基药,并确定合适的装药量,以降低最高膛压,提高身管的寿命。

水下內弹道; 装药特性; 仿真试验

(1. Naval University of Engineering, Wuhan 430033)(2. Zhanjiang Naval Ordnance Repair Factory, Zhanjiang 524000)

Class Number TP391

1 引言

水的密度比空气大近800倍,弹丸在水下运动时会受到巨大的阻力,因此弹丸在水下射击时速度会大幅下降[1～2]。通过改变装药条件可以提升弹丸的水下运动速度,论文通过建立水下內弹道模型[3～6],对不同的装药量及装药类型对最大膛压和弹丸初速的影响进行了研究。

2 水下射弹装药分析

装药设计的主要任务和最终目的就是确定发射药类别及牌号,使武器达到战术技术所要求的射程、初速以及其他指标[7]。

2.1 不同装药量仿真分析

初始条件:身管长度:900mm;口径12.7mm;全弹重200g;全弹长240mm;药室容积:27ml;启动压力:30Mpa。

应用水下內弹道模型,利用Matlab软件编程,在装药类型相同的情况下进行仿真分析,得到不同装药量条件下的膛压及弹丸初速参数如表1所示。

由內弹道参数表得到装药量与初速、膛压对照关系如图1所示。

表1 內弹道参数表

图1 装药量与初速、膛压的对照关系

由图1可以看出,在装药类型相同的条件下,随着装药量的增加,初速及膛压都在上升,但是相对于初速的增加,膛压的增幅更大也更快,而较大的膛压会对水下武器造成很大的破坏,因此,水下超空泡射弹武器的装药量不宜过大。

2.2 不同类型发射药仿真分析

超空泡射弹发射药的类型多种多样,不仅成分不同,而且形状和尺寸也各不相同,目前制式发射药种类一般有单基药(如火棉加助剂制成的发射药)、双基药(如火棉与硝化甘油制成的发射药)、三基药(如火棉、硝化甘油及硝基胍制成的发射药)以及由它们派生出来的发射药,如混合酯发射药、硝铵发射药等。

对发射药的属性进行仿真分析,根据弹道性能要求,选择适当类型的发射药,可以降低最高膛压,提升弹丸的初速。

仿真计算初始条件:枪管长度:1200mm;枪膛直径:12.7mm;水密度:1000kg·m-3;弹丸长度:150mm;药室容积:27ml;启动压力:30Mpa;装药量:10g,两种不同类型的发射药参数如表2所示。

表2 发射药参数表

用Matlab软件进行仿真计算,得到的结果如图2、图3所示。

图2 5/7石內弹道特性

通过仿真结果可以得到以下结论:

1) 采用5/7石(单基药)及5/7高樟(双基药)时,射弹的初速分别为458.35m/s及571.50m/s;最大膛压分别为207.09Mpa及848.75Mpa;

2) 当使用5/7石这类燃速慢的单基药作为超空泡射弹的燃药时,超空泡射弹的出口速度在400多m/s,膛压在200多MPa,符合水下枪械的战技要求,适合作为水下射弹的发射药;

图3 5/7高樟內弹道特性

3) 使用5/7高樟这类燃速快的双基药作为超空泡射弹的燃药时,超空泡射弹的初速上升,但膛压也急剧上升,可能达到800多MPa,容易引起炸膛事故,不适合作为水下射弹的发射药。

2.3 发射药类型选择的其他要求

装药设计中,选择发射药的类型是相当重要的,弃去不具有基本条件的发射药品种,可以减少安全事故的发生。

1) 所选发射药应具有足够的强度,能承受使用和勤务处理时可能出现的各种力的作用,在燃烧过程中保持药体不变形,不变脆。

2) 以身管寿命和弹丸初速为依据,选取燃温和能量相当的发射药。属于低燃温、能量较低的发射药有单基药和含降温物质的双基药,其燃温可控制在2600K～2800K,火药力为941KJ/Kg～1029KJ/Kg;三基药和高氮单基药则属于中等能量范围的发射药,火药力约为1029KJ/Kg～1127KJ/Kg,燃温2800K～3200K;双基药、混合酯发射药属于高能发射药,其火药力范围为1127KJ/Kg～1176KJ/Kg[8]。水下內弹道膛压一般较空气中高,膛压过高会对身管造成严重损坏,所以水下超空泡射弹武器一般选用低燃温、能量较低的发射药。

3) 发射药的药型能够改变燃烧面,针对燃烧过程中,燃烧面积随时间的变化规律可将燃烧过程分为减面(燃烧面积不断减小)、等面(燃烧面积基本不变)及增面(燃烧面积逐渐增大)燃烧。带状、片状、球状、环状等药型在燃烧过程中一般是减面的,管状药型是接近于等面燃烧的,多孔粒状药型是增面的。对于减面性发射药来说,在燃烧的初期阶段会释放大量的气体,使膛压迅速上升,产生较高的压力[9],因此,水下內弹道一般选用等面或增面燃烧发射药,可以避免能量释放过快、膛压过高对身管造成损伤。

3 装药设计试验研究

在装药量相同的前提下,选用仿真分析中的两种不同类型的发射药进行水下射弹试验。

3.1 试验结果

所用仪器设备包括:12.7mm某型号水下射弹发射装置、水下靶道仓及钢板靶、高速摄影机、励磁线圈靶[10]及应变式传感器[11],试验数据如表3所示。

表3 试验数据表

在水下环境中采用5/7石发射药进行试验时,射弹在水下形成稳定的超空泡如图4所示。

图4 5/7石试验超空泡照片

在空气中采用5/7高樟发射药进行试验时,出现炸膛现象如图5所示,由于水下发射装置的膛压要高于空气中膛压,所以进行相应的水下测试时也会出现炸膛现象。

3.2 试验结论

1) 试验测试中出现的稳定水下射弹超空泡、炸膛等现象及膛压、弹丸速度测试结果均与仿真结果一致性好,验证了模型和仿真计算的正确性;

图5 5/7高樟试验炸膛现象

2) 对于燃速慢的发射药(单基药),试验得到的最大膛压和弹丸速度均比较合理,表明燃速慢的发射药适合作为水下弹丸发射药使用;

3) 对于燃速较快的发射药(双基药),试验膛压过大,出现炸膛现象,表明燃速快的发射药不适合作为水下弹丸发射药使用。

4 结语

在进行小口径水下武器装药时,装药量不宜过大,选择缓燃药可以降低最大膛压,有利于持续对弹头施加推力,保证弹头在膛内运动的平稳和足够的出膛动能,满足超空泡水下发射自动武器的內弹道要求和战术技术指标要求。

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Simulation and Experimental Study on the Charge Characteristics of Underwater Interior Ballistics

ZHOU Yongsheng1HOU Jian1KE Xuewei2

According to the interior ballistic model, the change rules of the chamber pressure and the muzzle velocity of projectile which in the conditions of different varying sizes and different types of the propellant are analyzed by the simulation calculation in this paper. The firing experiment are carried out in different types of the propellant. The comparison of the simulation results and the experimental results show that the charge of small caliber underwater gun should be selected in the single-base powder which is low burning temperature, low burning rate and neutral burning, in addition, the appropriate charge of the propellant should be determined to reduce the maximum chamber pressure and improve the life of the body tube.

underwater interior trajectory, charge characteristics, simulation and experiments

2016年6月6日,

2016年7月29日

周永升,男,硕士,研究方向:兵器发射与动力推进技术。侯健,男,博士后,教授,研究方向:舰炮武器总体设计。可学为,男,博士,助理工程师,研究方向:舰炮设计理论与整体技术。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.038