基于后坐距离要求的迫榴炮水弹试验装水质量设计研究

傅建平,王　蕊,张晶晶,窦　晨

(1.山西农业大学 信息学院，山西 晋中　030800；2.军械工程学院 火炮工程系，河北 石家庄　050003)

火炮大修与中修后都要进行水弹试验，以动态射击方式综合检验火炮的修后质量[1]。相对火炮发射固体弹丸射击试验等其他射击试验[2-4]，火炮水弹试验对靶场要求低、周期短、成本低、安全性好、便于实施，故修理单位广泛采用水弹试验来检验火炮修后质量[5]。目前，老装备已形成较为成熟的水弹试验方法，但传统水弹试验大多基于试验工程实践，对水弹试验理论研究较少，工程实践法费用高、周期长、盲目性大、安全性和通用性较差，迫切需要水弹试验理论指导水弹试验。在水弹试验中装水质量的确定是顺利开展水弹试验的前提。傅建平等[6]基于火炮水弹试验与实弹射击时炮膛合力冲量相等原则为内弹道性能相同的同类火炮提供了一种装水质量确定方法,从火炮动力驱动的角度出发，以炮膛合力冲量为切入点来选取合适装水量。

与其他火炮相比，迫榴炮功能强、弹药种类多，可完成多种射击任务。但该火炮结构的特殊性和弹药种类的多样性给该炮水弹试验带来较多困难，迫切需要进行新型迫榴炮修后水弹试验方法研究，为该火炮修后水弹试验方案提供理论支撑。由于火炮后坐距离是考核火炮水弹试验的核心指标，因此，笔者基于新型迫榴炮炮膛及其弹药结构特点，从火炮试验后坐距离要求出发，研究了该炮水弹试验时的水弹结构与装水质量等试验方法，为部队修理机构开展水弹试验提供科学依据。

1　迫榴炮水弹试验方法原理

迫榴炮兼具迫击炮和榴弹炮的弹道性能，能够发射杀爆迫弹、杀伤爆破弹和子母弹等多种弹药(简称迫弹、榴弹和子母弹)。3种弹的结构与发射特点具有很多特殊性，对比它们与水弹的特点与试验费用，如表1所示。

表1　3种弹药与水弹的结构对比

火炮水弹试验实质上是模拟火炮在最苛刻作用力情况下机构动作情况，迫榴炮发射的普通弹丸(除火箭增程弹外)中，榴弹射程最远，其膛压较大，弹重最重，同时试验成本低，故该迫榴炮水弹试验模拟实弹射击的弹种为榴弹。

基于迫榴炮结构特点，结合火炮水弹试验工程实践经验，该迫榴炮的水弹试验原理如图1所示，试验系统包括被试迫榴炮、水弹(木塞与水)和试验装药(装药尾架、全装药、导向环)3部分。

如图2所示，在装药尾架前部旋有导向环，以不改变火炮水弹试验的药室容积、装填密度，导向环还用来支撑装药尾架，防止药包在进入药室时与药室壁摩擦造成磨损。木塞材质应具有良好的弹性，以密闭前部液体，防止装药受潮；足够的强度，以承受火炮发射时的高膛压；较高的硬度和韧性，确保膛内较好的耐磨性，并不易开裂。木塞的形状应与火炮坡膛形状相近，由圆锥段与圆柱段组成。

水弹试验时，装药尾架上的药包急速燃烧产生高温高压的气体，致使导向环前后端面压力不同，尾架前端螺纹被剪断，导向环、木塞和水柱共同高速飞离炮口，装药尾架则被炮闩抽出膛外；同时高温高压的气体作用在火炮后坐部分，使火炮作后坐运动。通过调整水弹试验装水质量，使火炮后坐复进运动规律与其实弹射击时的运动规律相似，并且火炮最大后坐位移满足规定要求。

2　迫榴炮水弹试验装水质量设计

由迫榴炮水弹试验原理可知，该炮水弹试验后坐复进运动规律与其实弹射击时的运动规律相似，并且火炮后坐距离满足规定要求。为此，需求解试验火炮正常后坐位移范围对应的装水质量。

2.1　迫榴炮水弹试验后坐距离计算模型

如图3所示，火炮后坐过程中，以火炮后坐部分为研究对象，分析其受力情况。火炮水弹试验时，火炮后坐部分在炮膛合力Fpt、后坐部分重力mhg和后坐阻力FR作用下作后坐运动[7]。图3中，Fφh为制退机液压阻力；Ff为复进机力；F为反后坐装置的摩擦力；FT为摇架导轨上的摩擦力；α为火炮射角。

为了建模与计算方便，在火炮后坐过程中，作以下假设：

1)火炮和地面为绝对刚体。

2)火炮处于坚硬的水平地面进行射击试验，忽略弹丸回转力矩的影响，并认为所有的力作用在射面内。

3)射击时全炮处于平衡状态。

基于假设，根据火炮射击动力学理论，可建立火炮后坐运动模型如下[6]：

(1)

式中：mh为后坐部分的质量；vh为后坐速度；t为时间；Af为复进机活塞工作面积；pf复进机内气体的某瞬时压力；W为复进机内气体某瞬时体积；W0为复进机内气体初始体积；k为绝热系数。

膛内气体平均压力p可由火炮水弹试验内弹道方程组求得[8]：

(2)

2.2　迫榴炮水弹试验装水质量计算方法

从建立的火炮后坐距离计算模型可以看出，火炮水弹试验时装水质量与火炮后坐距离存在着一一对应的关系。火炮水弹试验正常后坐距离范围为

x∈[xa,xb]

(3)

式中：x为火炮后坐位移，与水弹试验的环境温度和火炮射角有关；xa为火炮正常后坐距离的下限，通常在水弹试验低温、小射角试验条件下得到；xb为火炮正常后坐距离的上限，通常在水弹试验高温、大射角试验条件下得到。

此时，火炮正常后坐距离范围对应的装水质量范围为

m∈[ma,mb]

(4)

式中：m为装水量；ma为该炮后坐位移下限对应的装水质量，即装水质量下限；mb为该炮最大后坐位移对应的装水质量，即装水质量上限。

由于火炮水弹试验时装水质量与火炮后坐距离之间的关联关系高度非线性，难以直接解算火炮在一定后坐距离时对应的装水质量。

果蝇优化算法是通过观察果蝇觅食行为而演化出来的一种新的群智能优化算法[9]。果蝇优化算法与遗传算法等其他优化算法比较，具有编程简单，参数少，计算量小，全局寻优能力强，收敛速度快等优点[10]，故本文采用果蝇优化算法求取火炮某一后坐距离对应的装水质量。

果蝇优化算法求解装水质量的方法步骤为：

1)初始化果蝇的群体飞行位置：Xaxis,Yaxis。

2)给出每个果蝇搜寻目标的随机方向和距离Xi,Yi：

Xi=Xaxis+XRandom_value

Yi=Yaxis+YRandom_value

(5)

3)由于目标的位置是未知的，所以首先确定果蝇当前的位置Di，然后计算气味浓度的判断值Si(即装水质量m)；

(6)

将Si代入火炮后坐运动模型中可得火炮水弹试验后坐位移xi；在气味浓度判断值Si中引入气味浓度判断函数，即每个果蝇的味道浓度CSmell，i：

CSmell，i=|xa-xi|

(7)

4)在果蝇群中找出气味浓度最小的果蝇：

[bestSmell,bestindex]=min(CSmell，i)

(8)

5)保留最佳的气味浓度值及Xaxis，Yaxis的坐标位置。果蝇群体将利用视觉飞到这一位置：

Xaxis=X(bestindex)Yaxis=Y(bestindex)

(9)

6)迭代优化，重复步骤2)～4)，然后判断气味浓度是否优于上一代的迭代浓度，若是，则执行第5步。

7)迭代控制条件：迭代总数和迭代精度要求，当迭代次数或迭代精度满足规定要求，退出程序，并记录此时的后坐距离x和对应的装水质量m。

2.3　装水质量计算结果

迫榴炮的正常后坐距离范围为x∈[350,360]。

由该火炮后坐位移下限xa=350 mm，基于上述计算模型，设最大迭代终止次数max_gen=50，种群规模size_pop=50；迭代精度ε=|xa-xi|≤0.1 mm，应用MATLAB软件编程计算该后坐位移对应的装水质量。气味浓度、后坐距离下限和装水质量下限随迭代次数的变化规律如图4～6所示。

从图4可以看出气味浓度在迭代到37次时就开始收敛，从而说明通过果蝇优化算法可以快速找到目标函数的最优解。此时后坐距离为x=349.82 mm，对应的装水质量m=10.14 kg。

同理求取该火炮后坐距离上限xb=360 mm对应的装水质量m=16.11 kg，对应的后坐距离为x=359.24 mm。

综上所求，该火炮水弹试验时的装水质量范围为[10.14 kg,16.11 kg] 。

为满足水弹试验的复杂试验环境条件与安全性要求，兼顾水弹试验的可行性，火炮水弹试验装水质量通常取其装水质量范围的平均值，即13.13 kg。

某修理工厂曾在该迫榴炮水弹试验时，通过不断改变装水量，并进行大量试验后摸索得到装水质量为13 kg，后坐距离与后坐复进时间(秒表测量)测试结果如表2所示。通过摸索试验得到的装水质量参数与笔者提出的装水质量设计方法的结果相吻合，表明基于后坐距离要求的装水质量设计方法是可行的，结果是可信的。

表2　迫榴炮水弹试验结果

3　结束语

笔者基于迫榴炮结构特点和水弹试验工程实践经验，在该炮水弹试验机理分析基础上，提出了一种基于火炮后坐距离要求的火炮水弹试验水弹装水质量设计方法，即先建立该炮水弹试验后坐距离计算模型，以得到不同后坐距离各自的装水质量，再采用果蝇优化算法确定该炮水弹试验装水质量的范围。计算结果与水弹试验结果吻合，表明笔者所提出的装水质量设计方法是可行的。该方法不仅能够确定水弹试验装水质量范围，避免传统装水质量需经不断配重并反复试验带来的诸多困难，而且考虑了水弹试验复杂的试验环境，安全性好，为部队开展水弹试验提供科学依据。本方法通用性好，也为其他火炮修后水弹试验确定装水质量提供了理论方法。

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