一种多头弹发射原理结构研究*

高 岩,李 强,谭 庆

(中北大学机电工程学院,太原 030051)

0 引言

大口径高射速机枪理论射速一般为450～600发/min,经常用于歼灭斜距离2 000 m以内的敌低空目标,如低空飞行器、空降兵。为提高身管武器射速而发展起来的金属风暴系统有着射速高达6万发/min的优点,但由于发射药柱与弹丸在身管中串联排列使得该武器要比同类传统武器的身管长[1-2]。侧装药金属风暴系统一定程度上缩短了身管长度,但随即带来了装药结构复杂,重装填用时长的问题[3]。文中在前人超高速发射理论研究的基础上,提出了一种发射14.5 mm口径枪弹的“多头弹”弹药结构,理论射速可达2.7万发/min，枪管可采用传统高射机枪枪管。

1 工作原理

“多头弹”发射原理如图1、图2所示。9发弹丸沿蜗状线排布一周。药筒中部的金属隔板上开有4个孔,1个在药筒中轴线上(以下称为发射药导气孔),另外3个孔在蜗状线靠近药筒壁(以下称为推弹气体导气孔)。发射药被点燃后渐次燃烧,每一发弹丸对应燃烧一层层状药,高温高压火药燃气同时进入发射药导气孔和推弹气体导气孔。进入发射药导气孔的火药气体推动弹丸挤入坡膛并沿膛运动,进入推弹气体导气孔的气体推动弹丸沿蜗状线向药筒中心运动,弹丸到达药筒中心即被发射药导气孔中的气体推动挤入坡膛并沿膛运动,直至所有弹丸均被发射为止。

图1 多头弹

弹丸是直接沿蜗状线排布,作为传统枪弹上夹持固定弹丸的夹压槽似乎已经失去作用,可以取消。但为了确保弹丸在向药筒中心运动的过程中弹轴与药筒中轴线保持平行,仍保留夹压槽结构。如果采用带有斜肩的药筒,药筒中部金属隔板弹丸一侧的压力小,发射药一侧的压力大,未发射的弹丸弹姿会受到干扰,所以药筒整体为竖筒结构。依靠药筒前缘抵紧药室端面进行定位。

图2 “多头弹”发射原理

2 装药设计

减灭性越大的火药,在燃烧过程中的前一段放出的气体也越多,使膛内压力迅速上升,并产生较高的最大膛压,而使身管的质量增加[4-6]。为此,在使用6/7火药作为主发射药的基础上,采用了火箭炮用弹药类似的结构。用乙基纤维素带缠绕包覆药柱后放入药筒内。这样做的目的是只许发射药从内孔向外燃烧,而不许药柱向内燃烧。在两个6/7主发射药柱的中间,增加了一层厚度为3 mm的2/1樟火药,降低火药燃速,使前一发弹的尾流对后一发弹的初速影响尽量降低。

3 内弹道模型

“多头弹”的内弹道模型和序贯装药金属风暴的内弹道模型相似,因此,运用轴对称二维两相流理论建立多头弹内弹道模型,且进行数值模拟[7]。

1)气相连续方程

(1)

2)固相连续方程

(2)

3)气相动量守恒方程

(3)

式中:p为气相压力;uign为各种点火元件点火药生成的燃气在膛内的流动速度;fs为单位体积内气固两相间的阻力。

4)固相动量守恒方程

(4)

式中R为颗粒间应力。

5)气相能量守恒方程

(5)

式中:eg为气相比内能;ep为固相的化学潜能;Hign为点火元件点火药燃气的滞止焓;q为单位表面气固两相的热交换,气相传给固相的热量为正,反之为负。

图3给出了“多头弹”的平均膛压-时间关系曲线,一发弹的平均膛内时间为2.2 ms,9发弹共用时19.8 ms,理论射速2.7万发/min。

图3 膛压-时间关系曲线

4 多头弹刚体动力学仿真

为掌握弹丸的动力学、运动学特性,通过对多头弹结构进行ADAMS动力学仿真。将三维模型导入ADAMS后,对身管和药筒施加ground的固定副;对接触物体施加接触,静摩擦力系数为0.1,动摩擦力系数为0.05;对未处于药筒中心的弹丸施加与火药燃气压力相对应的旋转力矩;对处于药筒中心的弹丸施加对应的沿身管轴向的轴向力。

仿真完成后,对每发弹丸的姿态、空间位移和速度进行测量。弹丸姿态如图4所示,弹丸空间位移如图5所示,弹丸速度-时间曲线如图6所示。

图4 弹丸姿态

图5 第9发弹弹道轨迹

图6 弹丸速度-时间曲线

如图6所示,由于弹丸之间存在着接触,挤进入膛的弹丸入膛时会对后续弹丸产生摩擦和碰撞,导致后续弹丸偏离原始弹轴,使弹丸入膛时间产生偏差。第9发弹丸没有后续弹丸对其膛内压力进行扰动,所以火药燃气压力对其有效作用时间有所增加,导致其加速度和速度高于前9发弹丸。

5 多头弹药筒强度校核

药筒在发射过程中必须保证足够的强度,蜗状线不能被压溃,装药部分筒壁应当能迅速膨胀以达到可靠闭气的目的。发射完成后,药筒膨胀部分应当有一定的变形恢复能力,保证药筒在抽壳过程中不会被拉断。为此,建立了如图7所示的药筒受力模型,药筒与药室的单边间隙为0.01 mm。药室完全固定。药筒前端和后缘完全固定,药筒外壁不施加任何约束,其余部分施加膛压。

图7 药筒受力模型

药筒应力云图如图8所示,药筒应力最大的区域为推弹导气孔附近,其应力-时间曲线如图9所示。

图8 应力-时间关系曲线

图9 药筒应力云图

图10给出了变形放大系数为20的变形云图,容纳弹丸的药筒腔室和容纳药柱的药筒腔室均出现了明显的膨胀,发射药导气孔和推弹导气孔所在的横截面膨胀较少,变形最大的区域为药柱外侧的药筒壁,其形变-时间曲线如图11所示,每发弹丸入膛后至出膛的前2/3的时间内,药筒膨胀变形都保持在单边0.1 mm,可以实现可靠闭气的目的。

图11 药筒变形-时间曲线

6 结束语

针对于“金属风暴”的不足,采用“多头弹”发射原理,设计了一种发射14.5 mm口径枪弹的“多头弹”弹药。对多头弹的装药和弹丸排布进行了设计和研究,对内弹道进行了建模与仿真计算,并对药筒强度进行了校核,为后续“多头弹”实验验证奠定了理论基础。文中并未进行“多头弹”的后坐缓冲机构及平衡机构的讨论和设计,在后续研究中将是一个重点和难点。