惯性炮闩对膨胀波火炮膛压影响分析

2019-01-02范光明郭张霞田家林王振嵘

火炮发射与控制学报 2018年4期

范光明，郭张霞，田家林，王振嵘，罗鹏

(1.中北大学机电工程学院，山西太原 030051；2.北京航天微电科技有限公司成都分公司，四川成都 610000)

膨胀波火炮是一种新型低后坐武器系统，是解决火炮大威力与机动性这一矛盾的有效尝试[1]。惯性炮闩式膨胀波火炮的膛压影响因素主要有3个：气体生成速率、弹丸运动速度和惯性炮闩运动速度[2]。惯性炮闩的运动特性决定着膨胀波火炮的打开时机，进而影响膨胀波火炮的膛压。岳文龙等对膨胀波火炮内弹道进行了理论模型建立及数值分析，给出了开启闩体后波的传播运动规律，但未对膛压的影响因素进行分析[3]。王颖泽等分析了不同装药量、药室容积、弹丸质量和挤进压力对发射性能的影响，但未考虑惯性炮闩对发射性能的影响[4-5]。笔者针对惯性炮闩如何影响膨胀波火炮膛压这一问题，对膨胀波火炮内弹道中影响惯性炮闩式膨胀波火炮膛压的惯性炮闩启动压力、惯性炮闩质量和惯性炮闩最大行程长3个参数分别进行了计算，分析对比这3个参数对膨胀波火炮膛压的影响，对膨胀波火炮的设计与优化提供了一定的参考和理论依据。

1 膨胀波火炮的发射机理

惯性炮闩式膨胀波火炮发射原理如图1所示，火炮发射时，通过火药燃气控制药室扩张部安装的弹簧卡锁装置解锁，惯性炮闩在火药气的推动下运动至扩张喷管前部突然打开炮尾。药室内的火药燃气在压力梯度作用下，从尾部的扩张喷管高速喷出，利用燃气后喷产生的前冲量及后喷动能实现减小后坐和降低身管热量的目的。合理控制惯性炮闩打开后喷装置的时机可以在保证火炮威力的前提下减小后坐和降低身管温度[3]。

2 计算模型建立

膨胀波火炮发射过程的内弹道现象是相当复杂的，使得建立准确的膨胀波火炮理论计算模型是比较困难的，因此在实际工程应用中，通常提出简化的计算模型。

2.1 基本假设

膨胀波火炮计算模型的建立基于以下的基本假设：

1)药粒燃烧是在平均压力下并且都遵循燃烧速度定律。

2)用次要系数φ来考虑其他次要功。

3)弹带挤进膛线是瞬时完成的，以一定的挤进压力p0标志弹丸的启动条件；以一定的启动压力pE作为惯性炮闩的启动压力，在惯性炮闩打开后喷装置前，整个过程密闭性良好，不存在漏气现象。

4)火药气体服从诺贝尔-阿贝尔方程。

5)忽略炮身后坐对内弹道参数的影响，并且假设瞬时完成开闩过程。

6)单位质量火药燃烧所放出的能量及生成的燃气的燃烧温度均视为定值，火药力f、余容α及比热比k均视为常数。

2.2 膨胀波火炮内弹道

膨胀波火炮内弹道在膨胀波火炮的设计中非常重要,是膨胀波火炮的设计基础，因此需要建立足以满足实际设计需求的内弹道模型。基于上述基本假设，在常规火炮内弹道的基础上引入惯性炮闩的速度与行程关系、惯性炮闩运动方程、流量方程和能量平衡方程组成膨胀波火炮的内弹道方程。

惯性炮闩速度与行程关系为

(1)

式中：l1、v1分别为惯性炮闩的行程和速度；pE、lE分别为惯性炮闩的启动压力和惯性炮闩的最大行程。

惯性炮闩的运动方程为

(2)

式中：S1为惯性炮闩的截面积；φ1为摩擦损失系数；m1为惯性炮闩质量。

流量方程为

(3)

(4)

式中：η为相对流量；τ为相对温度；φ为次要功系数；k为绝热指数(θ=k-1)；m为弹丸质量。

能量平衡方程为

(5)

燃气状态方程为

(6)

(7)

式中：f为火药力；ω为装药量；ψ为相对已燃体积；S为炮膛截面积；l、v分别为弹丸的行程和速度；l0为药室缩颈长；Δ为装填密度；ρp为火药密度。

3 内弹道初始计算

笔者以某口径火炮为计算原型，膨胀波火炮惯性炮闩质量取20 kg，最大行程长取0.15 m，惯性炮闩的启动压力取150 MPa，其他具体的火炮构造诸元及装填条件见参考文献[6]，利用MATLAB软件，采用龙格-库塔法对膨胀波火炮的内弹道进行编程，计算出膨胀波火炮的膛压与时间、位移关系如图2所示。

由图2的计算结果可知，膨胀波火炮的最大膛压为390.1 MPa，炮闩打开时间为2.26 ms。

在相同的条件下，膨胀波火炮的最大膛压越小，对火炮的轻量化越有利，因此在保证火炮威力的情况下，尽可能地减小膨胀波火炮的质量，从而达到火炮大威力与高机动性的有效协调。

4 影响因素计算分析

为了确定惯性炮闩各因素对膨胀波火炮膛压的影响，在对膨胀波火炮的内弹道进行初步计算后，利用内弹道方程，使惯性炮闩的质量、惯性炮闩的最大行程长和惯性炮闩的启动压力3个影响参数中的2个参量保持不变，将第3个参量作变量，进行各项影响因素的对比分析。

4.1 不同质量影响分析

为了研究不同惯性炮闩质量对膨胀波火炮膛压的影响，将惯性炮闩的启动压力和惯性炮闩的最大行程长取定值，惯性炮闩的启动压力为150 MPa、惯性炮闩的最大行程长为0.15 m，惯性炮闩质量较大会导致炮闩打开时间过迟，不利于减小后坐，故而取惯性炮闩质量分别为10，15，20，25和30 kg。进行内弹道对比计算，得到如图3所示的惯性炮闩质量与膨胀波火炮最大膛压关系曲线，不同惯性炮闩质量下的压力曲线如图4所示。

由图3的结果可知，在惯性炮闩的启动压力和惯性炮闩的最大行程长一定时，膨胀波火炮的最大膛压随惯性炮闩质量的增大而增大。惯性炮闩质量对膨胀波火炮的最大膛压影响较大。如图4结果所示，膨胀波火炮后喷装置打开后，随着惯性炮闩的质量增加，膨胀波火炮的膛压下降速度增大。

4.2 不同最大行程长影响分析

为了研究不同最大行程长对膨胀波火炮膛压的影响，将惯性炮闩的质量和惯性炮闩的启动压力取为定值，惯性炮闩的质量取20 kg，惯性炮闩的启动压力取150 MPa，由于最大行程长选取过长会导致弹丸运动到炮口时，惯性炮闩还未完成打开动作，故而惯性炮闩的最大行程长分别取0.1，0.125，0.15，0.175和0.2 m。进行内弹道对比计算，得到如图5所示的惯性炮闩最大行程长与最大膛压关系曲线，不同最大行程长下的压力曲线如图6所示。

由图5的计算结果所示，在惯性炮闩质量和惯性炮闩启动压力一定时，膨胀波火炮的最大膛压并不随惯性炮闩的最大行程长而改变。由图6的结果可知，膨胀波火炮后喷装置打开后，随着惯性炮闩的最大行程长增加，膨胀波火炮的膛压下降速度变小。

4.3 不同惯性炮闩启动压力影响分析

为了研究不同惯性炮闩启动压力对膨胀波火炮膛压的影响，将惯性炮闩的质量和惯性炮闩最大行程长取为定值，惯性炮闩的质量取20 kg，惯性炮闩的最大行程长取0.15 m，为保证打开后喷装置时的惯性炮闩速度不过大，故而惯性炮闩的启动压力分别取110、130、150、170和190 MPa。进行内弹道对比计算，得到如图7所示的惯性炮闩启动压力与最大膛压关系曲线，不同惯性炮闩启动压力下的压力曲线，如图8所示。

由图7的结果可知，在惯性炮闩的质量和惯性炮闩的最大行程长一定时，膨胀波火炮的最大膛压随着惯性炮闩的启动压力增大而增大。增大惯性炮闩启动压力对膨胀波火炮最大膛压的提升效率不高，惯性炮闩启动压力对膨胀波火炮的最大膛压影响较小。由图8结果可知，膨胀波火炮后喷装置打开后，随着惯性炮闩的启动压力增加，膨胀波火炮的膛压下降速度基本保持不变。