平衡炮内弹道不平衡冲量技术研究
2019-03-14章勇，杨臻，吴臣
章 勇，杨 臻，吴 臣
（1.中北大学机电工程学院，太原 030051；2.湖南国防工业职业技术学院，湖南 湘潭 411207）
0 引言
一般无后坐力武器发射平台，任何一个不平衡的冲量，都会在一段时间后导致系统姿态发生很大的变化，虽然通过平台自身的修正系统可以进行一定量的调整，但调整次数和调整量有限，因此，最理想的条件是在发射过程中系统冲量完全平衡。实际情况下，由于挤进过程的存在，戴维斯原理的发射方式在发射过程中存在不平衡的冲量，该冲量不仅对系统姿态产生影响，也会对弹丸的精度产生一定的误差［1-3］，因此，平衡炮在发射过程中的不平衡冲量研究对平衡炮的发展有至关重要的作用。
文献［4］分别用工程法和挤进时期内弹道法计算弹丸挤进压力，并分析其对内弹道性能的影响。文献［5］基于相似系统理论，通过实验确定了挤进阻力项，得到膛压变化对挤进阻力的影响规律，建立了能较好地模拟挤进过程的数学物理模型。文献［6］利用有限元分析软件分析了挤进前后弹头壳和铅芯的变形特征，以及挤进结束后弹丸的残余应力。文献［7-9］利用相关原理和软件对挤进过程进行了数值仿真，得到了坡膛结构对挤进过程相关参数的影响。
1 内弹道不平衡冲量分析流程
对无后坐力武器系统发射过程中的不平衡冲量的研究，有以下3点。
1）利用UG建立计算所需的实体模型，装配好弹丸与平衡体；
2）利用有限元软件分析得出阻力曲线数据，并拓展为整个内弹道行程的阻力曲线，代入Matlab软件编写的内弹道程序，计算出弹丸与平衡体的运动曲线；
3）将模型导入有限元软件，由Matlab算得的运动曲线作为弹丸与平衡体的位移载荷，分析内弹道过程中弹丸与平衡体对武器的作用力，进而分析内弹道全过程中的不平衡冲量。
研究了内弹道过程中，弹托弹塑性变形对武器作用力的冲量值、冲量修正方式，以及在不同修正方式下对内弹道参数的影响。
2 带阻力影响的内弹道参数特性
2.1 内弹道过程阻力
根据弹托结构参数对挤进特性影响的相关研究和某平衡炮的基本设计参数，为方便研究内弹道的冲量特性，取某一特定结构的弹丸和平衡体弹托作为研究对象，对系统的不平衡冲量进行求解与修正，弹丸与平衡体弹托结构示意图如图1所示。
图1 弹丸与平衡体弹托结构示意图
利用Ansys软件计算出挤进过程阻力曲线，如图2所示。
图 2 D1=Ø14.90，h=3，x=2，f=0.05 条件下的阻力曲线
根据弹托挤进过程的塑性分析得出的阻力曲线数据，认为挤进后阻力值为稳定值，进而拓展为整个内弹道行程的阻力曲线。
2.2 带挤进阻力状态的压力曲线与经典内弹道曲线进行对比
经典内弹道认为弹丸运动是在启动压力下进行的，在火药压力达到启动压力前弹丸不运动，启动压力后弹丸运动不再承受挤进阻力影响。而在武器实际内弹道过程中，弹丸承受的阻力是变化的。
研究挤进过程对膛压曲线的影响，把内弹道中弹丸弹塑性变形的阻力数据代入经典内弹道方程进行求解，得出有挤进阻力的膛压曲线。把程序中的启动压力P0变为30 Mpa，阻力变量FBP1、FBP2均为0值，变成经典内弹道程序计算出内弹道曲线。进行膛压曲线对比，如图3所示。
图3 带挤进阻力内弹道曲线与无挤阻力内弹道曲线对比
由压力曲线对比图，可以看出由于从点火到完成挤进，弹丸已经存在运动，由于位移量很小可以忽略对药室容积的影响，由于弹丸挤进后仍存在摩擦阻力的影响，带挤进阻力的压力曲线值比经典内弹道的膛压曲线压力值略大。
3 内弹道过程不平衡冲量分析
利用UG建立整体的武器弹道结构模型，再装配上弹丸与平衡体，对模型施加由带有拓展的内弹道过程阻力值数据的内弹道程序求解出的弹丸与平衡体内弹道位移结果，作为有限元分析的位移载荷，如下页图4所示。把模型导入有限元软件内进行网格划分，如图5、图6所示。
3.1 方案全弹道有限元模型结构
分析模型导入Ansys软件中进行前处理：对身管外圆面施加固定约束、弹丸与平衡体施加位移载荷。弹丸与平衡体的弹托材料采用Copper Alloy NL材质，身管采用30GrMnMoTiA材料，弹丸与平衡体采用钨合金材料，材料参数如表1中所示。弹丸弹托与平衡体弹托柔性化体模型施加摩擦接触摩擦系数为0.05。
图4 弹丸与平衡体的运动行程曲线
图5 有限元1/2全弹道模型
图6 不平衡弹道模型弹膛区网格
表1 模型材料参数
3.2 有限元模型结果分析
根据仿真结果，分别绘制出弹丸弹托、平衡体弹托挤进开始与两者出膛时刻的应力状态云图如图7、图8所示。
得出弹丸与平衡体位移载荷的Force reaction曲线，平衡体在内弹道过程中承受的阻力曲线，如图9和图10所示。
弹丸与平衡体在内弹道运动过程中对身管作用冲量曲线和系统不平衡冲量曲线如下页图11所示。
图7 内弹道开始时刻平衡系统状态
图8 内弹道结束时刻平衡系统状态
图9 内弹道过程平衡块阻力F-l图
图10 内弹道过程平衡块阻力F-t图
图11 内弹道过程作用力冲量图
从图11中可看出在内弹道过程中，当两个弹带参数均为 D1=Ø14.90 mm，h=3 mm，x=2 mm 时，弹丸对武器的阻力作用冲量值为+5.56 N.s，平衡体对武器的阻力作用冲量值为-5.32 N.s，武器收到的不平衡冲量为+0.24 N.s。
由以上结果分析得出，可以从结构上来修正不平衡冲量，调整的方式有以下两种：
1）适当调整弹丸与平衡体行程比值。通过适当增长或缩短身管或平衡体发射管长度实现，使得弹丸阻力与平衡体阻力作用时间发生变化从而修正不平衡量；
2）调整弹丸与平衡体质量比。通过调整平衡体质量进而改变平衡体在内弹道中的作用时间。
4 不平衡冲量修正方式
4.1 调整平衡体质量
身管长度与平衡体行程长度不变条件下，通过调整平衡体质量，延长和缩短平衡体的膛内运动时间，进而实现对弹丸阻力作用冲量的弥补。
根据原结构分析结果，可通过调整平衡体质量为224.40g进行修正。调整后的阻力曲线与合力曲线如图12所示，调整后的不平衡冲量曲线如图13所示。
图12 平衡体质量调整后阻力曲线与不平衡力曲线
图13 平衡体质量调整后不平衡冲量曲线图
由图13可知，调整后的内弹道结束时刻，由弹丸弹带与平衡块弹带共同作用于武器上的不平衡冲量为-0.000 795 N.s。
为了直观地观察只调整平衡体质量对系统不平衡冲量的影响，拟定平衡体质量从149.60 g至280.50 g等间距变化，分析得出平衡体质量对不平衡冲量值的影响如图14所示。
图14 平衡体质量调整对不平衡冲量影响
4.2 调整弹丸行程
挤进后阻力值约为2 250 N，结合弹道程序计算的弹丸v-l曲线图，弹丸膛内行程长度由1 096 mm缩短至958.60 mm进行分析。调整后的武器内弹道过程中的作用力如图15所示。
图15 内弹道过程作用力合力F-t图
由于减小弹丸行程缩短了弹丸阻力作用时间，进而修正内弹道阻力不平衡冲量的影响，调整后的冲量如图16所示。
图16 身管调整后的不平衡动量曲线
由图16可知，调整后的内弹道结束时刻，由弹丸弹带与平衡块弹带共同作用于武器上的不平衡冲量为-0.000 304 N.s。
4.3 调整平衡体行程
增加平衡体行程可以补偿一定的不平衡冲量，平衡体膛内行程长度由127 mm增加至145 mm，增加平衡体阻力作用时间，进而修正因弹带挤进过程不同步的影响，调整后的内弹道作用力如图17所示，调整后的不平衡冲量曲线如图18所示。
图17 内弹道过程作用力合力F-t图
图18 平衡体行程调整后的不平衡动量曲线
由图18可知，内弹道结束时刻，由弹丸弹带与平衡块弹带共同作用于武器上的不平衡冲量为0.001 739 N.s。
为了直观地观察只调整平衡体行程对系统不平衡冲量的影响，设定平衡体行程调整量由0～18 mm变化，分析得出平衡体质量对不平衡冲量值的影响，如图19所示。
图19 平衡体行程调整对不平衡冲量的影响
5 相关弹道试验
某型平衡炮关于不平衡冲量的弹道射击试验，对无冲击平衡发射性能研究重点为验证发射过程的平衡性能和弹道稳定性，选取弹丸速度、最大膛压、枪管不平衡位移量这3个指标进行测量和分析。
对弹丸速度的测量采用电磁测时仪法，分别在离开前枪口5 m处和25 m处使用两个测速靶（铜丝靶或光幕靶）作为区截装置。对膛压的测量采用压电测压法，分别在长、短身管膛壁安装压电式测压器，测量前、后身管膛底压力变化规律。对枪管不平衡位移量采用直接测量法，将平衡弹道枪置于光滑的固定试验台架上，保证弹道枪在受到微小力时可沿试验台架光杆自由滑动，并在枪管和试验台架上做刻线记号，每次射击后用游标卡尺测量位移量。
图20为某平衡炮试验样机的结构外形实物图。
图20 某平衡炮的结构外形实物图
进行如下枪弹射击试验，第1组为标准组，第2组调整了平衡体质量，第3组调整了弹丸行程，第4组调整了平衡体行程。
每组取合适的装药量射击3发，并记录结果。射击试验结果部分数据及结果见下页表2所示。
总体来说，在适当的范围内作出这3种调整后，枪管的位移量都有所减小，且弹道稳定性较好，即一定程度上起到了抑制不平衡冲量的作用。
表2 平衡弹道射击试验结果
几组试验中，第3组第2次试验的枪管位移量最小，仅有0.30 mm，基本达到了平衡状态。最佳试验组实测P-t曲线如图21所示。
图21 最佳射击试验组实测P-t曲线
6 结论
平衡炮不平衡冲量的研究对平衡炮的设计具有重要的现实意义。本文基于某型平衡炮的弹道试验，对其进行建模仿真、有限元分析和计算，分析挤进阻力带来的不平衡冲量对系统的影响，再根据不平衡量结果进行弹丸、平衡体行程和平衡体质量的修正，在不影响平衡炮弹道性能的前提下，得出不平衡量基本趋于零的弹托结构参数，相关结论为平衡炮的相关设计和工程修正提供了一定的参考。
