电磁轨道发射装置反后坐技术研究

古 刚,宋海通,马新科

(1.海军工程大学 舰船综合电力技术国防科技重点实验室,湖北 武汉 430033;2.中国船舶重工集团公司 第七一三研究所,河南 郑州 450015)

电磁轨道发射装置作为一种新概念武器,具有射程远、弹丸初速高的特点[1-2],其发射机理与传统火炮具有本质差别,发射过程中,发射装置处在强电磁场环境下,弹丸受到向前的洛伦兹力,同时轨道受到反方向的作用力,轨道受到的作用力提供了后坐主动力[3～6]。关于电磁轨道发射装置后坐力,文献[7,8]在试验中验证了电磁轨道发射装置存在后坐力;文献[9,10]对电磁轨道发射装置发射固体电枢时的后坐力进行了研究,认为后坐力不仅存在于发射系统尾部,还可能存在于电缆、汇流排甚至电源中;文献[11]在试验中对电枢推力和导轨后坐力进行了测量,认为后坐力是在导轨以外产生的;石江波等[12]对电磁轨道发射装置后坐过程进行了研究,并提出了一种固定炮架电磁轨道发射装置后坐过程的求解方法。

随着电磁轨道发射装置的发射能级越来越高,炮架所承受的冲击力随之增大。为改善炮架受力,电磁轨道发射装置引入反后坐技术成为必要,方法是在发射装置的后坐部分与炮架之间增加反后坐装置,使炮架成为弹性炮架。传统火炮的反后坐装置能够使炮架受到的后坐力降低到炮膛合力最大值的十几分之一到几十分之一[13],相对于传统火炮,电磁轨道发射装置具有其自身不同的特点[14],因此需要对其反后坐技术进行针对性的研究。本文基于某电磁轨道发射装置模型开展反后坐技术研究,设计了两种不同类型反后坐装置,并对后坐运动进行仿真,进而研究不同反后坐装置对后坐过程的影响。

1 发射装置模型建立

1.1 发射装置简化模型

发射装置简化模型如图1所示,主要由炮架、馈电装置、带导轨的身管和反后坐装置组成,其中馈电装置和身管组成后坐部分,后坐部分与炮架之间设置有反后坐装置,射击时,反后坐装置为后坐部分提供制动力和复进力,使后坐部分沿炮架滑道做后坐复进运动。

1.2 后坐过程受力分析

为简化受力模型,假定后坐部分为刚体,各零部件为刚性连接,且所有的力均作用在射面内。取后坐部分为研究对象,对发射时的后坐部分受力情况进行分析,受力关系如图2所示。

图2中:Fp表示后坐主动力,mh表示后坐部分质量,mhg表示后坐部分重力,FN表示摇架滑道对后坐部分的法向反力,FT表示后坐部分与摇架间的摩擦力,Fr+Ff表示反后坐装置阻力和紧塞件摩擦力,反后坐装置阻力Fr包含项与反后坐装置组成有关。

在假设条件下,后坐部分的受力成为了平面力系,以身管轴线为x轴,轨道发射装置模型的后坐运动微分方程为

(1)

结合边界条件:t=0时,v=0,x=0,对式(1)进行积分得到后坐速度v和后坐位移x的微分方程

(2)

Fr+Ff)dt]

(3)

Marshall等认为后坐主动力作用于馈电导体上,与作用于电枢上的推力大小相等[15],而电枢推力与输入导电轨道的电流I和电感梯度L′有关,电流I为脉冲电流[16]。根据轨道发射装置作用力定律可得到电枢推力为

(4)

式中:电流I是动态变化的,电感梯度L′是固定的,给出电流I变化曲线和电感梯度值L′,即可得出后坐主动力[8]。本文中,后坐主动力和电流随时间变化规律如图3所示。

2 反后坐装置设计

2.1 两种反后坐装置布局方案

结合图1所示的某轨道发射装置发射系统简化模型,按照不同布置方式,设计了两种反后坐装置方案,分别如图4(a)和(b)所示。图4(a)所示的反后坐装置方案1包括一套复进机和一套驻退机,分别布置在身管的上下两侧,位于后坐部分和炮架之间;图4(b)所示的反后坐装置方案2由2套复进机和2套驻退机组成,所使用的复进机和驻退机结构尺寸与方案1完全相同,两套复进机和两套驻退机分别对称布置在身管的左右两侧和上下两侧。

2.2 反后坐装置结构方案

2.2.1 复进机结构方案

两种反后坐装置方案所使用的复进机为液体气压式结构方案,结构原理示意图如图5所示,复进杆和后坐部分固连,复进筒和炮架固连,后坐运动时,活塞压缩储气腔内气体储能,储气腔内气体压力可调。复进机的关键结构参数是活塞工作面积和储气腔初容积,其中活塞工作面积为0.036 m2,储气腔初容积为0.026 m3。

2.2.2 驻退机结构方案

两种反后坐装置方案所使用的驻退机为带针式复进节制器的节制杆式驻退机,结构原理示意图如图6所示,驻退杆与后坐部分固连,驻退筒与炮架固连,后坐运动时,驻退液流过驻退杆与节制杆间的环形间隙,产生液压阻尼力。

3 反后坐性能分析

以下通过后坐规律仿真计算,对两种反后坐装置布局方案的反后坐性能进行对比分析。

3.1 仿真输入条件设定

3.1.1 发射工况设定

以下对发射工况进行设定,如表1所示。

表1 发射工况

3.1.2 复进机初压设定

在相同的发射工况下,对式(1)进行求解,以得出某轨道发射装置在分别使用上述两种反后坐装置方案时的后坐规律。计算过程中,本文针对不同方案设置了不同的初压,如表2所示。

表2 复进机初压

3.2 仿真计算结果及分析

3.2.1 仿真计算结果

后坐位移曲线如图7所示，后坐速度曲线如图8所示，复进机气压变化曲线如图9所示，后坐力曲线如图10所示。仿真计算结果如表3所示。

表3 仿真计算结果

3.2.2 仿真结果分析

综合仿真计算结果,在3种射角条件下:

(1)对于后坐位移变化规律,从图7可以看出,使用反后坐装置方案1和方案2的轨道发射装置,在复进机储气腔初压保持不变的情况下,最大后坐位移均随着射角的增大而增大,但都未超过200 mm,远小于传统大口径火炮,这是因为轨道发射装置通常具有较大的后坐部分质量,从而导致其最大后坐位移较小;

(2)对于后坐速度变化规律,从图8可以看出,采用两种反后坐装置方案的轨道发射装置,在复进过程中,后坐部分都是先加速后减速,并且复进末速均较低,即复进终了时的动能较小,从而能够避免炮架受到冲击,说明两种方案中的驻退机均起到了一定的制退作用;

(3)对于复进机气压变化规律,从图9可以看出,相同的后坐部分质量,为保证发射系统能够复进到位,复进机数量越少,则单个复进机初压设置越高,因此方案1中的初压设置较高,随着后坐位移的增大,气压逐渐增大,因此方案1的气压值在整个后坐过程中,均高于方案2的气压值;

(4)对于后坐力变化规律,从图10和表3中数据可以看出,3种射角工况下,采用反后坐装置方案2的发射装置,后坐过程中的最大后坐力均小于采用反后坐装置方案1时的最大后坐力。

3.3 反后坐性能分析

通过仿真计算结果及分析,以下对比分析两种反后坐装置方案的反后坐性能:

(1)从后坐位移和后坐速度变化规律方面分析,两方案性能相当,均能起到一定制退和复进作用;

(2)从复进机气压变化规律方面分析,反后坐装置方案1的气压值,在整个后坐过程中,均高于方案2气压值,而复进机的密封可靠性与气压大小相关,气压值越大,则越不利于密封性能。可以判断:在复进机密封可靠性方面,反后坐装置方案2优于方案1;

(3)从后坐力变化规律方面分析,采用反后坐装置方案2时的最大后坐力小于采用方案1时的最大后坐力,可以判断:在缓冲性能方面,反后坐装置方案2优于方案1;

(4)从两种反后坐装置结构布局方面分析,由于复进机和驻退机在后坐过程中产生的力变化并不是同步的,因此反后坐装置方案1布置方式,使得后坐部分受力不对称,从而不利于发射装置结构稳定性,而反后坐装置方案2布置方式则能够避免受力不对称问题,使后坐部分受力更均匀。可以判断从反后坐装置结构布局方式方面,反后坐装置方案2优于方案1。

综上所述,可以得出结论:反后坐装置方案2的反后坐性能优于反后坐装置方案1。

4 试验

发射装置采用前述反后坐装置方案2,在0°射角工况下进行发射试验,其他发射工况如表1中所示。试验过程中,对后坐复进过程中的位移和加速度进行了测试,通过对加速度曲线积分得出速度曲线,并将测试结果与仿真结果进行对比,如图11所示。

0°射角工况下,后坐规律仿真结果和试验结果如表4所示。

表4 仿真结果和试验结果对比表

从图11和表4可以看出,位移、速度的仿真曲线与试验曲线的变化趋势相同,最大后坐位移、最大后坐速度的仿真值与试验值接近,由此可以初步得出结论:(1)验证仿真计算模型有效;(2)方案2反后坐装置对于0°射角工况能够满足设计要求。

对于其他射角工况需要进一步的试验验证。

5 结论

本文结合某电磁轨道发射装置发射系统,开展了其反后坐技术研究,对后坐部分进行了受力分析,对3种射角工况下发射装置分别采用两种反后坐装置方案时的后坐规律进行了仿真计算和对比分析,并通过试验验证了仿真模型有效。得出如下结论:

(1)对于具有大后坐部分质量和宽射角范围的电磁轨道发射装置,反后坐装置方案2中的2套复进机能够有效降低后坐过程中的气压值,提高复进机密封可靠性;

(2)反后坐装置方案2能使发射系统在后坐过程中的最大后坐力更小,具有更好的缓冲性能;

(3)反后坐装置方案2中的2套复进机和2套驻退机分别对称布置在身管的上下和左右两侧的布局方案,能够使后坐部分避免受力不对称问题,有效改善后坐部分受力。