基于液柱平衡体的单兵筒式武器动力学特性研究

2021-10-27郭保全栾成龙

弹箭与制导学报 2021年4期

常亚，郭保全，丁宁，黄通，栾成龙

(1 中北大学机电工程学院, 太原 030051；2 中北大学军民融合协同创新研究院,太原 030051；3 火箭军工程大学兵器发射理论与技术军队重点实验室，西安 710025)

0 引言

单兵筒式武器主要用于一定距离上攻击敌方坦克、步兵战车、军事器材和野战工事等战术任务。该武器具有轻质量、高机动性、便于携行等优点，使其迅速成为现代步兵反坦克、反装甲的骨干力量，在执行空降等特种作战任务的部队中也广泛应用[1]。21世纪以来，由于城市反恐作战、山地战和两栖战等作战环境在未来战争中的地位越来越突出，单兵筒式武器也在朝着适应新战场环境而快速发展，特别是在有限空间内的发射能力，进一步拓展了其使用环境[2]。

目前，针对单兵筒式武器“有限空间发射”作战性能，相关学者进行了深入研究，提出了以平衡抛射为主的多种低特征发射原理[3-4]。其中，液体平衡发射技术由于具有发射特征小、性价比高的特点，已经在国内外多种单兵筒式武器中得到应用。对液体平衡发射技术的相关研究，主要集中在内弹道和外流场上[5-8]。

以某型单兵筒式武器为研究对象，通过分析采用液体平衡发射技术的单兵筒式武器发射过程，分解了受力流程，建立了单兵筒式武器发射过程受力模型和仿真模型，分析了基于液柱平衡体的单兵筒式武器动力学特性，研究结果对单兵筒式武器有限空间发射技术的发展具有一定的参考价值。

1 发射过程概述

1.1 基本原理

采用液体平衡发射技术的单兵筒式武器主要由发射筒、弹丸、燃烧室、喷管和液柱平衡体等部分组成。液柱平衡体布置在药筒尾端，通过隔板与发射药燃烧室分开，其底部设置一个挡板，用以密封药筒，阻滞平衡体移动。其结构如图1所示。

图1 单兵筒式武器结构示意图

在射击过程中，火药燃气推动弹丸和液柱平衡体分别向发射筒两端移动，弹丸进入膛线部运动，液柱平衡体进入喷管部运动。因此，基于液柱平衡体的单兵筒式武器平衡发射过程按照力的传递过程分为5个阶段：火药燃气推力平衡阶段，膛线导转侧力和药筒摩擦力作用阶段，气液混合扩张产生反作用力阶段，气体扩张产生反作用力阶段以及炮口冲击力与气体扩张产生反作用力平衡阶段。

1.2 受力模型

1.2.1 开始点火到弹丸与液柱平衡体同时运动

弹丸和液柱平衡体同时受到火药燃气推力作用，弹丸开始逐渐启动，弹带挤入膛线，弹丸受到挤进阻力的作用，但由于弹带较短，挤入时间和挤入行程一般忽略不计，液柱平衡体也由于药筒底部挡板张力的阻滞而静止不动，弹丸挤进压力作用在身管上，方向沿轴线向前，挡板张力经药筒壁传递作用在喷管前端面上，方向沿轴线向后。即有：

Fj=Fz

(1)

式中:Fj为弹丸挤进阻力；Fz为挡板张力。

1.2.2 从弹丸开始运动到液柱平衡体进入喷管

弹丸在身管膛线引导下做轴线向前的旋转运动，在轴线方向上受到膛线导转侧力轴向分力和火药燃气的共同作用。而液柱平衡体推开药筒底部挡板的阻滞，在火药燃气的作用下沿轴线向后运动，与药筒内壁面相对运动，产生摩擦阻力。膛线导转侧力轴向分力反作用在身管上，方向沿轴线向前，摩擦阻力作用在药筒内壁面，经药筒壁传递到喷管前端面，方向沿轴线向后。即

ma=Fp-Fd

(2)

mpap=Fp-Fm

(3)

Fs=Fm-Fd

(4)

式中:m和mp分别为弹丸和液柱平衡体质量；a和ap分别为弹丸和液柱平衡体加速度；Fp为火药燃气作用力；Fd为导转侧力轴向分力；Fm为药筒摩擦阻力；Fs为筒式发射装置不平衡力。

1.2.3 从液柱平衡体开始进入到完全喷出

弹丸受到膛线导转侧力轴向分力和火药燃气共同作用继续向前运动，液柱平衡体受到火药燃气与药筒摩擦阻力作用向后运动，在高温燃气作用下，液柱平衡体与燃气逐渐发生掺混、冲刷和雾化，形成气液混合相向外喷出。气液混合相与药筒内壁面产生摩擦阻力的同时，部分介质作用在喷管上，形成混合相作用下的喷管推力，喷管推力轴向分力沿轴线向前。即有：

Fs=Ff-Fd-Ft

(5)

式中Ft为喷管推力轴向分力。

1.2.4 从液柱平衡体完全喷出喷管到弹丸离开身管

弹丸继续受到膛线导转侧力轴向分力和火药燃气的共同作用，由于液柱平衡体已经完全被推出喷管，液柱平衡体的摩擦阻力消失，剩下火药燃气对药筒内壁面的摩擦阻力作用。此时，膛内剩余火药燃气经喷管扩张后继续向后喷出，产生沿轴线向前的作用推力，筒式发射装置总体上受到方向沿轴线向前的导转侧力轴向分力和喷管推力轴向分力以及方向沿轴线向后的火药燃气摩擦阻力的共同作用。即

Fs=Fm1-Fd-Ft1

(6)

式中：Fm1为燃气冲刷产生的药筒摩擦阻力；Ft1为火药燃气产生的喷管推力轴向分力。

1.2.5 从弹丸离开身管到恢复射击前的状态

膛内剩余燃气从筒式发射装置两端流出，直至身管内部与大气压平衡。在炮口部，燃气喷出后膨胀产生沿轴线向后的作用力；在喷管部形成沿轴线向前的作用力。即有：

Fs=Ft1-Fq

(7)

式中Fq为炮口部燃气膨胀产生的作用力。

显然，单兵筒式武器发射过程中的不平衡力主要由身管膛线部产生的导转侧力和喷管部受到的作用合力两部分组成。

2 喷管部作用合力分析

喷管部作用合力由喷管前端面受到的药筒作用力和喷管内壁受到的喷管推力组成。为探究喷管部作用合力变化特性，以某型筒式武器为研究对象，利用Fluent软件建立喷管仿真模型如图2所示，其中，P1P2为燃气射流入口，定义为压力入口边界，P1P3和P3P4为简化喷管无厚度壁面，定义为无滑绝热壁面，P5P6P7P8为外流场入口，定义为压力远场边界，P7P8为羽流流场出口，定义为压力出口边界，P2P8为旋转轴。

图2 喷管仿真模型

2.1 喷管推力

根据拉瓦尔喷管受力特点，喷管推力主要由两部分作用力组成，即作用在收敛段的型面阻力和作用在扩张段的正推力，即有：

Ft=Ftx+Ftz

(8)

式中：Ftx为型面阻力；Ftz为扩张段正推力。

仿真得扩张段正推力和收敛段型面阻力变化如图3所示。从A点起，液体工质开始作用在喷管收敛段，型面阻力逐渐增大，从B点起液体工质进入扩张段，扩张段正推力开始增大；C点对应时刻膛内压力达到最大值，型面阻力出现峰值，液体工质开始离开喷管；D点对应时刻液体工质即将全部离开喷管，扩张段正推力达到最大值；到达E点对应时刻时，液体工质在大气中得到极大扩散，对火药燃气密闭作用减弱，火药燃气流速增大，作用在收敛段型面阻力和作用在扩张段正推力也依次产生小幅度的增加，然后随着膛内压力的下降而逐渐减小。

图3 液柱平衡体对喷管推力的影响

喷管尾端面的质量流速如图4所示。结合图3可以看出，在C点对应时刻，喷管尾端面的质量流速开始增大，并快速上升后下降，直至D点对应时刻，液体工质被全部迅速的喷出喷管；此时，喷管尾端面的质量流速仍然保持较为缓慢的下降速度，这是因为，刚喷出喷管的液体工质依然对火药燃气存在一定的密闭作用；直到一段时间后，液体工质在大气中得到充足的扩散，对火药燃气的密闭作用减弱，火药燃气流速短暂增大后随着膛内压力减小而逐渐下降。

图4 喷管尾端面质量流速变化规律

2.2 药筒作用力

药筒作用力主要是膛内流动介质与药筒内壁的摩擦阻力经药筒壁传递作用在喷管前端面上。仿真计算得药筒内壁的摩擦阻力变化如图5所示。

图5 摩擦阻力变化规律

由于液体工质在筒内移动距离较短，在尾部挡板破碎之后，经过短暂距离的平直段运行后，进入喷管收敛部。此时膛内压力仍处于上升过程中，摩擦阻力随膛压的增加而逐渐增大，直至液体工质进入喷管收敛部，摩擦阻力开始下降，并在液体工质对火药燃气密闭作用减弱，火药燃气流速增加之后，摩擦阻力再次增大，然后再随膛压的减小而逐渐减小。

喷管部作用力合力的变化规律如图6所示。由图6可知，由于液体工质在喷管收敛段和扩张段作用时间差的存在，使得喷管部作用力合力在作用前期呈现出“上下振荡”的趋势，直至液体工质对火药燃气密闭作用减弱之后，喷管部作用力合力逐渐呈平稳变化趋势。同时，由于收敛半角较大，收敛段对液体工质的阻滞作用增大，且与扩张段作用时间差较大，使得喷管部作用力合力前期振荡峰值较大，不利于射击时稳定。

图6 喷管部作用力合力变化规律

3 膛线部导转侧力分析

筒式武器均采用等齐膛线型式。即有：

(9)

式中:N为等齐膛线导转侧力;n为膛线条数;ρ为弹丸回转半径;r为弹丸半径;pd为弹底压力;S为发射筒截面面积;α为缠角。

膛线导转侧力随时间变化曲线如图7所示。由图7可知，从F点对应时刻开始，弹丸完成挤进过程，开始进入膛线部运动；到达G点对应时刻时，液体工质开始作用在喷管部，液体工质受到的阻滞作用增强，引起膛内压力发生变化，使得导转侧力出现小波动后继续随膛压的增大而增大；到H点对应时刻，膛内压力达到最大值，导转侧力也因此达到峰值，随着液体工质的逐渐喷出，膛内压力迅速下降，导转侧力也随之迅速下降；直至M点对应时刻，液体工质全部喷出喷管。