一种高速破片加载装置设计及验证*

胡 杰，陈 桦，焦育东，冯志威，马 营

(1.西安工业大学 机电工程学院，西安 710021；2.中国兵器工业试验测试研究院，华阴 714200；3.西安近代化学研究所，西安 710065)

在现代战场中，弹药自身受到敌方攻击或者由于操作不当发生意外，产生的剧烈爆燃、爆炸等安全事故不仅会造成巨大的经济损失和人员伤亡，还会削弱了自身的战斗力[1]。弹药安全性一直是世界各军事强国关注的重点，尤其对于高价值武器平台，比如载有大量弹药的海军舰船和航母，弹药安全系统失效将造成毁灭性的破坏[2]。美国国防部从1982年开始颁发《非核弹药危险性评估标准》，经过多次改版和完善，截至2011年，美国和北约相继建立了弹药不敏感性测试项目和评价标准，形成了以MIL-STD-2105D和NATO STANAG 4439为总纲，AOP-39为执行文件，以STANAG单项试验程序为具体操作说明的标准体系[3-5]。破片撞击是评估弹药安全性的一个重要试验，涵盖了弹药受到不同口径弹药以及预制破片类弹药攻击时对弹药所产生的反应机理，是评估和检验弹药敏感特性的必不可少的重要试验。目前高速破片加载系统主要有电磁炮、轻气炮、爆炸破片发生器以及火炮发射系统[6]。其中电磁炮成本高，用于破片撞击试验技术尚不够成熟；轻气炮操作复杂，机动性不强，对大当量战斗部射击时防护难度大；爆炸破片发生器难以精确控制破片的撞击速度和方向，同时产生的寄生超压会模糊和混淆试件反应；火炮发射系统以其操作简单、质量损失少、射击精度高、试验具有可重复性等优点，成为目前弹药安全性试验中破片撞击试验的主要方式。

在火药加载高速破片驱动技术方面国内外很多团队开展了大量的技术研究。文献[7]给出了北约STANAG 4496 标准中规定的标准弹丸形状和打击速度，由于传统的常规火炮发射弹丸难以达到1 800 m·s-1的速度要求，北约提出推荐采用改造的枪炮发射系统开展此类试验，但是并未给出枪炮的改造方法。文献[8]对高速破片撞击试验采用的特制枪炮、试验过程、测试方法、破片材料等进行了简单描述。文献[9]采用改装的火炮驱动破片将其速度加载到1 830 m·s-1并对MX25榴弹进行了破片撞击，但是未提及装药量和火炮结构之间的关系。文献[10-12]研究了火药燃气驱动高速破片对集装箱钢、迫击炮、车辆装甲、120 mm迫击炮等冲击造成的断裂、扩散及能量耗散特性，但是未给出枪炮系统的药室、身管长径比等影响破片速度的具体设计理论。文献[13]研究了12.7 mm标准弹道枪发射直径9.4 mm的钨球以及Φ9 mm×9.5 mm的六棱钨柱，并对其侵彻三种不同结构Q235钢板的侵彻性能进行了分析，其发射弹丸质量最大12 g，速度最高仅达到831 m·s-1。文献[14]研究了14.5 mm弹道炮加载活性破片打击重点毁伤目标的威力试验，仅实现了将10g破片驱动到960 m·s-1。文献[15-17]介绍了一种破片加载装置，采用次口径发射原理，将小于50g的弹体加速到1 500～2 000 m·s-1的破片加载装置，但是并未详细给出破片运动的内弹道模型、火药具体参数以及模拟破片弹结构。文献[18]研究了大药室、小口径火炮发射高速破片的可行性，进行了1 300 m·s-1的低速试验验证，给出了2 000～2 400 m·s-1的内弹道理论分析，并未进行充分的试验验证。文献[19-20]设计了一种炮管长4 m的火炮，能将钢制破片加载到1 840 m·s-1，但对火药具体参数以及弹托的分离方式未给出相应的描述。

为了满足STANAG 4439标准中发射18.6 g标准破片达到1 830 m·s-1±60 m·s-1的发射速度，本研究通过对高速破片加载装置建立破片运动方程，通过内弹道参数仿真计算分析，创新设计了一种大药室、小口径、大长径比的高速破片加载装置和卡瓣气动分离的模拟破片弹，并通过试验验证实现了18.6 g标准破片速度达到1 830 m·s-1±60 m·s-1的发射速度要求，该加载装置能满足目前国内开展弹药安全性破片撞击的相关试验需要。

1 破片运动过程内弹道模型建立

1.1 破片内弹道运动分析

根据经典内弹道理论，建立超高速破片加载装置的内弹道数理模型过程中，主要影响因素：① 采用集总参数法和空间平均的热力学参数来描述火药的燃烧和弹丸的运动过程[18]；② 火药燃烧满足几何燃烧定律假设，并设定是在平均压力条件下燃烧；③ 火药燃气状态方程服从诺贝尔(Noble)-阿贝尔(Abel)状态方程，火药的线性燃烧速度是指火药颗粒表面法线方向的燃速；④ 火药燃烧生成物的组份保持不变，与火药成份有关的物理量，如火药力、比热比、余容等均为常数；⑤ 弹丸(弹托)的运动阻力用虚拟质量系数来考虑；⑥ 热散失、火药气体运动功和弹丸(包括弹托)运动摩擦功等各种形式的次要功用次要功计算系数来修正；⑦ 点火药包(前部和底部)内装点火药瞬间燃完，形成火药装药的点火压力，火药瞬间同时被点燃；⑧ 在膛内压力达到弹丸起动压力后，弹丸(弹托)瞬间解除约束并开始运动；且弹丸(弹托)的运动为轴向一维运动。

根据以上因素将弹丸的弹道运动过程划分为三个时期：① 弹丸内弹道运动从火药燃烧开始到破片(弹托)开始运动瞬间结束,由于弹丸没有运动，因此可以认为是定容燃烧过程。点燃火药，火药燃烧，装药室内燃气压力上升，当压力达到弹丸起动压力时，弹丸解除约束开始运动。② 从弹丸开始运动到火药装药燃烧结束,包括火药燃烧、燃气流动、弹丸的运动等各种现象，同时将出现火药燃烧分裂点、燃烧结束点以及最大压力点。③ 从火药结束燃烧开始到弹丸出发射系统瞬间结束,主要是火药燃气绝热膨胀做功过程。

1.2 内弹道方程组建立

依据破片内弹道运动分析的三个时期，联立火药燃气状态方程、火药燃烧规律与燃烧方程、膛内射击过程中的能量守恒方程、弹丸运动方程、内弹道基本方程和弹丸速度与行程关系式，建立多孔火药内弹道方程组[21]：① 火药燃烧遵循几何燃速定律；② 药体均在平均压力下燃烧，且燃烧遵循指数燃烧定律；③ 采用次要功系数来考虑其它的次要功；④ 弹丸挤进膛线是瞬时完成的，以一定的挤进压力标志作为弹丸的启动条件；⑤ 火药燃气服从诺贝尔-阿贝尔状态方程。

根据以上可得七孔标准火药内弹道方程为

式中：ψ为火药已然相对质量(或体积)百分比；Z为火药燃去的相对厚度；ZK火药燃烧结束时，火药已燃的相对厚度；χ、λ、μ、χs、λs为火药的形状特征量；e为发射药已燃厚度；e1为1/2发射药起始厚度；u1为发射药的燃速系数;p为炮膛内弹底压力;n为燃速指数；v为弹丸速度;l为弹丸行程，t为弹丸运动时间;S为炮膛横截面面积;φd为弹丸的虚拟质量系数，m为弹丸质量；lψ为药室的自由容积缩径长；f为火药力；K为比热比；φ为次要功计算系数；ω为发射药装药质量；l0为药室容积缩径长；ρp为发射药固体颗粒的密度；V0为药室容积；α为火药气体余容。

2 加载装置设计仿真

2.1 加载装置指标

发射系统应满足STANAG 4439标准中直径不小于14 mm、质量不小于18.6 g的标准破片发射初速要达到1 830 m·s-1±60 m·s-1的要求。

2.2 加载能力仿真计算

根据高速破片发射系统参数内弹道模型利用Matlab编程对破片加载能力进行仿真计算，其中火药力1 048.8 kJ·kg-1，火药密度1 600 kg·m-3，结果见表1。从表1可以看出，通过采用大药室、长身管、延长做功时间、次口径加载技术，在膛压不超过360 MPa时，当装药量为160～170 g，破片的初速可达到1 800 m·s-1量级。图1～图4为弹丸质量m=60 g(破片质量为18.6 g)，装药量ω=160 g时内弹道仿真曲线图。

图1 膛压时间曲线(ω=160 g，m=60 g)Fig.1 p -t curve(ω=160 g，m=60 g)

图2 速度时间曲线(ω=160 g，m=60 g)Fig.2 v -t curve(ω=160 g，m=60 g)

图3 膛压行程曲线(ω=160 g，m=60 g) Fig.3 p -l curve(ω=160 g，m=60 g)

图4 速度行程曲线(ω=160 g，m=60 g)Fig.4 v -l curve(ω=160 g，m=60 g)

2.3 超高速破片加载装置参数

根据表1仿真结果，确定超高速破片加载装置的最终设计指标为：25 mm口径、30 mm火炮药室140 cm3，身管长4 m。具体加载装置的设计参数见表2。

表1 内弹道计算仿真结果

表2 超高速破片加载装置参数

2.4 模拟破片弹设计

模拟破片弹的结构主要包括弹托和破片两部分组成，其中弹托主要包括底托、3个铝制卡瓣以及垫片；破片为有效载荷。战斗部的破片主要有圆柱体、球体、六棱柱体、正方体、长方体等形状[22]，文中试验验证采用的圆柱体破片。整个模拟破片弹破片与弹托采用气动分离方式分离，以防止卡瓣和弹托跟随破片打击到目标上。

破片被约束在卡瓣中间位置，3个卡瓣中部采用棉绳捆绑方式进行固定，卡瓣与底托采用螺纹连接，破片与底托之间利用垫片进行隔离，以防止底托在膛内破碎对破片飞行产生影响。模拟弹的结构设计及实物如图5所示。其中3个卡瓣和底托与破片采用气动差异的方式进行分离；底托底部的大尺寸外缘主要用于膛内闭气(相当于弹带作用)；底托底部开槽主要用于模拟弹进膛瞬间大尺寸外缘的应力释放，避免底托破碎。

图5 模拟破片设计图、底托、破片弹实物

3 试验验证及分析

为了考核设计的破片加载装置发射高速破片的能力，开展了破片速度测试试验对其进行试验验证。利用25 mm口径、30 mm药室的超高速破片加载装置发射破片，采用通断靶区截装置和高速录像测量破片速度。试验共进行了5发，现场布设试验场景如图6所示，试验结果见表3和图7。

图7 装药量与破片初速关系

从表3试验验证数据可以看出，采用25 mm口径、30 mm药室的超高速破片加载装置发射60 g破片弹，质量为18.6 g标准破片最高速度大于1 800 m·s-1，可以满足STANAG 4439标准中对破片达到1 830 m·s-1±60 m·s-1的发射速度的要求。

表3 试验验证结果

采用超高速破片加载装置发射破片，相对于常规火炮提升了发射破片的速度，相对于常规的30 mm火炮将标准破片加载到1 306 m·s-1[1]，速度提升达40%。当破片发射速度大于1 800 m·s-1时，实际测试初速与仿真计算初速的最大误差为4.55%。文中采用的相对装药量ω/m为2.67，造成误差的一个原因是在相对装药量ω/m大于1的情况下，点火与传火过程、气相和颗粒群流场的描述以及膛内压力波等一系列现象无法用传统的内弹道学准确描述。

4 结 论

文中研究设计了一种次超高速破片加载装置，并通过试验对其发射性能进行了验证。该装置能将18.6 g标准破片加速到满足美国STANAG 4439标准中对发射速度达到1 830 m·s-1±60 m·s-1的要求。当破片发射速度大于1 800 m·s-1时，实际测试初速与仿真计算初速的最大误差为4.55%，验证了内弹道模型的正确性；该加载装置能满足现阶段国内开展弹药安全性破片撞击的相关试验需要。