典型弹药装药保温平衡时间特性实验研究

程玉川,董昌灏,余永刚,张 雷,管廷伟

(1.中国人民解放军63850部队,吉林 白城 137001;2.南京理工大学 能源与动力工程学院,江苏 南京 210094)

发射药温度会直接影响装药的燃烧速度,进而影响膛压和初速的变化[1-2]。国军标对弹药保温平衡时间的要求为:57 mm口径以下恒温时间不少于24 h,57～100 mm口径恒温时间不少于36 h,100～155 mm口径恒温时间不少于48 h[3]。同国外标准相比,国军标规定的保温平衡时间较长,制约着靶场弹药性能鉴定试验的效率。

姜波等[4]针对130 mm火炮建立发射装药三维模型,对发射装药内部温度变化规律进行数值模拟,得到弹药及其相关部件保低温时的保温平衡时间。姜波等[5]通过对仿真过程分析,找出影响弹药温度场仿真结果的几个因素。黄凤良等[6]开展了大口径发射装药多层壁面包装的多孔介质温度场测定与数值计算。薛青等[7]对某型发射装药开展保温时间仿真研究。齐杏林等[8]针对6种口径的弹药进行弹药保温试验,得到了一些有意义的研究结果。陆欣等[9]采用多孔介质传热理论,建立了火炮装药传热模型。宋艾平[10]等基于BP神经网络的弹药传热模型,以某两型榴弹的传热规律进行了仿真计算。综上所述,文献仅针对有限的几种弹药开展了保温平衡时间研究,覆盖面不广,代表性不够。

基于此,本文针对不同口径的12种现役典型弹药的发射装药进行实验室测试,模拟靶场试验真实保温过程,获取整个保温过程中发射装药内部的温度变化数据,得到弹药保温温度变化曲线,研究结果可为后续相关标准修订等工作提供重要参考。

1 实验设备与测试方案

国军标对试件不工作时保温平衡时间的规定为:当试件中具有最大温度滞后效应的功能部件温度达到试验温度时,则认为试件达到了不工作时的温度稳定[11]。为了准确获取弹药的保温平衡时间,首先需找出弹药在温度试验过程中最后一个达到温度稳定的位置,即“弹药热学中心”。弹药热学中心点温度稳定即可视为弹药温度稳定,也即所说的“保透”。

以圆柱形药柱为例,其弹药热学中心如图1所示。当发射药温度与环境温度出现温差时,从药柱表面(端面和侧面)同时向药柱中心处发生热传导现象。根据热传导的“傅里叶定律”可知,传热速率与该方向的温度梯度成正比。由此可得,对于端面传热来说,到端面的距离大于圆柱半径(x>r)的位置是达到稳定温度较晚的位置;对于侧面传热来说,由于圆柱形药柱是轴对称的,因此最后达到温度稳定的位置是中心轴线。

综上所示,圆柱型药柱的弹药热学中心位于图1所示的o′-o″线段上。考虑到实际药柱并不是标准的圆柱形,因此定义“弹药热学中心”为o′-o″线段上对应的发射装药直径最大的位置。对于具有中心传火管或者中空可燃纸筒结构的发射药,其弹药热学中心在火药与传火管的交界面处。

图1 弹药热学中心示意图Fig.1 Schematic diagram of ammunition thermal center

本文通过在发射装药内部预置微型温度传感器的方法进行药温测量。

1.1 弹药改装

选取30～155 mm共计11种口径的12种现役典型弹药的发射装药进行改装。对药粒或药束直径大于5 mm的发射装药进行钻孔,钻孔深度大于6 mm,将传感器探头插入孔内并置于发射装药的热学中心点、横向1/2、3/4处或拟测试温度的特征点位;对于药粒直径小于5 mm的小口径弹药,在药筒两侧壁钻孔,将传感器探头用绝热细线固定,置于药筒热学中心或装药肉厚1/2处;传感器引线从底火孔引出,并对所有钻孔进行绝热密封处理,防止不合理传热。

1.2 药温测试系统构建

图2 温度测试系统结构图Fig.2 Structure diagram of temperature testing system

图3 数据采集设备照片Fig.3 Photos of data acquisition equipment

温度传感器选用4线RTD Pt100铂电阻测量温度,其测温范围可达-200 ℃～630 ℃,测量精度可达±0.1 ℃(A级),稳定度好,重要的是其探头尺寸小,约3 mm×5 mm。图4是“小探头”4线RTD Pt100温度传感器。

图4 4线制RTD Pt100温度传感器Fig.4 Four-wire RTD Pt100 temperature sensor

1.3 实验室测试过程

实验室测试包括以下4个升、降温测试过程:

①20～-40 ℃低温测试;

②20～-55 ℃低贮测试;

③15～50 ℃高温测试;

④15～70 ℃高贮测试。

1.4 数据采集

采用温度测试系统对上述4个过程分别进行测试,初始温度稳定后开始采样,测试采样间隔设为1 min,采集时间持续到所有测试点温度与周围温场温度达到平衡(与目标温度偏差小于0.5 ℃)并保持稳定1 h以上停止采集,并保存数据。

2 数据处理与分析

2.1 保温平衡时间计算

由于环境试验设备内部温度场均匀度和噪声的影响,本文设计了一种弹药保温平衡时间计算方法:首先将原始数据进行滤波处理,然后计算试件温度与试验目标温度达到规定温度允差的稳定时间。具体计算步骤如下所述:

① 对采集的弹药热学中心温度θc进行滑动平均滤波处理,其表达式为

(1)

式中:N为滑动窗口的宽度,t为时间变量。

② 计算yc温度与试验目标温度θE偏差小于等于允差(本文规定允差为±0.5 ℃)时所用的时间t0,其表达式为

|yc(t)-θE|≤δ

(2)

t0=min(t)t∈[0,L]

(3)

式中:L为温度采集时长,单位为min,δ为允差。

③ 对同一种弹药的多个样本,取t0中最大值为该类弹药的保温平衡时间。

2.2 误差分析与控制措施

测试系统采集的数据不可避免地会引入误差,本实验中的误差来源主要分为三类:试验条件误差、测量精度误差和数据处理误差。

首先,试验条件误差主要受环境模拟试验设备温度场均匀度、波动度、风速、升降温速率、弹药内传感器放置位置偏差等多种因素的综合影响;本次实验通过预先调整试验箱技术状态、精准布设传感器位置等措施有效地减小了试验条件误差。

其次,测量精度误差主要由测试设备和传感器的精度决定;本次测温实验采用的是先进的Keithley 2750数据采集系统,采用GPIB总线提高了采集速度,确保了各传感器采样时间的同步性,并对测量数据进行了滤波处理,从而最大程度地减小了测量精度带来的误差。

最后,数据处理误差主要是指通过测得的温度随时间变化的数据来确定保温平衡时间时造成的误差;根据设定的允差(δ=±0.5 ℃),分别对12种不同发射药在4种升/降温实验工况下的保温平衡时间选取进行了误差分析,得到的误差范围均在5%以内。

2.3 温度稳定时间分析

将测试数据生成了一系列温度随时间变化的曲线图,从测试数据比对分析可得出:

①弹药的保温平衡时间与弹药装药的径向厚度、装药类型、装药密度以及装药结构均有关;

②尽管155 mm弹药口径最大,但由于装药中心存在传火管和中空的可燃纸筒结构,其保温平衡时间反而有所缩短;

③弹药内部不同位置的传感器温度变化规律均表现为:径向从外向里传热速率越来越慢,保温平衡时间越来越长;

④此次实验室测试所有弹种保温平衡时间均包含了设备升、降温段时间,其中:50 ℃用时22 min,70 ℃用时42 min,-40 ℃用时94 min,-55 ℃用时174 min;

⑤升降温速率随时间变化(温差减小)而减小。

图5给出了任意3种弹药装药内部温度在升降温过程中的变化曲线,弹药直径(d)分别为30 mm,76 mm和130 mm,其中CH416/CH417为环境试验设备内部的温度变化曲线。

图5 3种发射药在升/降温工况下的温度变化曲线图Fig.5 Temperature variation curve of three propellants under rising/cooling conditions

针对12种被测试弹药生成的保温平衡时间柱状图,如图6所示,由图可知:

图6 被测试弹药的保温平衡时间柱状图Fig.6 Histogram of insulation balance time of tested ammunition

①57 mm(含)以下口径弹药保温平衡时间均小于10 h;

②76～122 mm口径弹药保温平衡时间均小于16 h;

③125～155 mm口径弹药保温平衡时间均小于25 h;

④保温平衡时间最长的为装药量最大的130 mm口径弹药。

此外,本文采用的测试方案和数据处理方法中,保温平衡时间的计算是从试验箱开机时间为准,而国军标中规定的保温时长的起算时间通常是以试验箱达到规定温度的时间为准,试验箱升降温约需1 h,因此,理论上本文中计算的保温平衡时间比真值更长。

3 结束语

本文针对12种典型弹药进行了测温弹改装和实验室测试,测试统计结果可以得出以下结论:

①12种弹药发射装药保温平衡时间最长不超过26 h,而且小口径弹药保温平衡时间仅需要7～8 h。

②弹药保温平衡时间最长的并不是口径最大的155 mm弹药,而是装药密度高的130 mm、152 mm口径弹药。

③从测试结果看,新军标对57 mm(含)以下口径弹药设置恒温12 h、76～122 mm口径弹药设置恒温24 h、125～155 mm口径弹药设置恒温36 h保温平衡时间,完全可以满足弹药保透需求,是比较科学合理的,可以大幅缩短试验周期,提高常规兵器靶场试验效率。