信息化炮弹抗高过载设计方法

钱立志, 蒋滨安, 郭佳晖

(陆军炮兵防空兵学院 高过载弹药制导控制与信息感知实验室, 安徽 合肥 230031)

0 引言

炮弹在以往的战争中功勋卓越,与火炮一起赢得了战争之神的美誉。如今,随着战争理念的进步以及科学技术的发展,炮弹也逐步迈向信息化。然而炮弹体积小、过载大、转速高等特点制约了其功能的拓展。20世纪70—80年代,“铜斑蛇”和“红土地”激光末制导炮弹的相继问世,验证了炮弹精确制导的可行性,这不仅是炮弹信息化的开端,也是炮弹抗高过载工程实践的开端[1]。

国内在信息化炮弹研制领域起步较晚,但是发展迅速。自20世纪90年代开始,由我军炮兵的作战任务为牵引,对炮弹提出了侦察、精确打击、干扰、封控等多种功能需求,推动了国内信息化炮弹的自主研发进程,也牵引着炮弹抗高过载领域取得突破性进展。随着我国军工科技近十几年的高速发展,炮弹的概念已远超传统范畴,完成了从单一毁伤单元向新型运载平台的跨越式发展。

目前,我军炮兵部队已经装备了以快速侦察、精确打击、有源干扰以及区域封控为核心功能的各类信息化炮弹。然而炮弹体积小、过载大、转速高等固有属性,对其设计研发提出了严苛挑战,而解决抗高过载问题是实现其他功能的基础。本文试图揭示信息化炮弹抗高过载问题的本质,并阐明抗高过载的关键技术和设计流程。

1 信息化炮弹抗高过载问题的提出与内涵

信息化炮弹抗高过载问题的出现,是因为现代战争中,炮弹除了毁伤目标外,还需搭载各类功能器件以完成多种作战任务,为防止器件受到过载影响而发生失效,弹载器件抗高过载的需求便孕育而生。其本质内涵包括以下4个特征:

1)耦合性。抗高过载设计通常需要根据应力水平和响应激励来优化炮弹结构组成和材料性能,而变更的结构和材料又会反过来影响应力水平和响应激励,造成问题耦合迭代。例如,采用增加壁厚的方式来提高弹尾强度,会导致弹丸质心后移,进而影响其静稳定度。

2)全局性。抗过载设计不能仅仅聚焦在某一个器/部件和其接触的受力关系上,还需关注全局过载过程和变化。例如,某弹由多个不同材料的舱段组成,每个舱段均满足发射过载要求,但由于各材料的过载响应不同导致舱段间产生缝隙,从而引发弹丸漏气解体。

3)针对性。常见的抗过载思路是优化弹上结构和材料,提高部件失效极限,进而提高其抗过载能力。值得注意的是,抗高过载问题的目标并不是保持弹上所有的结构和材料完好,而是保证弹载任务设备可以正常发挥功能,显然,弹上部件功能失效和结构失效并不完全等价。例如,用于连接弹丸舱段的径向螺钉发生塑性变形并不一定会导致弹丸解体。

4)偶然性。新型炮弹全寿命周期包括仓储、运输、维护、使用、销毁等环节,时间跨度十多年,可能会出现部件性能退化、材料老化、指标降低等情况,影响原有抗过载能力,过载失效的位置和阈值也存在一定的偶然性。目前,一线部队弹药仓储时间较长,弹丸器件结构在长时间存储后能否满足抗过载要求缺乏必要的数学模型来验证。

2 信息化炮弹抗高过载关键技术

2.1 过载环境建模及测量技术

过载环境是抗高过载研究的起点,针对发射过载,可以利用过载峰值×过载过程持续时间来简单描述过载环境,用过载-时间曲线来精确计算过载影响。由于高过载环境通常伴随着高动态,仅靠过载峰值这一变量根本无法准确描述炮弹所受的过载过程。

对于发射过载的描述,通常有两种形式。

一种是在药室安装传感器实测火炮膛压,利用膛压曲线描述火炮发射过载,图1为某型火炮实测膛压曲线[2]。

图1 某型火炮实测膛压曲线图Fig.1 Measured chamber pressure curve of a certain type of artillery

另一种是在弹上安装微传感器实测过载加速度,利用加速度曲线描述火炮发射过载,图2为某型弹载加速度计实测发射过载曲线[3]。

图2 某型加速度计实测发射过载曲线图Fig.2 Measured emission overload curve of a certain accelerometer

图1和图2均可用来描述火炮发射时的过载,定性来看,膛压曲线没有振荡过程,而加速度计实测曲线有明显振荡,且反向振荡的过载值和正向基本处于同一量级。

事实上,利用膛压曲线和加速度曲线来描述火炮的发射过载都是正确的,差别在于测量原理和测量位置不同。膛压测量的是火药燃烧产生的压力,因此不可能出现负值;而过载测量的是弹上某一位置的加速度,由于弹上存在不断传播的应力波,加速度计读数会出现过载方向交替的现象。文献[4]基于火炮发射膛压曲线,结合应力波传播原理,构造了针对弹载光电器件的动力学模型,可以求解弹上某一特定部件的过载响应,统一了上述两种发射过载描述。

2.2 抗过载结构与材料技术

炮弹抗高过载能力的提升本质在于新结构的设计和新材料的应用,然而新理论新技术的应用还需要服从于功能任务和作战条件,如平台适配性、系统可靠性、环境适应性等。因此,弹上结构和材料领域需要军事需求、理论模型和工程研发等多个领域结合推动发展。

2.2.1 抗高过载结构

合理设计减振结构可以有效提高弹载器件的抗过载能力。文献[5]采用橡胶垫和碟簧组合的复合减振装置对弹载光电任务设备进行保护,效果显著,解决了弹载光电器件抗火炮发射过载的难题,为弹载摄像机、光电导引头研制提供了可行的技术途径,并成功应用于多型炮弹型号研制[6-7],其减载装置的基本结构如图3所示。

图3 橡胶及碟簧减载装置结构图Fig.3 Structural diagram of rubber and disc spring load shedding device

司朝伟等[8]通过改进微机电系统(MEMS)陀螺悬挂梁的尺寸结构,提高了其冲击振动模态谐振频率,以增强抗冲击性能,重锤测试表明,该陀螺在驱动方向上的抗冲击性能可达23 000g。刘洪[9]分析了MEMS陀螺振子特性,提出了一种锥形振子的MEMS陀螺结构,其可达10 000g以上的抗冲击能力。褚伟航等[10]采用双悬臂梁设计,增加了微陀螺结构的稳定性,进而提高了其抗过载能力。林日乐等[11]通过在敏感芯片开槽结构的末端设计圆弧台阶,降低了该部位在冲击环境下受到的最大应力,提高了敏感芯片的抗冲击性能。汪守利等[12]提出了一种基于黏弹性阻尼减振器与惯组基体隔离的方法,实现了MEMS陀螺内减振。国外在MEMS器件过载防护方面也取得了丰硕成果,值得注意的是,国外学者除了采取改造结构的抗过载设计方法以外,还注重从材料本身解决抗过载问题。例如Myers等[13]设计了一种基于碳化硅材料的线性谐振结构,通过空气炮实验对其进行了冲击过载实验,发现谐振频率在冲击实验前后并无太大变化,验证了碳化硅材料良好的抗高过载特性,其结构如图4所示。

图4 碳化硅谐振结构图Fig.4 Structure diagram of silicon carbide resonance

对于弹上活动部件,如轴承、陀螺(机械)、舵(翼)展开机构、舵系统等,需要同时满足结构支撑和相对运动两个要求,其抗过载设计需要把握两个原则:一是活动件不承重,二是支撑件不悬空。李杰等[14-15]、段晓敏等[16-17]、张樨等[18]、魏晓凯等[19]运用旋转隔离及过载转移的方法,研制了一种被动式半捷联平台结构(见图5),同时设计了一种对顶半球结构(见图6),该结构可以在半捷联平台受到较大过载时,起到防护作用,有效减小轴承的轴向受力,保证其正常运转。

图5 被动式半捷联平台Fig.5 Passive semi-strapdown platform

图6 对顶半球结构图Fig.6 Structure diagram of opposite top hemispheres

孙栋等[20]提出了在引信轴承处添加铜制缓冲垫片和改变外转子机架的轴肩与底螺尺寸两种抗过载设计方案,如图7所示,该方案满足了旋转机架抗过载设计的需求。惠江海等[21]研究分析了冲击环境下某旋转型超声电机的失效模型,得出预紧力机构是最薄弱环节,并通过空气炮试验,得到该型结构的失效条件。

图7 自旋式电机旋转机架结构图Fig.7 Structure diagram of rotating frame of spin motor

李莉等[22]分析了折叠弹翼展开过程的动力学性能,探讨了机构各参数对展开时间和冲击过载的影响。王竟等[23]针对抗大风阻微型伺服机构中折叠弹翼进行了优化设计,如图8所示,该结构可以保证弹翼在炮射条件下安全展开。

图8 某型弹翼展开机构Fig.8 A wing deployment mechanism

随着测试手段和应力波理论的发展,炮弹部件级抗过载问题已取得一定进展,文献[24]基于黏弹性材料的非线性特性,建立并求解了加装减载组件的弹载器件非线性动力学模型,仿真结果和试验数据吻合度较好,并发现了过载时间累积效应[25],提出了可用于指导工程实践的经验公式,取得了较好效果,通过分析将抗高过载结构归纳为两种类型[26]:一类是将弹载器件自身的强度提高,即提高弹载器件可以承受的极限过载,方法主要有对器件进行加固或封装、选用高强度材料制作器件等;另一类是加装减载组件,即利用减载组件的吸能特性减缓高过载环境对其造成的影响,具体有以下4种方案:

1)采用高强度材料制作器件,同时尽可能对抗过载能力弱的器件进行小型化设计,以减小体积,减轻任务设备的自身质量,提高器件抗振、抗冲击能力。

2)提高结构稳定性。主要方法是对易损部件进行加固处理从而提高结构强度等,典型如某型干扰弹中采用的笼式结构(见图9)和某型侦察弹中应用的加固CCD摄像机(见图10)。

图9 笼式结构干扰机体Fig.9 Interference machine with cage structure

图10 加固后的弹载CCD摄像机Fig.10 Reinforced missile borne CCD camera

3)合理布局电子元器件。主要是选用符合标准、结构较牢固的电子元器件,特别是贴片器件,同时进行合理布局、可靠焊接。

4)对弹载器件进行固封。常用的固封材料有两种:1)胶脂固封,如硅胶、环氧树脂、低温陶瓷等,利用封胶工艺固封的效果如图11所示;2)发泡填充,一般采用双组分发泡剂按一定比例混合生成带气孔的固态产物,利用发泡工艺固封效果如图12[27]所示。

图11 利用封胶工艺固封效果图Fig.11 Effect drawing of fixation with glue sealing process

图12 利用发泡工艺固封效果图Fig.12 Effect drawing of fixation by foaming process

2.2.2 抗高过载材料

炮弹抗过载材料主要可以分为高分子类和金属类。高分子类材料主要用于密封、减振和隔离,如橡胶是制作密封圈、减振垫的主要材料,而灌封材料广泛应用于电子器件防护;金属类材料主要用于支撑、吸能,如镁合金、钛合金等合金材料可用于炮弹新型支撑结构,而泡沫铝因其具有海绵状结构,也常用于制作吸能结构。

灌封材料以黏弹性材料为主,常用于保护弹载电子器件、电子电路和结构,对于灌封防护技术来说,灌封防护材料的作用主要有两点:一是给嵌入其中的器件提供结构支撑;二是作为被保护组件的减振机构,吸收和耗散掉传递到电子器件上的机械能[28]。灌封材料本身的黏弹性效应是其能够吸能缓冲的重要原因。文献[29]表明,灌封防护材料的黏性适当增加能削弱电子器件的应力响应,材料黏性可作为设计材料时的主要考虑因素,而密度和弹性模量影响较小。

合金金属材料是未来炮弹抗高过载材料发展的重点,优质的轻量金属合金对炮弹设计意义重大。镁合金作为质量最轻的金属结构材料,由于比强度高、抗冲击性能良好,是实现武器轻量化的理想材料。近年来,国内外学者陆续发现向Mg-Re合金中添加Zn等元素会产生一种新的增强相结构,即长周期堆垛有序结构[30],该构造是目前已知提高镁合金综合力学性能最为有效的强化结构[31]。但是该型镁合金依然存在耐蚀性差的问题,如果采用镁铝复合板则可兼具镁合金轻质和铝合金耐蚀的性能优势。然而,目前国内外对于金属层状复合材料阻尼性能的研究较少,暂时并没有比较系统的分析方法,大多数都是总结金属板材阻尼性能的变化规律,尤其是Al/Mg/Al三明治复合板材的阻尼机理仍需深入探索和研究[32]。泡沫金属材料由于其有独特的孔洞结构和功能特性,不仅广泛应用于一般的工程领域,而且在航空航天与军事领域具有极其重要的用途[33-34]。在压缩变形时,由于泡孔的逐层坍塌或泡孔整体畸变和坍塌的机制而在应力-应变曲线中会有一段很长的应力平台,其可在一个稳恒应力水平下(通过调控其孔隙参数及基体合金微观组织使其低于弹载器件可承受的应力水平)吸收大量的过载能量,从而使得弹载器件在高过载环境下免受伤害[35-37]。

应力波理论是分析结构和材料在强动载荷作用下响应及破坏特性的基础。王立礼等[38]提出了基于应力波理论的材料动力学研究方法。在材料损伤机理方面,有研究[39]表明,材料损伤还存在损伤门限值,门限值和材料本身属性有关。

2.3 抗高过载试验测试技术

2.3.1 冲击振动试验

冲击试验是最接近抗过载真实环境的模拟试验,常见的试验设备包括SHPB实验装置[40-42]、马歇特锤、冲击台和空气炮等,这类试验装置均存在使用局限性,以SHPB实验装置为例,可以总结如下:

1)被试件不能太大。径向尺寸太大就不满足一维应力假设,轴向尺寸太大就不满足平衡应力状态假设;

2)被试品结构材质不能太复杂,结构材质复杂意味着被试品应力波速不均匀,会影响试验精度;

3)被试品不能太脆,很多脆性材料应力波还没达到动态平衡,就已经损坏了;

4)被试品不能太软,太软的材料应力波速相对于输入输出杆(金属)很低,难以达到应力平衡条件。

针对以上问题,大量科研人员也做了相关研究和改进,如加大压杆直径[43]、研制新材料压杆[44],都在一定程度上扩展了SHPB装置的使用范围,不过由于应力波效应与应变率效应耦合的原因[45],冲击试验只能为抗过载设计提供参考。此外,SHPB装置模拟过载时间都很短,通常在百微秒量级,对于毫秒量级的火炮发射过程模拟程度有限。

振动环境试验可以分为随机振动环境试验、正弦振动环境试验、冲击振动环境试验、混合振动环境试验[46],可以满足环境适应性、材料强度、动力学特性等测试需求。早期受限于振动环境模拟技术,振动环境模拟都由单轴振动试验复合叠加而成,在工程实践上已取得了不错的应用,随着炮弹设备的复杂性呈几何倍数递增,单轴振动设备已经难以满足需求,特别对于炮弹这类细长体进行振动试验时,单轴振动激励容易造成位移和应力的不均匀分布[47]。因此,自20世纪60年代开始,多维振动环境理论及设备得到了快速发展[48-52]。多维振动试验方法是环境试验技术的一大进步。由于它具有真实模拟外场环境、避免严重过试验和节省推力等优点,有着广泛的应用前景,将来工作的重点在于试验方式的规范化和试验条件的标准化、测试精度的优化和评估方向。

2.3.2 模拟发射试验

发射过载的模拟可以采用空气炮试验。空气炮是一种高过载模拟发射系统,通常用于实验室对高过载对象进行模拟实验。它根据动力学相似原理,使用压缩空气代替传统火药燃烧产生的高压气体来完成对弹丸的发射[52]。由于其具有安全可靠、操作方便、载荷范围宽以及冲击量级高等优点,被应用于各类冲击实验中并且发展迅速。

国内对于空气炮的研究起步较晚,随着兵器行业的发展,西北核技术研究所于1982年成功研制了57 mm口径单级压缩空气炮,可提供弹丸1 400 m/s的线性加速度[53]。兵器212所于20世纪八九十年代利用活塞调节进气量研制出了85 mm和155 mm口径空气炮。到目前为止,国内已经设计出了功能丰富的各类空气炮,可以为弹载器件抗高过载试验提供有力支撑。

2.3.3 靶场试验

任何模拟仿真实验都无法代替靶场试验的作用,我国兵器类靶场逐步形成了场区大、试验领域广、试验测试综合能力强的良好态势,可以承担各行业和兵种的武器装备科研试验、产品交验试验、外贸产品定型试验任务及典型试验测试任务,具备近、中、远程武器试验测试能力,防空反导武器试验验证能力,战斗部毁伤威力试验与评估能力以及制导导引头半实物仿真实验测试能力等[54]。在炮弹抗高过载方面,靶场试验主要采用小射角回收试验和全系统试验两种方法,小射角回收试验主要针对部件级抗过载测试,对某母弹进行工程改造,将被试部件按实际装配关系装入母弹,并采用小射角发射,以方便回收。图13展示了某次炮弹部件级过载试验前后对比,通过小射角回收试验,可以直观研究被测部件失效情况,同时通过搭载各类型传感器,为改进分析提供重要数据支撑。

图13 某型制导炮弹舵系统过载试验情况Fig.13 Overload experiment of rudder system of a guided projectile

全系统实弹试验是在各分系统完成过载试验后,通过整弹发射来检验全系统的工作状态,需要各种武器装备专用试验设施及大型测控设备,包括弹道跟踪雷达、搜索雷达、光电经纬仪、地面遥测接收系统、空中测试平台等。

3 炮弹抗高过载设计

3.1 炮弹全设计流程

炮弹作为武器装备,具有确定的设计流程,大体可以概括为以下4步:1)由军方牵头完成对武器装备的需求分析和顶层设计,明确基本作战需求指标,如平台、射程、精度、威力、作战对象、使用环境等;2)以作战需求为依据,完善形成战术技术指标体系和研制总要求,指导方案设计、研制进度和考核条件;3)开展关键性能指标的设计计算、互相制约指标之间的权衡比较、影响主要作战能力的参数灵敏度评估,并进行系统综合分析;4)明确气动、导控、动力、引信和战斗部、时序、电气等分系统指标,逐级分配,直至设计闭环[55],设计流程如图14所示。

图14 炮弹全设计流程Fig.14 Whole process of shell design

炮弹抗过载设计处于全设计流程的第三个环节,需要根据总战术技术指标要求,明确各分系统抗过载指标要求。

3.2 炮弹抗高过载设计约束

炮弹抗过载设计主要面临两个方面的约束:一是研制总要求的输入性约束,主要有发射平台、弹重、弹长、发射装药、使用环境等;二是分系统设计的反馈性约束,主要有弹丸固有频率、质心位置、气动外观、舱段空间、部件质量、材料标准等。抗过载设计不仅要满足研制总要求,还需考虑分系统实现的难度和可行性,约束关系如图15所示。

图15 抗高过载设计约束Fig.15 Constraints of anti-high-overload design

3.3 炮弹抗高过载设计流程与方法

3.3.1 设计流程

设计流程可以分为三个环节:一是基本参数设计环节,主要确定过载环境、质心位置范围和基本气动布局,如图16所示;二是分系统参数设计环节,主要确定各功能舱段空间、质量、结构和材料,如图17所示;三是试验验证环节,如图18所示,包括仿真、模拟、等效和实弹试验,对抗过载设计进行校核。

图16 基本参数设计环节Fig.16 Design links of basic parameters

图17 分系统参数设计环节Fig.17 Design links of subsystem parameters

图18 试验验证环节Fig.18 Links of experimental verification

3.3.2 设计方法

根据作者20余年从业经验,炮弹抗高过载方法可以概括为“本体强度加固、支撑体变形吸能、结构件破坏转移、前沿技术交叉”四个方面。

“本体强度加固”方法,是绝大多数抗过载问题的首选方法。这是通过优化结构设计,强化支撑本体强度,提升结构的损伤阈值,从而达到抗高过载目的的方法,但这种方法会增加全弹质量,难以配平质心,容易引起过载设计耦合,有时由于约束条件限制过于严苛,而无法采用本方法。

“支撑体变形吸能”是一种成功应用于炮弹光电导引头的抗高过载方法。通过加装黏弹性材料作为减载组件,依靠其变形吸能,从而降低弹载器件的应力水平,且延缓应力峰值的到来。对于无法采用“简单加固”且严格要求装配位置的精密器件,该种方法可以取得较好的效果。

“结构件破坏转移”是基于特定抗过载环境,适用于过载峰值特别大且核心部件的功能发挥对装配位置不敏感的情况。如对侵彻过程中的加速度传感器进行抗高过载防护时,过载峰值特别大、过载方向也不确定,可以采用周向过载防护措施,用破坏外部防护结构而换来核心部件的功能正常。

“前沿技术交叉”是未来解决抗过载问题的核心方法。近十年来,我国军工行业各个研究所、高校、工厂蓬勃发展,取得了可喜的成绩,但受制于各种原因,各家技术交流并不充分,存在很多重复研究的现象,技术固步自封也屡见不鲜。依托国家大的发展战略,新材料、新结构、新测试手段、新理论模型等前沿成果若能应用于炮弹抗高过载领域研究,相信很多现在棘手的问题也会迎刃而解。

4 总结与展望

本文根据作者多年的经验积累以及文献查阅,总结了目前炮弹抗高过载方面存在的不足:

1)缺乏对过载环境描述的力学模型。由于载荷的不确定性和试验测量的次数限制,难以准确描述参量的概率分布,因此寻找一种合适的模型方法来降低误差并进行定量和定性计算至关重要;同时,多场耦合、相关性等因素对不确定性分析带来新的挑战,高维、高度非线性的隐式函数关系阻碍了稳健性设计的进展,进而使得模型构建及求解困难。

2)对炮弹功能过载失效机理理解不深。在明确外载约束下,计算特定结构和材料的动态响应,进而获取损伤判据并不困难。但是材料结构的屈服损伤和器/部功能过载失效并没有必然联系,很明显,对于炮弹这类一次性使用的武器装备,功能失效问题更值得关注,然而如何从屈服损伤理论发展到过载失效研究,还有很长的路要走。

3)理论与实践交叉不够。目前国内在发射动力学、冲击动力学、振动力学、材料学等多个方向都取得了令人振奋的理论成果,部分理论成果针对特定的过载失效问题,稍加修正后即可指导工程实践,然而由于专业限制和行业壁垒,军工行业的工程师更加信任成熟的工程产品和实践经验,因此很多新材料、新结构、新工艺缺乏应用验证的机会。

4)试验测试手段匮乏。炮弹是一次性使用且长期仓储的装备,解决仓储和运输过程中炮弹材料(如高分子材料和金属材料等)在多种环境应力下的性能变化问题,丰富各类试验测试手段十分必要。

为了解决上述问题,需要以工程实践问题为牵引,加大针对炮弹过载环境的理论研究,发展新的、针对性强的力学模型,同时也要挖掘成熟理论的通用性问题;加大学科专业交叉,加强领域内校企合作,让科研成果有更多机会应用于工程实践。