基于前冲发射的调压式击发控制运动特性分析

叶军雄，刘敏，曲威，杨建民，李贵远

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

前冲发射方式是指在发射前火炮后坐部分预先向前运动,产生一个前冲动能后点火发射,火药气体对后坐部分的作用将首先抵消前冲动能,之后再进行后坐的一种发射方式。前冲发射方式具有降低后坐阻力、降低火炮的火线高、整体射击时间循环短的优点[1]。

目前,国内已有学者针对前冲发射进行了相关研究[2-4],秦凯通过Simulink仿真计算对软后坐火炮动力学特性进行研究分析[4],但其都只对前冲正常发射的情况进行了分析,没有考虑在瞎火情况下火炮的运动特性;而前冲火炮瞎火的运动特性与点火方式息息相关。笔者对前冲发射的定点击发、定速击发两种方式进行综合分析后,提出一种调压定速的前冲点火击发控制方式,提高了前冲发射对射角的适应性,降低火炮瞎火情况下的后坐阻力。

1 建立数学模型

1.1 炮膛合力

炮膛合力主要分为2个阶段:

1)弹丸在膛内运动时的炮膛合力,可表示为

(1)

式中:A为炮膛横截面积;P为内弹道计算的平均压力,一般是离散的表格函数;ω为装药量;m为弹丸质量。

2)火药后效期的炮膛合力。在没有炮口制退器时,后效期炮膛合力可表示为

(2)

式中:Fg为弹丸出炮口时的炮膛合力;b为后效期时间常数。

通过上述分析,得到最终炮膛合力的作用曲线如图1所示。

1.2 前冲后坐运动分析

与常规后坐火炮不同,软后坐火炮射击时,其射击循环主要分前冲时期、后坐时期和复进时期[5-6]。

下面对各个时期分段分析。前冲运动的基本运动微分方程为

(3)

1)前冲阶段:

(4)

式中:Fsq为前冲有效力;A0f为复进机活塞作用面积;pN0为复进机初压;VN0为气体初体积;n为气体多变指数;mh为后坐部分质量;g为重力加速度;vs为密封装置等效摩擦系数;f为摇架导轨摩擦系数;φ为射角;FpRq为前冲液压阻力,

(5)

式中:Kqc为前冲阶段液压阻力系数;ρ为制退液密度;Aqc为前冲活塞作用面积;aqc为前冲流液孔面积;对应的边界条件为x=0或x=xmax时,v=0。

2)后坐阶段:

(6)

式中,FpRf为后坐液压阻力,

(7)

式中:Khz为后坐阶段液压阻力系数;Ahz为后坐活塞作用面积;ahz为后坐流液孔面积;对应的边界条件为x=xmax或x=xmin时,v=0。

3)复进阶段:

(8)

式中,FpRf为复进液压阻力,

(9)

式中:Kfj为复进阶段液压阻力系数;Afj为复进活塞作用面积;afj为复进流液孔面积;对应的边界条件为x=xmin或x=0时,v=0。

整个运动循环的计算,可利用龙格-库塔法解4阶微分方程组数值方法求解[7],得到的位移-速度运动曲线如图3所示。

1.3 点火控制

为了满足前冲发射对射角的适应性,目前对前冲发射的击发控制包括定点击发和定速击发两种。其中,定点击发方式为在不同射角均在同一击发点进行击发;定速击发方式主要通过调整击发点,控制前冲击发时机的方式实现击发控制。两者控制方式的运动曲线如图4所示[8-10]。

从上述击发方式可以看出,定点击发方式不能适应较大的射角变换,也不能适应多种装药号的变换,使得其并不适用于中大口径火炮;定速击发方式会导致火炮在不同射角射击时,对应的击发点位置不同,提高控制难度,同时,在火炮发生瞎火情况时,由于在低射角情况下,前冲预定击发点并没有到达整个前冲段的尾端,会导致火炮继续前冲,前冲能量过大,前冲有效力过高,影响全炮架体受力。

为了避免目前定点击发方式与定速击发方式两者带来的缺点,笔者将复进机初压pN0也作为随射角变化的变量,通过调整复进机初压,保证火炮后坐部分在不同射角均在到达前冲预定击发位置时满足预定速度。根据之前的运动方程,有前冲能量:

(10)

要达到相同的击发速度,则前冲能量相同,复进机压力与射角的变化关系:

(11)

则有不同射角下复进机的压力差:

(12)

FpR是关于前冲速度v与前冲位移x的函数,对其关于位移进行积分十分困难,但在调整气压保证前冲速度一致的情况下,假设FpR1=FpR2,则式(12)可简化为

(13)

拟定击发点位置为850 mm,根据之前的运动方程得到0°射角时的复进机初压为11.5 MPa,则有复进机初压随射角的变化曲线如图5所示。

根据图5调整不同射角的复进机压力,得到不同射角时的复进机压力,如表1所示。

表1 常用射角下的复进机压力

将不同的压力带入式(4)～(9)中进行计算,采用龙格-库塔法进行数值解析,得到不同射角情况下的运动特性曲线,如图6所示。

根据不同射角下的速度位移曲线可以看出,在前冲阶段,不同射角下的速度-位移曲线基本相同。由制退机力的公式

(14)

可以看出,在后坐部分运动速度相同,对应后坐位移位置一致时,对应的流液孔面积相同,因此,在不同射角情况下,随着复进机压力的调整,制退机力曲线基本一致,验证了FpR1=FpR2的假设基本成立。得到前冲阶段制退机力随后坐位移的变化曲线如图7所示。

2 前冲发射瞎火时的前缓冲特性分析

当后坐部分到达预定击发位置时,触发点火开关,点燃底火,膛压开始建立,基于后坐部分后坐能量抵消前冲能量。笔者分别对常规定速击发的前缓冲运动特性与调压定速击发的前缓冲运动特性进行计算分析,对前冲火炮前缓冲阶段的运动特性进行分析。

2.1 建立前缓冲运动分析模型

当出现瞎火现象时,反后坐装置进入前缓冲阶段,有:

(15)

前缓冲液压阻力为

(16)

式中:Kqhc为前缓冲阶段的液压阻力系数;Aqhc为前缓冲阶段的制退机压力作用面面积;aqhc为前缓冲阶段的制退机流液孔面积;对应的边界条件为:x=xqc时,v=vmax=vqc;x=xqhc时,v=0。

2.2 常规定速击发的前缓冲运动特性

常规定速击发方式下的缓冲运动特性曲线如图8所示。可以看出,当火炮发生瞎火情况时,在低射角时,预定击发距离远小于前冲距离xqc,在超过预定击发位置后,若火炮没有击发,则后坐部分在复进机的作用下继续前冲,前冲能量不断增加,直至到达前缓冲阶段开始减速,并在到达前缓冲段结束点时速度降为0。

使用数值计算软件进行数值解析,得到的前缓冲运动特性曲线如图9所示。可以看出,对于常规定速击发的火炮,前冲有效力随着射角的降低而增加,在0°射角时,前冲有效力达到最大值。

2.3 变压定速击发的前缓冲运动特性

使用变压定速击发方式的火炮发生瞎火时,由于复进机压力调整,使得前冲在各个射角时均在前冲阶段的末尾到达预定的击发速度,因此,使用变压定速击发方式可以有效减小前冲有效力。火炮对于射角的适应性大幅度提高。如图10所示。

3 结束语

笔者提出了一种变压定速击发的前冲点火控制理论,使用数值计算软件分别对常规定速击发方式与变压定速击发方式的前冲运动特性与前缓冲运动特性进行对比分析。结果表明,变压定速击发方式能够降低瞎火时的前冲有效力,有效提高前冲火炮对于射角的适应性。