拋投式機器人高低壓發(fā)射過載的實驗研究

郝 鑫，王建中，施家棟，王立明，姜 濤

（1．北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京100081；2．西安北方秦川集團有限公司，西安710043）

拋投式機器人具有體積小、便于攜帶等優(yōu)點，但也具有越障能力差、續(xù)航時間短的缺點［1］，而且多采用操作人員徒手投擲方式進行布設(shè)，投擲人員必須接近目標，在戰(zhàn)場環(huán)境容易被敵方發(fā)現(xiàn)。筆者采用地面移動機器人搭載發(fā)射機構(gòu)進行機器人發(fā)射，實現(xiàn)拋投式機器人的遠程布設(shè)。

由于拋投式偵察機器人的元器件精細，抗過載能力差，為了降低拋投式機器人在發(fā)射過程中所受到的沖擊，采用高低壓發(fā)射機構(gòu)實現(xiàn)機器人的拋射。筆者以拋投式機器人的活塞式高低壓發(fā)射實驗裝置為對象，對發(fā)射過程中的發(fā)射過載進行了實驗研究，分析了發(fā)射系統(tǒng)的不同參數(shù)對發(fā)射過載的影響，為拋投式機器人高低壓發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支持。

1 活塞式高低壓發(fā)射原理

活塞式高低壓發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射原理如圖1所示，高壓藥室內(nèi)的發(fā)射藥點燃后產(chǎn)生高壓燃氣，使高壓藥室內(nèi)的氣體壓強迅速升高，達到破孔壓強后沖破破孔膜片，通過破孔進入低壓藥室，低壓藥室壓強升高，推動活塞向前移動［2］。

高低壓發(fā)射過程可以分為兩個階段，第一個階段是從點火到高壓藥室內(nèi)的火藥氣體沖破破孔膜片；第二個階段是從高壓藥室內(nèi)的火藥氣體沖破破孔膜片開始，到被彈射物離開發(fā)射筒口，內(nèi)彈道過程結(jié)束［3－4］。

圖1 活塞式高低壓發(fā)射系統(tǒng)原理圖

1．1 第一階段

火藥為定容燃燒，高壓藥室壓強為，

式中：F為火藥力；w為裝藥量；ψ為火藥已燃百分比；ρp為火藥密度；α是火藥氣體余容；V01為高壓藥室容積。

高壓藥室壓強大于破孔壓強后，高壓藥室氣體通過噴口進入低壓藥室，第一階段結(jié)束。破孔壓強如公式（2）所示，

式中：b是破孔膜片的厚度；τk是膜片材料的剪切強度；d1是破孔直徑。

1．2 第二階段

火藥氣體從高壓藥室由破孔流入低壓藥室內(nèi)，氣體質(zhì)量流量主要與破孔直徑和高低壓藥室的壓強有關(guān)［5］，

式中：ψ2是流量系數(shù)；Sj是破孔面積；p2是低壓藥室氣體壓強。由公式（3）可知，當(dāng)破孔壓強改變，會改變破孔瞬間高低壓藥室之間的壓強差，也會間接影響破孔的質(zhì)量流量。

高壓藥室壓強與低壓藥室壓強分別為公式（4）和公式（5），

可以看出，除了發(fā)射藥自身的性能參數(shù)以外，對發(fā)射過載影響較大的參數(shù)主要是發(fā)射筒內(nèi)膛橫斷面面積。當(dāng)發(fā)射筒內(nèi)膛橫斷面面積增大，高低壓藥室的容積增大，在同等火藥燃燒條件下，氣體壓強就會減少，造成被彈射物的發(fā)射過載降低。

1．3 內(nèi)彈道過程仿真分析

根據(jù)以上高低壓藥室的內(nèi)彈道過程數(shù)學(xué)模型，進行拋投式機器人發(fā)射過程的仿真計算，參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真計算的參數(shù)值

圖2 高壓藥室與低壓藥室的時間－壓強曲線

仿真計算得到高低壓藥室的壓強曲線，如圖2所示。由圖2可以看出，點火后高壓藥室壓強快速上升，4ms時高壓藥室壓強大于破孔壓強；高壓藥室的氣體開始進入低壓藥室，高壓藥室壓強上升速度開始減緩；約0．5ms后，高壓藥室壓強達到峰值；此時低壓藥室的壓強仍遠小于高壓藥室，所以低壓藥室的壓強繼續(xù)上升；2ms后，隨著拋投式機器人向前移動，低壓藥室容積迅速增大，兩個藥室的壓強差快速減小，低壓藥室的壓強也開始減?。辉诮咏?3ms時，拋投式機器人離開發(fā)射筒口，內(nèi)彈道過程結(jié)束。仿真結(jié)果證明，高低壓藥室發(fā)射系統(tǒng)可以有效降低低壓藥室壓強，從而降低拋投式機器人在發(fā)射過程中所受到的沖擊。

2 實驗裝置

拋投式機器人活塞式高低壓發(fā)射實驗裝置主要包括發(fā)射系統(tǒng)、拋投式機器人系統(tǒng)、發(fā)射過載檢測系統(tǒng)三個部分。為了減小發(fā)射裝置的體積，采用導(dǎo)向桿作為導(dǎo)向機構(gòu)。實驗裝置如圖3所示。

圖3 實驗裝置示意圖

高壓藥室內(nèi)的發(fā)射藥點燃后產(chǎn)生高壓燃氣，達到破孔壓力后沖破破孔膜片，通過破孔進入低壓藥室，低壓藥室壓強增大，推動活塞向前移動，進而推動導(dǎo)向桿和拋投式機器人向前移動，直至導(dǎo)向桿離開筒口。

發(fā)射系統(tǒng)主要包括發(fā)射底座、底火、藥盒、活塞、發(fā)射筒、點火電路等。底火內(nèi)裝有某型號發(fā)射藥，固定在藥盒底部，與藥盒的下半部分組合形成高壓藥室，高壓藥室容積不可變，為1 259mm3。藥盒的上半部分與活塞圍繞形成低壓藥室，低壓藥室容積有兩種情況，分別為5 035mm3和304mm3。高低壓藥室之間有破孔，其直徑分為1．0mm、3．2mm兩種。發(fā)射筒口徑為18mm，活塞直徑略小于發(fā)射筒口徑，其行程為309mm。

拋投式機器人部分主要包括拋投式機器人和導(dǎo)向桿兩部分，總質(zhì)量為2．16kg。

筆者采用有線采集方法采集拋投式機器人的發(fā)射過載檢測。加速度傳感器采用美國PCB Piezotronics公司生產(chǎn)的350A14沖擊型加速度傳感器，量程為－5 000～5 000g。數(shù)據(jù)采集卡采用北京起創(chuàng)莫非電子科技有限公司生產(chǎn)的MPS－060602型采集卡，采集卡的采樣頻率為200kHz。加速度傳感器安裝在拋投式機器人內(nèi)部，通過數(shù)據(jù)線與地面上的采集卡相連。發(fā)射后，當(dāng)拋投式機器人的行程達到1m時，數(shù)據(jù)線在接頭處自動斷開，采集卡停止采集。

3 實驗結(jié)果及分析

3．1 破孔直徑對發(fā)射過載的影響

第一組實驗中，改變高低壓藥室之間的破孔直徑，分別為1．0mm、3．2mm，保持其他發(fā)射筒參數(shù)不變；低壓藥室容積統(tǒng)一為5 035mm3；破孔膜片材料統(tǒng)一為鋁，厚度為0．1mm；裝藥量為0．6g。分別進行發(fā)射實驗，記錄發(fā)射過程中的發(fā)射過載，實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同破孔直徑條件下的發(fā)射過載

由圖4可知，隨著破孔直徑增大，過載曲線的斜率和峰值都增大，而且達到峰值的時間也有所提前。這是因為，根據(jù)公式（3），破孔直徑增大后，流過破孔的氣體質(zhì)量流量也增大，所以低壓藥室內(nèi)氣體壓強增加得也更快，過載曲線的曲率變大，而且通過破孔流入低壓藥室的氣體質(zhì)量也較大，造成大破孔條件下拋投式機器人的發(fā)射過載峰值也較大。

到達峰值之后，兩條曲線的值都快速下降，先后在16ms左右出現(xiàn)過載突然降低的情況。其中破孔越大，過載降低的時間越早。這是因為在這一時刻導(dǎo)向桿離開筒口，由于筒口的后效應(yīng)，造成拋投式機器人的過載突然降低。由于破孔直徑增大后，加速度增大，速度也隨之增大，所以大破孔條件下拋投式機器人的筒口時刻會有所提前。在出筒口之后過載曲線呈現(xiàn)負值，這是因為在強沖擊條件下，加速度傳感器存在零點漂移現(xiàn)象。

為了量化分析過載曲線的平緩程度，本文計算了破孔時刻與筒口時刻之間的過載曲線方差，計算結(jié)果如表2最后一列所示。破孔直徑增大后，過載曲線的方差較大，即曲線的平緩程度較差，不過兩者的差別并不大，方差的比值為1．13。

為了便于比較，將不同破孔直徑條件下的發(fā)射過載曲線的起點定義為同一時刻，即將兩條曲線的破孔時刻均定義為零點。但根據(jù)公式（2），當(dāng)破孔直徑增大，破孔壓力會減小，所以在圖4中，如果以點火時刻為零點，那么3．2mm破孔直徑條件下的過載曲線的起點時刻應(yīng)當(dāng)比1．0mm破孔直徑的曲線起點要略早一些。

發(fā)射過載與破孔直徑的關(guān)系如表2所示。

表2 發(fā)射過載與破孔直徑的關(guān)系

3．2 低壓藥室容積對發(fā)射過載的影響

第二組實驗中，改變低壓藥室容積，分別為304 mm3和5 035mm3，其他參數(shù)一致；膜片材料統(tǒng)一為鋁，膜片厚度為0．1mm；破孔直徑為1．0mm，裝藥量為0．45g。分別進行發(fā)射實驗，記錄發(fā)射過程中的發(fā)射過載，實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同低壓藥室容積條件下的發(fā)射過載

由圖5可知，隨著低壓藥室容積增大，過載曲線的斜率和峰值都有所降低，過載峰值出現(xiàn)的時刻也被推遲。這是因為當(dāng)?shù)蛪核幨胰莘e增大后，在破孔氣體質(zhì)量流量差別不大的情況下，氣體質(zhì)量差別不大，則氣體壓強會減小。

根據(jù)公式（3），在大容積低壓藥室條件下，由于低壓藥室氣體壓強較低，高低壓藥室之間的壓力差比較大，流過破孔的質(zhì)量流量增大，在一定程度上使低壓藥室的氣體壓強增加。不過，這一關(guān)系僅對低壓藥室壓強起到補償作用，不會從根本上改善低壓藥室容積與發(fā)射過載為負相關(guān)的整體趨勢。但由圖5可知，大容積低壓藥室的壓強大約是小容積低壓藥室壓強的1．58倍；而根據(jù)仿真計算的結(jié)果，高壓藥室的壓強大約是低壓藥室壓強的6倍，兩者差距較大。所以，高低壓藥室之間的壓強差對破孔氣體質(zhì)量流量的影響較小，在本次實驗中，低壓藥室容積對發(fā)射過載的影響較大。

在達到峰值之后，拋投式機器人的過載開始減低，并分別于15．8ms和19．3ms時離開筒口。

分別計算兩條過載曲線的方差，小容積低壓藥室的過載曲線的方差較大，即平緩程度要差，兩者的比值為2．28。發(fā)射過載與低壓藥室容積的關(guān)系如表3所示。

表3 發(fā)射過載與低壓藥室容積的關(guān)系

4 結(jié)論

通過對活塞式高低壓發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射過載的實驗研究，得出如下結(jié)論：采用活塞式高低壓發(fā)射系統(tǒng)，可以滿足微小機器人對發(fā)射初速和過載的要求；當(dāng)破孔直徑增大，拋投式機器人的過載曲線的斜率會增大，峰值時間會提前，峰值會增大；當(dāng)?shù)蛪核幨胰莘e增大，拋投式機器人的過載曲線斜率會降低，峰值時間延遲，峰值減小。

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