水下內彈道裝藥特性仿真分析及試驗研究*

周永升 侯 健 可學為

(1.海軍工程大學 武漢 430033)(2.海軍湛江軍械修理廠 湛江 524000)

水下內彈道裝藥特性仿真分析及試驗研究*

周永升1侯 健1可學為2

(1.海軍工程大學 武漢 430033)(2.海軍湛江軍械修理廠 湛江 524000)

論文依據水下內彈道模型,通過仿真計算分析了不同裝藥量、不同類型發(fā)射藥兩種條件下水下超空泡射彈武器膛壓及彈丸初速變化規(guī)律,選用不同類型的發(fā)射藥進行實彈射擊試驗,通過仿真結果的對比及試驗測試的驗證表明:小口徑水下超空泡射彈武器在裝藥時一般應選取低燃溫、低燃速、等面燃燒的單基藥,并確定合適的裝藥量,以降低最高膛壓,提高身管的壽命。

水下內彈道; 裝藥特性; 仿真試驗

(1. Naval University of Engineering, Wuhan 430033)(2. Zhanjiang Naval Ordnance Repair Factory, Zhanjiang 524000)

Class Number TP391

1 引言

水的密度比空氣大近800倍,彈丸在水下運動時會受到巨大的阻力,因此彈丸在水下射擊時速度會大幅下降[1～2]。通過改變裝藥條件可以提升彈丸的水下運動速度,論文通過建立水下內彈道模型[3～6],對不同的裝藥量及裝藥類型對最大膛壓和彈丸初速的影響進行了研究。

2 水下射彈裝藥分析

裝藥設計的主要任務和最終目的就是確定發(fā)射藥類別及牌號,使武器達到戰(zhàn)術技術所要求的射程、初速以及其他指標[7]。

2.1 不同裝藥量仿真分析

初始條件:身管長度:900mm;口徑12.7mm;全彈重200g;全彈長240mm;藥室容積:27ml;啟動壓力:30Mpa。

應用水下內彈道模型,利用Matlab軟件編程,在裝藥類型相同的情況下進行仿真分析,得到不同裝藥量條件下的膛壓及彈丸初速參數如表1所示。

由內彈道參數表得到裝藥量與初速、膛壓對照關系如圖1所示。

表1 內彈道參數表

圖1 裝藥量與初速、膛壓的對照關系

由圖1可以看出,在裝藥類型相同的條件下,隨著裝藥量的增加,初速及膛壓都在上升,但是相對于初速的增加,膛壓的增幅更大也更快,而較大的膛壓會對水下武器造成很大的破壞,因此,水下超空泡射彈武器的裝藥量不宜過大。

2.2 不同類型發(fā)射藥仿真分析

超空泡射彈發(fā)射藥的類型多種多樣,不僅成分不同,而且形狀和尺寸也各不相同,目前制式發(fā)射藥種類一般有單基藥(如火棉加助劑制成的發(fā)射藥)、雙基藥(如火棉與硝化甘油制成的發(fā)射藥)、三基藥(如火棉、硝化甘油及硝基胍制成的發(fā)射藥)以及由它們派生出來的發(fā)射藥,如混合酯發(fā)射藥、硝銨發(fā)射藥等。

對發(fā)射藥的屬性進行仿真分析,根據彈道性能要求,選擇適當類型的發(fā)射藥,可以降低最高膛壓,提升彈丸的初速。

仿真計算初始條件:槍管長度:1200mm;槍膛直徑:12.7mm;水密度:1000kg·m-3;彈丸長度:150mm;藥室容積:27ml;啟動壓力:30Mpa;裝藥量:10g,兩種不同類型的發(fā)射藥參數如表2所示。

表2 發(fā)射藥參數表

用Matlab軟件進行仿真計算,得到的結果如圖2、圖3所示。

圖2 5/7石內彈道特性

通過仿真結果可以得到以下結論:

1) 采用5/7石(單基藥)及5/7高樟(雙基藥)時,射彈的初速分別為458.35m/s及571.50m/s;最大膛壓分別為207.09Mpa及848.75Mpa;

2) 當使用5/7石這類燃速慢的單基藥作為超空泡射彈的燃藥時,超空泡射彈的出口速度在400多m/s,膛壓在200多MPa,符合水下槍械的戰(zhàn)技要求,適合作為水下射彈的發(fā)射藥;

圖3 5/7高樟內彈道特性

3) 使用5/7高樟這類燃速快的雙基藥作為超空泡射彈的燃藥時,超空泡射彈的初速上升,但膛壓也急劇上升,可能達到800多MPa,容易引起炸膛事故,不適合作為水下射彈的發(fā)射藥。

2.3 發(fā)射藥類型選擇的其他要求

裝藥設計中,選擇發(fā)射藥的類型是相當重要的,棄去不具有基本條件的發(fā)射藥品種,可以減少安全事故的發(fā)生。

1) 所選發(fā)射藥應具有足夠的強度,能承受使用和勤務處理時可能出現的各種力的作用,在燃燒過程中保持藥體不變形,不變脆。

2) 以身管壽命和彈丸初速為依據,選取燃溫和能量相當的發(fā)射藥。屬于低燃溫、能量較低的發(fā)射藥有單基藥和含降溫物質的雙基藥,其燃溫可控制在2600K～2800K,火藥力為941KJ/Kg～1029KJ/Kg;三基藥和高氮單基藥則屬于中等能量范圍的發(fā)射藥,火藥力約為1029KJ/Kg～1127KJ/Kg,燃溫2800K～3200K;雙基藥、混合酯發(fā)射藥屬于高能發(fā)射藥,其火藥力范圍為1127KJ/Kg～1176KJ/Kg[8]。水下內彈道膛壓一般較空氣中高,膛壓過高會對身管造成嚴重損壞,所以水下超空泡射彈武器一般選用低燃溫、能量較低的發(fā)射藥。

3) 發(fā)射藥的藥型能夠改變燃燒面,針對燃燒過程中,燃燒面積隨時間的變化規(guī)律可將燃燒過程分為減面(燃燒面積不斷減小)、等面(燃燒面積基本不變)及增面(燃燒面積逐漸增大)燃燒。帶狀、片狀、球狀、環(huán)狀等藥型在燃燒過程中一般是減面的,管狀藥型是接近于等面燃燒的,多孔粒狀藥型是增面的。對于減面性發(fā)射藥來說,在燃燒的初期階段會釋放大量的氣體,使膛壓迅速上升,產生較高的壓力[9],因此,水下內彈道一般選用等面或增面燃燒發(fā)射藥,可以避免能量釋放過快、膛壓過高對身管造成損傷。

3 裝藥設計試驗研究

在裝藥量相同的前提下,選用仿真分析中的兩種不同類型的發(fā)射藥進行水下射彈試驗。

3.1 試驗結果

所用儀器設備包括:12.7mm某型號水下射彈發(fā)射裝置、水下靶道倉及鋼板靶、高速攝影機、勵磁線圈靶[10]及應變式傳感器[11],試驗數據如表3所示。

表3 試驗數據表

在水下環(huán)境中采用5/7石發(fā)射藥進行試驗時,射彈在水下形成穩(wěn)定的超空泡如圖4所示。

圖4 5/7石試驗超空泡照片

在空氣中采用5/7高樟發(fā)射藥進行試驗時,出現炸膛現象如圖5所示,由于水下發(fā)射裝置的膛壓要高于空氣中膛壓,所以進行相應的水下測試時也會出現炸膛現象。

3.2 試驗結論

1) 試驗測試中出現的穩(wěn)定水下射彈超空泡、炸膛等現象及膛壓、彈丸速度測試結果均與仿真結果一致性好,驗證了模型和仿真計算的正確性;

圖5 5/7高樟試驗炸膛現象

2) 對于燃速慢的發(fā)射藥(單基藥),試驗得到的最大膛壓和彈丸速度均比較合理,表明燃速慢的發(fā)射藥適合作為水下彈丸發(fā)射藥使用;

3) 對于燃速較快的發(fā)射藥(雙基藥),試驗膛壓過大,出現炸膛現象,表明燃速快的發(fā)射藥不適合作為水下彈丸發(fā)射藥使用。

4 結語

在進行小口徑水下武器裝藥時,裝藥量不宜過大,選擇緩燃藥可以降低最大膛壓,有利于持續(xù)對彈頭施加推力,保證彈頭在膛內運動的平穩(wěn)和足夠的出膛動能,滿足超空泡水下發(fā)射自動武器的內彈道要求和戰(zhàn)術技術指標要求。

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Simulation and Experimental Study on the Charge Characteristics of Underwater Interior Ballistics

ZHOU Yongsheng1HOU Jian1KE Xuewei2

According to the interior ballistic model, the change rules of the chamber pressure and the muzzle velocity of projectile which in the conditions of different varying sizes and different types of the propellant are analyzed by the simulation calculation in this paper. The firing experiment are carried out in different types of the propellant. The comparison of the simulation results and the experimental results show that the charge of small caliber underwater gun should be selected in the single-base powder which is low burning temperature, low burning rate and neutral burning, in addition, the appropriate charge of the propellant should be determined to reduce the maximum chamber pressure and improve the life of the body tube.

underwater interior trajectory, charge characteristics, simulation and experiments

2016年6月6日,

2016年7月29日

周永升,男,碩士,研究方向:兵器發(fā)射與動力推進技術。侯健,男,博士后,教授,研究方向:艦炮武器總體設計。可學為,男,博士,助理工程師,研究方向:艦炮設計理論與整體技術。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.038