基于后坐距離要求的迫榴炮水彈試驗(yàn)裝水質(zhì)量設(shè)計(jì)研究

傅建平,王　蕊,張晶晶,竇　晨

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，山西 晉中　030800；2.軍械工程學(xué)院 火炮工程系，河北 石家莊　050003)

火炮大修與中修后都要進(jìn)行水彈試驗(yàn)，以動(dòng)態(tài)射擊方式綜合檢驗(yàn)火炮的修后質(zhì)量[1]。相對(duì)火炮發(fā)射固體彈丸射擊試驗(yàn)等其他射擊試驗(yàn)[2-4]，火炮水彈試驗(yàn)對(duì)靶場(chǎng)要求低、周期短、成本低、安全性好、便于實(shí)施，故修理單位廣泛采用水彈試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)火炮修后質(zhì)量[5]。目前，老裝備已形成較為成熟的水彈試驗(yàn)方法，但傳統(tǒng)水彈試驗(yàn)大多基于試驗(yàn)工程實(shí)踐，對(duì)水彈試驗(yàn)理論研究較少，工程實(shí)踐法費(fèi)用高、周期長(zhǎng)、盲目性大、安全性和通用性較差，迫切需要水彈試驗(yàn)理論指導(dǎo)水彈試驗(yàn)。在水彈試驗(yàn)中裝水質(zhì)量的確定是順利開(kāi)展水彈試驗(yàn)的前提。傅建平等[6]基于火炮水彈試驗(yàn)與實(shí)彈射擊時(shí)炮膛合力沖量相等原則為內(nèi)彈道性能相同的同類(lèi)火炮提供了一種裝水質(zhì)量確定方法,從火炮動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的角度出發(fā)，以炮膛合力沖量為切入點(diǎn)來(lái)選取合適裝水量。

與其他火炮相比，迫榴炮功能強(qiáng)、彈藥種類(lèi)多，可完成多種射擊任務(wù)。但該火炮結(jié)構(gòu)的特殊性和彈藥種類(lèi)的多樣性給該炮水彈試驗(yàn)帶來(lái)較多困難，迫切需要進(jìn)行新型迫榴炮修后水彈試驗(yàn)方法研究，為該火炮修后水彈試驗(yàn)方案提供理論支撐。由于火炮后坐距離是考核火炮水彈試驗(yàn)的核心指標(biāo)，因此，筆者基于新型迫榴炮炮膛及其彈藥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從火炮試驗(yàn)后坐距離要求出發(fā)，研究了該炮水彈試驗(yàn)時(shí)的水彈結(jié)構(gòu)與裝水質(zhì)量等試驗(yàn)方法，為部隊(duì)修理機(jī)構(gòu)開(kāi)展水彈試驗(yàn)提供科學(xué)依據(jù)。

1　迫榴炮水彈試驗(yàn)方法原理

迫榴炮兼具迫擊炮和榴彈炮的彈道性能，能夠發(fā)射殺爆迫彈、殺傷爆破彈和子母彈等多種彈藥(簡(jiǎn)稱(chēng)迫彈、榴彈和子母彈)。3種彈的結(jié)構(gòu)與發(fā)射特點(diǎn)具有很多特殊性，對(duì)比它們與水彈的特點(diǎn)與試驗(yàn)費(fèi)用，如表1所示。

表1　3種彈藥與水彈的結(jié)構(gòu)對(duì)比

火炮水彈試驗(yàn)實(shí)質(zhì)上是模擬火炮在最苛刻作用力情況下機(jī)構(gòu)動(dòng)作情況，迫榴炮發(fā)射的普通彈丸(除火箭增程彈外)中，榴彈射程最遠(yuǎn)，其膛壓較大，彈重最重，同時(shí)試驗(yàn)成本低，故該迫榴炮水彈試驗(yàn)?zāi)M實(shí)彈射擊的彈種為榴彈。

基于迫榴炮結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合火炮水彈試驗(yàn)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，該迫榴炮的水彈試驗(yàn)原理如圖1所示，試驗(yàn)系統(tǒng)包括被試迫榴炮、水彈(木塞與水)和試驗(yàn)裝藥(裝藥尾架、全裝藥、導(dǎo)向環(huán))3部分。

如圖2所示，在裝藥尾架前部旋有導(dǎo)向環(huán)，以不改變火炮水彈試驗(yàn)的藥室容積、裝填密度，導(dǎo)向環(huán)還用來(lái)支撐裝藥尾架，防止藥包在進(jìn)入藥室時(shí)與藥室壁摩擦造成磨損。木塞材質(zhì)應(yīng)具有良好的彈性，以密閉前部液體，防止裝藥受潮；足夠的強(qiáng)度，以承受火炮發(fā)射時(shí)的高膛壓；較高的硬度和韌性，確保膛內(nèi)較好的耐磨性，并不易開(kāi)裂。木塞的形狀應(yīng)與火炮坡膛形狀相近，由圓錐段與圓柱段組成。

水彈試驗(yàn)時(shí)，裝藥尾架上的藥包急速燃燒產(chǎn)生高溫高壓的氣體，致使導(dǎo)向環(huán)前后端面壓力不同，尾架前端螺紋被剪斷，導(dǎo)向環(huán)、木塞和水柱共同高速飛離炮口，裝藥尾架則被炮閂抽出膛外；同時(shí)高溫高壓的氣體作用在火炮后坐部分，使火炮作后坐運(yùn)動(dòng)。通過(guò)調(diào)整水彈試驗(yàn)裝水質(zhì)量，使火炮后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律與其實(shí)彈射擊時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相似，并且火炮最大后坐位移滿(mǎn)足規(guī)定要求。

2　迫榴炮水彈試驗(yàn)裝水質(zhì)量設(shè)計(jì)

由迫榴炮水彈試驗(yàn)原理可知，該炮水彈試驗(yàn)后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律與其實(shí)彈射擊時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相似，并且火炮后坐距離滿(mǎn)足規(guī)定要求。為此，需求解試驗(yàn)火炮正常后坐位移范圍對(duì)應(yīng)的裝水質(zhì)量。

2.1　迫榴炮水彈試驗(yàn)后坐距離計(jì)算模型

如圖3所示，火炮后坐過(guò)程中，以火炮后坐部分為研究對(duì)象，分析其受力情況?；鹋谒畯椩囼?yàn)時(shí)，火炮后坐部分在炮膛合力Fpt、后坐部分重力mhg和后坐阻力FR作用下作后坐運(yùn)動(dòng)[7]。圖3中，F(xiàn)φh為制退機(jī)液壓阻力；Ff為復(fù)進(jìn)機(jī)力；F為反后坐裝置的摩擦力；FT為搖架導(dǎo)軌上的摩擦力；α為火炮射角。

為了建模與計(jì)算方便，在火炮后坐過(guò)程中，作以下假設(shè)：

1)火炮和地面為絕對(duì)剛體。

2)火炮處于堅(jiān)硬的水平地面進(jìn)行射擊試驗(yàn)，忽略彈丸回轉(zhuǎn)力矩的影響，并認(rèn)為所有的力作用在射面內(nèi)。

3)射擊時(shí)全炮處于平衡狀態(tài)。

基于假設(shè)，根據(jù)火炮射擊動(dòng)力學(xué)理論，可建立火炮后坐運(yùn)動(dòng)模型如下[6]：

(1)

式中：mh為后坐部分的質(zhì)量；vh為后坐速度；t為時(shí)間；Af為復(fù)進(jìn)機(jī)活塞工作面積；pf復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)氣體的某瞬時(shí)壓力；W為復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)氣體某瞬時(shí)體積；W0為復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)氣體初始體積；k為絕熱系數(shù)。

膛內(nèi)氣體平均壓力p可由火炮水彈試驗(yàn)內(nèi)彈道方程組求得[8]：

(2)

2.2　迫榴炮水彈試驗(yàn)裝水質(zhì)量計(jì)算方法

從建立的火炮后坐距離計(jì)算模型可以看出，火炮水彈試驗(yàn)時(shí)裝水質(zhì)量與火炮后坐距離存在著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系?；鹋谒畯椩囼?yàn)正常后坐距離范圍為

x∈[xa,xb]

(3)

式中：x為火炮后坐位移，與水彈試驗(yàn)的環(huán)境溫度和火炮射角有關(guān)；xa為火炮正常后坐距離的下限，通常在水彈試驗(yàn)低溫、小射角試驗(yàn)條件下得到；xb為火炮正常后坐距離的上限，通常在水彈試驗(yàn)高溫、大射角試驗(yàn)條件下得到。

此時(shí)，火炮正常后坐距離范圍對(duì)應(yīng)的裝水質(zhì)量范圍為

m∈[ma,mb]

(4)

式中：m為裝水量；ma為該炮后坐位移下限對(duì)應(yīng)的裝水質(zhì)量，即裝水質(zhì)量下限；mb為該炮最大后坐位移對(duì)應(yīng)的裝水質(zhì)量，即裝水質(zhì)量上限。

由于火炮水彈試驗(yàn)時(shí)裝水質(zhì)量與火炮后坐距離之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系高度非線性，難以直接解算火炮在一定后坐距離時(shí)對(duì)應(yīng)的裝水質(zhì)量。

果蠅優(yōu)化算法是通過(guò)觀察果蠅覓食行為而演化出來(lái)的一種新的群智能優(yōu)化算法[9]。果蠅優(yōu)化算法與遺傳算法等其他優(yōu)化算法比較，具有編程簡(jiǎn)單，參數(shù)少，計(jì)算量小，全局尋優(yōu)能力強(qiáng)，收斂速度快等優(yōu)點(diǎn)[10]，故本文采用果蠅優(yōu)化算法求取火炮某一后坐距離對(duì)應(yīng)的裝水質(zhì)量。

果蠅優(yōu)化算法求解裝水質(zhì)量的方法步驟為：

1)初始化果蠅的群體飛行位置：Xaxis,Yaxis。

2)給出每個(gè)果蠅搜尋目標(biāo)的隨機(jī)方向和距離Xi,Yi：

Xi=Xaxis+XRandom_value

Yi=Yaxis+YRandom_value

(5)

3)由于目標(biāo)的位置是未知的，所以首先確定果蠅當(dāng)前的位置Di，然后計(jì)算氣味濃度的判斷值Si(即裝水質(zhì)量m)；

(6)

將Si代入火炮后坐運(yùn)動(dòng)模型中可得火炮水彈試驗(yàn)后坐位移xi；在氣味濃度判斷值Si中引入氣味濃度判斷函數(shù)，即每個(gè)果蠅的味道濃度CSmell，i：

CSmell，i=|xa-xi|

(7)

4)在果蠅群中找出氣味濃度最小的果蠅：

[bestSmell,bestindex]=min(CSmell，i)

(8)

5)保留最佳的氣味濃度值及Xaxis，Yaxis的坐標(biāo)位置。果蠅群體將利用視覺(jué)飛到這一位置：

Xaxis=X(bestindex)Yaxis=Y(bestindex)

(9)

6)迭代優(yōu)化，重復(fù)步驟2)～4)，然后判斷氣味濃度是否優(yōu)于上一代的迭代濃度，若是，則執(zhí)行第5步。

7)迭代控制條件：迭代總數(shù)和迭代精度要求，當(dāng)?shù)螖?shù)或迭代精度滿(mǎn)足規(guī)定要求，退出程序，并記錄此時(shí)的后坐距離x和對(duì)應(yīng)的裝水質(zhì)量m。

2.3　裝水質(zhì)量計(jì)算結(jié)果

迫榴炮的正常后坐距離范圍為x∈[350,360]。

由該火炮后坐位移下限xa=350 mm，基于上述計(jì)算模型，設(shè)最大迭代終止次數(shù)max_gen=50，種群規(guī)模size_pop=50；迭代精度ε=|xa-xi|≤0.1 mm，應(yīng)用MATLAB軟件編程計(jì)算該后坐位移對(duì)應(yīng)的裝水質(zhì)量。氣味濃度、后坐距離下限和裝水質(zhì)量下限隨迭代次數(shù)的變化規(guī)律如圖4～6所示。

從圖4可以看出氣味濃度在迭代到37次時(shí)就開(kāi)始收斂，從而說(shuō)明通過(guò)果蠅優(yōu)化算法可以快速找到目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解。此時(shí)后坐距離為x=349.82 mm，對(duì)應(yīng)的裝水質(zhì)量m=10.14 kg。

同理求取該火炮后坐距離上限xb=360 mm對(duì)應(yīng)的裝水質(zhì)量m=16.11 kg，對(duì)應(yīng)的后坐距離為x=359.24 mm。

綜上所求，該火炮水彈試驗(yàn)時(shí)的裝水質(zhì)量范圍為[10.14 kg,16.11 kg] 。

為滿(mǎn)足水彈試驗(yàn)的復(fù)雜試驗(yàn)環(huán)境條件與安全性要求，兼顧水彈試驗(yàn)的可行性，火炮水彈試驗(yàn)裝水質(zhì)量通常取其裝水質(zhì)量范圍的平均值，即13.13 kg。

某修理工廠曾在該迫榴炮水彈試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)不斷改變裝水量，并進(jìn)行大量試驗(yàn)后摸索得到裝水質(zhì)量為13 kg，后坐距離與后坐復(fù)進(jìn)時(shí)間(秒表測(cè)量)測(cè)試結(jié)果如表2所示。通過(guò)摸索試驗(yàn)得到的裝水質(zhì)量參數(shù)與筆者提出的裝水質(zhì)量設(shè)計(jì)方法的結(jié)果相吻合，表明基于后坐距離要求的裝水質(zhì)量設(shè)計(jì)方法是可行的，結(jié)果是可信的。

表2　迫榴炮水彈試驗(yàn)結(jié)果

3　結(jié)束語(yǔ)

筆者基于迫榴炮結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和水彈試驗(yàn)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在該炮水彈試驗(yàn)機(jī)理分析基礎(chǔ)上，提出了一種基于火炮后坐距離要求的火炮水彈試驗(yàn)水彈裝水質(zhì)量設(shè)計(jì)方法，即先建立該炮水彈試驗(yàn)后坐距離計(jì)算模型，以得到不同后坐距離各自的裝水質(zhì)量，再采用果蠅優(yōu)化算法確定該炮水彈試驗(yàn)裝水質(zhì)量的范圍。計(jì)算結(jié)果與水彈試驗(yàn)結(jié)果吻合，表明筆者所提出的裝水質(zhì)量設(shè)計(jì)方法是可行的。該方法不僅能夠確定水彈試驗(yàn)裝水質(zhì)量范圍，避免傳統(tǒng)裝水質(zhì)量需經(jīng)不斷配重并反復(fù)試驗(yàn)帶來(lái)的諸多困難，而且考慮了水彈試驗(yàn)復(fù)雜的試驗(yàn)環(huán)境，安全性好，為部隊(duì)開(kāi)展水彈試驗(yàn)提供科學(xué)依據(jù)。本方法通用性好，也為其他火炮修后水彈試驗(yàn)確定裝水質(zhì)量提供了理論方法。

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