模擬炮射試驗(yàn)氣密性與過載量關(guān)系分析

曹塬，羅建華，何予涵

（西安北方光電科技防務(wù)有限公司，西安 710043）

引言

從1949年至今，我國武器裝備經(jīng)歷了從引進(jìn)、仿制到自主研發(fā)的過程，時(shí)至今日在武器裝備性能上取得了顯著的成就。在解決了從無到有的問題后，可靠性成為我國武器裝備發(fā)展急需解決的問題。在各類針對(duì)武器裝備的環(huán)境試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)中，我國也經(jīng)歷了從技術(shù)引進(jìn)到自主研發(fā)的過程，當(dāng)前面臨著提高試驗(yàn)精準(zhǔn)度、減少試驗(yàn)故障、保障試驗(yàn)質(zhì)量的難題與瓶頸。

近年來末制導(dǎo)炮彈產(chǎn)品百花齊放，炮射武器裝備的力學(xué)強(qiáng)度抗沖擊性長期以來是研發(fā)、生產(chǎn)過程中的難點(diǎn)，也是考核產(chǎn)品各項(xiàng)性能中的重點(diǎn)。在炮射試驗(yàn)中，發(fā)射藥量、環(huán)境溫濕度、筒壁溫度等均是影響試驗(yàn)過載的重要因素，如何在高過載下保證試驗(yàn)過載的精準(zhǔn)度，排除模擬炮射試驗(yàn)中不穩(wěn)定因素，是模擬炮射武器試驗(yàn)設(shè)備使用與維護(hù)的重點(diǎn)。

1 模擬炮射試驗(yàn)簡介

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

用模擬末制導(dǎo)炮彈發(fā)射瞬間，驗(yàn)證被試品各零部件與整體抗高過載能力。通過試驗(yàn)檢查被試品外觀與物理結(jié)構(gòu)變化，測試被試品性能，并分解被試品，檢測各零部件抗沖擊能力，以此判斷其整體與部件的抗高過載性能、安全性、可靠性等是否滿足產(chǎn)品的要求。

1.2 模擬試驗(yàn)原理

在模擬炮射裝置內(nèi)，用專用固定工裝，將被試品固定于試驗(yàn)艙內(nèi)，通過調(diào)整發(fā)射藥量和燃燒室體積以控制過載大小，并以試驗(yàn)后銅柱的潰縮量經(jīng)公式計(jì)算獲取所需的過載加速度值，以此模擬末制導(dǎo)炮彈的實(shí)彈發(fā)射瞬間，如圖1所示。

1.3 試驗(yàn)臺(tái)工作過程

將加速部件5（見圖1）靠向模擬炮膛1并用螺母與其固定，裝有被試品的試驗(yàn)艙2位于試驗(yàn)臺(tái)加速室內(nèi)，發(fā)射藥筒3裝入試驗(yàn)臺(tái)裝藥室內(nèi)并緊貼試驗(yàn)艙2底部的鋁柱，關(guān)閉閂體，試驗(yàn)臺(tái)管子內(nèi)腔充滿壓縮空氣，其壓力值達(dá)（1.7±0.15）MPa。

圖1 模擬炮射試驗(yàn)臺(tái)

當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)控制柜電路給發(fā)射藥筒尾部電點(diǎn)火器提供電壓時(shí)，發(fā)射藥被引燃，在燃燒形成的氣體壓力作用下，試驗(yàn)艙加速，加速度作用在被試品上。

當(dāng)試驗(yàn)艙運(yùn)動(dòng)經(jīng)過排氣窗口時(shí)，發(fā)射藥筒燃?xì)馀湃氪髿庵校a(chǎn)品試驗(yàn)艙行進(jìn)到模擬炮膛內(nèi)，空氣被壓縮、產(chǎn)生制動(dòng)。被試驗(yàn)艙壓縮的空氣，從模擬炮膛經(jīng)連接孔進(jìn)入側(cè)管，再從側(cè)管進(jìn)入試驗(yàn)艙后面的空間。

試驗(yàn)艙被制動(dòng)停下，并在壓縮空氣的作用下開始反向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)壓縮其后面的空氣并將其經(jīng)孔、側(cè)管排入模擬炮膛前部。在試驗(yàn)艙反向運(yùn)動(dòng)停止后，在其后面的壓縮空氣作用下，重新向前運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)艙在模擬炮膛內(nèi)可能要往復(fù)運(yùn)動(dòng)幾次，才可完全停頓下來。

至此，試驗(yàn)臺(tái)工作結(jié)束。從試驗(yàn)臺(tái)上取出試驗(yàn)艙，并從試驗(yàn)艙中取出被試品，進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析。

1.4 過載加速度測量方法

1.4.1 膛壓法

被試品應(yīng)在模擬炮射試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)與實(shí)際火炮內(nèi)所受直線慣性力相等，膛壓與時(shí)間的曲線相似，公式、曲線（圖2）如下[1]：

圖2 模擬炮射試驗(yàn)臺(tái)發(fā)射時(shí)（P-t）曲線

式中：

F1—火炮發(fā)射時(shí)被試品所受力的數(shù)值，單位為牛頓（N）；

F2—模擬炮射試驗(yàn)設(shè)備發(fā)射時(shí)被試品所受力的數(shù)值，單位為牛頓（N）；

P1—火炮發(fā)射時(shí)膛壓數(shù)值，單位為兆帕（MPa）；

P2—模擬炮射試驗(yàn)設(shè)備發(fā)射時(shí)膛壓數(shù)值，單位為兆帕（MPa）；

CK—膛內(nèi)模擬系數(shù)；

G1—實(shí)際炮彈重量數(shù)值，單位為千克（kg）；

G2—試驗(yàn)艙（包含被試品）重量數(shù)值，單位為千克（kg）；

D1—實(shí)際炮彈直徑數(shù)值，單位為毫米（mm）；

D2—試驗(yàn)艙直徑數(shù)值，單位為毫米（mm）。

膛壓法的基本原理是牛頓第二定律F=ma，因此可知：

式中：

a—加速部件的加速度；

P—加速部件所受壓強(qiáng)；

m—加速部件質(zhì)量；

S—加速部件截面積。

1.4.2 測壓銅柱測量法

模擬炮射試驗(yàn)過載值的測量與計(jì)算，是由試驗(yàn)艙底座的測壓銅柱，利用金屬受力產(chǎn)生塑性形變的特性，通過測量測壓銅柱的變形量，經(jīng)計(jì)算確定其受到的作用力，從而得出過載值的一種物理測量方法，如圖3所示。

圖3 測壓銅柱測量法原理示意圖

試驗(yàn)時(shí)，將測量裝置與試件鋼性連接到試驗(yàn)艙的運(yùn)動(dòng)體上，當(dāng)氣體或發(fā)射藥作用產(chǎn)生瞬間強(qiáng)沖擊，慣性體由于慣性不會(huì)立即隨導(dǎo)向安裝裝置向前移動(dòng)，而是相對(duì)導(dǎo)向安裝裝置在慣性體運(yùn)動(dòng)腔內(nèi)反向移動(dòng)，壓縮測壓銅柱，使測壓銅柱產(chǎn)生塑性變形。測量裝置與試件鋼性連接，可以認(rèn)為測得測量裝置所受到得過載即為試件得過載。其過載值計(jì)算公式如下：

式中：

A—加速度；

P—測壓銅柱對(duì)照表數(shù)據(jù)（測壓銅柱生產(chǎn)廠家提供的對(duì)照表）；

S—銅柱受力面積；

Dd—銅柱重量；

Ddp—慣性體重量。

2 影響試驗(yàn)過載因素

在試驗(yàn)過程中，影響過載值的因素，主要與發(fā)射藥、試驗(yàn)臺(tái)各部件物理結(jié)構(gòu)有關(guān)。其中發(fā)射藥的溫度、濕度是影響其燃燒產(chǎn)生助推能量大小的主要因素。試驗(yàn)艙與模擬炮膛間隙、燃燒室的大小，是影響最終過載值的關(guān)鍵因素。

2.1 發(fā)射藥溫度

在模擬末制導(dǎo)炮彈炮射試驗(yàn)中，影響試驗(yàn)過載的最主要因素是對(duì)發(fā)射藥的溫度、濕度控制。關(guān)于溫度對(duì)發(fā)射藥化學(xué)反應(yīng)速率的影響，常用阿累尼烏斯公式表示：

式中：

k—表示反應(yīng)速率的反應(yīng)速率常數(shù)。

由公式（7）可知，溫度越高，發(fā)射藥反應(yīng)速率越快，在其他試驗(yàn)條件不變的情況下，試驗(yàn)過載越大。

2.2 發(fā)射藥濕度

發(fā)射藥在某一特定溫度下，絕對(duì)濕度在由小增大的過程中，反應(yīng)速率呈由慢至快、再由快至慢的過程，直至無法燃燒。發(fā)射藥的絕對(duì)濕度大小與發(fā)射藥反應(yīng)速率成不規(guī)律關(guān)系[2]。

2.3 發(fā)射藥燃燒室大小

發(fā)射藥筒與試驗(yàn)艙底座之間的燃燒室，其空間體積越大，燃燒后產(chǎn)生的壓強(qiáng)則越小，若空間體積越小，則燃燒后產(chǎn)生的壓強(qiáng)越大。

2.4 試驗(yàn)艙與模擬炮膛間隙

發(fā)射藥引燃后產(chǎn)生的助推能量會(huì)因試驗(yàn)艙與模擬炮膛的間隙而部分損失，在試驗(yàn)過程中，間隙會(huì)因試驗(yàn)艙與模擬炮膛的反復(fù)摩擦而逐漸增大，助推能量損失的程度，取決于間隙的大小。

3 實(shí)際試驗(yàn)控制

對(duì)于發(fā)射藥溫度、濕度的控制，可以使用專用恒溫恒濕箱，從而保證試驗(yàn)所需過載。關(guān)于燃燒室空間體積的大小，由于發(fā)射藥筒緊貼試驗(yàn)艙底座凸起的鋁柱，則其空間體積大小可以通過調(diào)整試驗(yàn)艙底座鋁柱的長短來控制。但試驗(yàn)艙與模擬炮膛的間隙變化，則相對(duì)難以把控。

4 密封間隙與過載關(guān)系分析

在模擬末制導(dǎo)炮彈炮射過程中，試驗(yàn)艙在發(fā)射與退回時(shí)與模擬炮膛會(huì)進(jìn)行反復(fù)摩擦，產(chǎn)生磨損，使二者間隙增大。其中，試驗(yàn)艙所用鋼材質(zhì)為30GrMnSi，模擬炮膛鋼材質(zhì)為某特殊鋼材，在兩種材質(zhì)鋼摩擦過程中，模擬炮膛磨損可忽略不計(jì)，其二者密封間隙的增大，主要為試驗(yàn)艙的30GrMnSi材質(zhì)磨損。我們以正向加速度（10 000±500）g為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，在相同的配重（3 kg）、發(fā)射藥溫度（25.5 ℃）、發(fā)射藥濕度（37 %）條件下分別用3枚同型號(hào)不同使用程度的試驗(yàn)艙， 通過調(diào)整發(fā)射藥量進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)過載值計(jì)算公式得到所需對(duì)比的過載。

第一組數(shù)據(jù)，取某型號(hào)（1#）新試驗(yàn)艙A，其外徑為生產(chǎn)圖紙尺寸2 103.81 mm，模擬炮膛內(nèi)徑為2 104.21 mm，A艙外徑與模擬炮膛內(nèi)徑間隙（圖1，6號(hào)位）為0.40 mm。以470 g發(fā)射藥進(jìn)行4次試驗(yàn)，并根據(jù)公式算出試驗(yàn)過載值，得到表1數(shù)據(jù)。其中正向加速度4發(fā)平均值為9 998.50 g，反向加速度平均值為369.50 g。

表1 試驗(yàn)艙A試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)

第二組數(shù)據(jù)，取同型號(hào)（1#）已發(fā)射500次試驗(yàn)艙B，其外徑尺寸因試驗(yàn)過程磨損減小為2 103.68 mm，模擬炮膛內(nèi)徑為2 104.21 mm，B艙外徑與模擬炮膛內(nèi)徑間隙為0.53 mm。以470 g發(fā)射藥進(jìn)行4次試驗(yàn)，得到表2中序號(hào)B1-B4數(shù)據(jù)，正向加速度平均值為9 162.75 g，反向加速度平均值為319.50 g。

將發(fā)射藥增加5 g至475 g進(jìn)行4次試驗(yàn)，得到表2中序號(hào)B5-B8數(shù)據(jù)。正向加速度平均值為9 941.50 g ，反向加速度平均值為388.75 g。

表2 試驗(yàn)艙B試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)

第三組數(shù)據(jù)，取同型號(hào)（1#）已發(fā)射2 000次試驗(yàn)艙C，外徑尺寸為2 103.34 mm，模擬炮膛內(nèi)徑為2 104.21 mm，C艙外徑與模擬炮膛內(nèi)徑間隙為0.87 mm。以470 g發(fā)射藥進(jìn)行4次試驗(yàn)，得到表3中序號(hào)C1-C4數(shù)據(jù)，正向加速度平均值為8 192.25 g，反向加速度平均值為286.00 g。

將發(fā)射藥由470 g逐次遞增5 g至490 g，進(jìn)行4次試驗(yàn)，得到表3中序號(hào)C5-C8數(shù)據(jù)。正向加速度平均值為8 400.25 g，反向加速度平均值為324.50 g。

表3 試驗(yàn)艙C試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)

根據(jù)三組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)在470 g發(fā)射藥條件下，A、B、C三個(gè)試驗(yàn)艙分別得到平均正向加速度A：9 998.50 g、B：9 162.75 g、C：8 192.25 g。由于磨損程度不同，試驗(yàn)艙外徑與炮膛內(nèi)徑的間隙逐漸增大，密封性能逐漸減小，導(dǎo)致發(fā)射藥引燃后加速度因二者間隙增大導(dǎo)致?lián)p失程度逐漸增大，影響所需試驗(yàn)結(jié)果，如圖4所示。

對(duì)比表1與表2（B5-B8）數(shù)據(jù)，得到A、B試驗(yàn)艙平均正向加速度分別為A：9 998.50 g、B：9 941.50 g。我們發(fā)現(xiàn)通過增加發(fā)射藥量，可以彌補(bǔ)因試驗(yàn)艙與模擬炮膛間隙增大而導(dǎo)致的能量損失增大，從而得到目標(biāo)加速度值。

對(duì)比表3中C1-C4與C5-C8數(shù)據(jù)，在發(fā)射藥量為470 g時(shí)，平均正向加速度為8 192.25 g。通過逐步增加發(fā)射藥量后，雖然試驗(yàn)加速度值有所增加，C5-C8平均正向加速度8 400.25 g，但最大值只有8 493 g，出于安全考慮無法增加更多發(fā)射藥量，并且對(duì)比C5、C6和C7、C8數(shù)據(jù)，加速度值并沒有因發(fā)射藥量增加而增大，試驗(yàn)艙與模擬炮膛間隙增大而導(dǎo)致的能量損失，在到達(dá)一定程度后，無法通過增加發(fā)射藥量來解決過載過小問題。

4 總結(jié)

本文通過三組不同條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，分析了模擬末制導(dǎo)炮彈炮射試驗(yàn)中，因試驗(yàn)艙磨損而導(dǎo)致加速度值減小的情況，并對(duì)解決方法進(jìn)行了分析。

通過數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)射藥引燃后提供的助推能量，會(huì)因試驗(yàn)艙與模擬炮膛的間隙而發(fā)生能量損失，間隙的大小在一定范圍內(nèi)，能量損失可通過增加發(fā)射藥量的方法來解決，并得到所需目標(biāo)過載值。但間隙過大時(shí)，在安全范圍內(nèi)增加發(fā)射藥量已無法彌補(bǔ)過大的能量損失，且過載并不會(huì)因增加發(fā)射藥量而繼續(xù)增大，此時(shí)只能通過制作新試驗(yàn)艙，或更換新試驗(yàn)艙底座來解決間隙過大問題。

在模擬炮射試驗(yàn)工作中，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)有備用試驗(yàn)艙與備用試驗(yàn)艙底座，以確保試驗(yàn)準(zhǔn)確率與試驗(yàn)進(jìn)度。本文可為同類試驗(yàn)的故障分析與解決方案提供參考依據(jù)。