一種新型埋頭彈閉氣結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真分析

譚慶，李強，胡建波，孫云忠，蔡濤

(1.湖南國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411207；2.中北大學(xué) 軍民融合學(xué)院，山西 太原 030051；3.重慶長安工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司，重慶 401120)

一款成功的彈藥，對于提高身管壽命，確保射擊精度，縮小射彈散布起著至關(guān)重要的作用。美軍最開始提出埋頭彈藥概念的初衷是采用全可燃或半可燃藥筒，規(guī)整的炮彈外形以實現(xiàn)炮彈減重和減少炮彈體積的目的。在美軍進行了75 mm埋頭炮彈、5.56 mm埋頭槍彈的研究和試驗工作后，各國均對埋頭彈進行了大量的研究工作。

日本從20世紀(jì)末就開始了埋頭彈藥及其火炮自動機研發(fā)試制工作。藥筒前端設(shè)計為錐形，便于彈藥入膛時導(dǎo)正炮彈姿態(tài)，可能還有一定的閉氣作用。藥筒底座和藥筒中筒連接處增加了襯套，用于防止火藥氣體從連接處泄露燒蝕閉鎖裝置。傳火管上僅開有對稱的4個孔，用于點燃主發(fā)射藥。文獻[1-10]提出和采用了一種采用金屬藥筒和金屬導(dǎo)向筒的埋頭彈藥方案，彈尾為底緣結(jié)構(gòu)，用于供彈入膛時炮彈的定位。在導(dǎo)向筒四周開有規(guī)律分布的小孔，以使導(dǎo)向筒與藥筒夾層內(nèi)的主裝藥充分燃燒。文獻[11]采用57 mm高炮的炮彈及藥筒改制了一種40 mm口徑的埋頭彈藥，錐形的藥筒結(jié)構(gòu)有利于推彈和退殼動作的完成。在靠近藥筒前端的位置，定向筒上開有對稱分布的5組小孔，炮彈底端通過這些小孔時，彈尾高溫高壓火藥燃氣會從這些小孔內(nèi)進入，迅速點燃定向筒與藥筒之間的主發(fā)射藥。藥筒前端的錐面在火藥燃氣的作用下貼緊藥室內(nèi)壁，可以防止火藥燃氣從藥筒和藥室內(nèi)壁之間的間隙泄露。這種方案不能采用橫擺膛自動機機構(gòu)，炮彈外形不規(guī)整，需采用較為復(fù)雜的供彈裝置。文獻[12-13]提出和采用了一種與藥筒直徑相等的彈尾結(jié)構(gòu)，取消了彈尾底緣結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了彈體外形，有利于簡化彈鼓結(jié)構(gòu)。導(dǎo)向筒為鋼制開孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向管周圍襯有一層薄膜，當(dāng)導(dǎo)向管內(nèi)外壓力差達到一定程度時，火藥燃氣沖破薄膜，從導(dǎo)向管上的小孔進入并點燃導(dǎo)向管與藥筒之間的主裝藥。導(dǎo)向筒可更換為可燃材料，減少了藥筒的消極質(zhì)量。這兩種結(jié)構(gòu)都需要設(shè)計專門的閉氣結(jié)構(gòu)。

綜上所述，現(xiàn)有的埋頭彈方案，要么具備規(guī)整的外形，需要專門的閉氣結(jié)構(gòu)；要么自帶閉氣結(jié)構(gòu)，但外形不規(guī)整。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一款具有規(guī)整外形的自帶閉氣結(jié)構(gòu)的埋頭彈。

1 結(jié)構(gòu)原理

新型埋頭彈藥由底火、藥筒底座、襯套、藥筒中筒、中心傳火管、速燃藥1、主裝藥、可燃導(dǎo)向筒、彈丸、速燃藥2、藥筒上筒、端蓋等組成，如圖1所示。端蓋與藥筒上筒過盈連接，在儲存和運輸時起到防潮和防止磕碰的作用，在彈箱內(nèi)，炮彈端蓋在剛性導(dǎo)引的作用下從藥筒上摘除后炮彈方可入膛。藥筒中筒與藥筒底座沿縱縫焊接，為了防止火藥氣體從連接處泄露對閉鎖裝置造成破壞，在筒體內(nèi)部放入襯套，彈藥發(fā)射時襯套貼緊內(nèi)壁，阻斷火藥氣體的泄露通道。藥筒上筒和藥筒中筒通過螺紋連接在一起，在藥筒上筒和藥筒中筒之間的空隙內(nèi)填塞有速燃藥。導(dǎo)向筒為可燃材料，導(dǎo)向管為外周包覆有薄膜的開孔結(jié)構(gòu)，彈丸通過導(dǎo)向筒和藥筒上筒上的20個沿彈軸對稱分布的小孔時，破膜開孔，火藥燃氣點燃速燃藥2。

中心傳火管被點燃后推動彈丸沿可燃導(dǎo)向筒向前運動，彈丸被中心傳火管和主裝藥產(chǎn)生的火藥燃氣推送至膛線起始部時，火藥燃氣沿可燃導(dǎo)向筒和導(dǎo)向管套上均布的20個“燃氣導(dǎo)孔”進入藥筒和導(dǎo)向管套形成的Ⅰ腔內(nèi)，產(chǎn)生巨大壓力，使藥筒的外壁貼緊身管內(nèi)壁，完成閉氣動作。針對藥筒可能出現(xiàn)不能完全膨脹嚴密貼緊身管內(nèi)壁的情形，在身管端面上增加環(huán)形槽結(jié)構(gòu)，如圖2所示，部分火藥燃氣進入藥筒和身管形成的Ⅱ腔內(nèi)，沿著身管和旋轉(zhuǎn)藥室的間隙泄露，當(dāng)進入身管和旋轉(zhuǎn)藥室形成的Ⅲ腔和Ⅳ腔時，氣體膨脹并形成渦流，達到減緩氣體外泄的目的。

2 閉氣系統(tǒng)閉氣效果評估

埋頭彈火炮發(fā)射過程中，若密封不嚴實，火藥燃氣從旋轉(zhuǎn)藥室和身管之間的間隙泄漏，會造成火炮內(nèi)彈道一致性差異，影響射擊精度。對于非全封閉的炮塔，火藥燃氣的泄露還會危及乘員的安全。為了確保發(fā)射過程的安全性和可靠性，需要對閉氣系統(tǒng)的閉氣效果進行評估。

筆者述及的埋頭彈火炮自動機在發(fā)射過程中的流體域如圖2所示。中心傳火管內(nèi)的速燃藥被底火點燃之后推動彈丸沿身管軸線方向運動，火藥燃氣點燃炮彈中的速燃藥3，使火藥燃氣迅速充滿Ⅰ腔，Ⅰ腔內(nèi)的火藥燃氣壓力使藥筒前端外周錐面進一步緊貼身管內(nèi)表面。在彈尾壓力未達到彈丸擠進啟動壓力40 MPa前，彈丸上的彈帶將Ⅰ腔與Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ腔隔離開。當(dāng)彈帶擠入膛線并沿膛運動時，若藥筒前端外周錐面未緊貼身管或貼緊不嚴實，火藥燃氣就會進入Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ腔，將Ⅰ腔與Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ腔聯(lián)通。參照常規(guī)制式藥筒的情況，藥筒外壁與旋轉(zhuǎn)藥室內(nèi)膛形成的環(huán)形間隙，在點火后會迅速因壓力使藥筒產(chǎn)生變形而將其填充，在仿真計算時可視情況將該區(qū)域的長度縮短；或假定該區(qū)域藥筒與藥室貼合緊密，無氣體泄漏。

進行閉氣效果評估時要做的工作分兩個部分：第一部分工作是確認在彈尾壓力未達到彈丸擠進啟動壓力時，Ⅰ腔內(nèi)的氣體壓力能否使藥筒前端外周錐面產(chǎn)生足夠大的變形以貼緊身管內(nèi)表面；第二部分工作是分析藥筒與身管未能緊密貼合情況下氣體泄漏量的計算和評估。

2.1 藥筒有限元分析

不考慮搬運過程中可能存在的磕碰引起的藥筒變形，藥筒加工時不可避免的會存在加工和裝配誤差，如長度尺寸誤差、圓度誤差、同軸度誤差和粗糙度誤差等均會對此過程產(chǎn)生較大影響。在這些影響因素中，長度尺寸誤差對閉氣性能的影響最大，現(xiàn)階段可將長度誤差控制在-0.5 mm≤Δl≤0 mm?？紤]重力的影響因素，供彈入膛后，藥室和身管縱軸線與藥筒縱軸線并不重合，藥筒外圓與藥室內(nèi)膛之間的間隙h可以控制在最大0.2 mm(在藥筒頂部)，最小0 mm(在藥筒底部)；在藥筒長度取下公差時，藥筒前端錐面與身管內(nèi)壁的間隙最大為0.202 mm，最小為0.006 mm，如圖3所示。

如圖4所示，為減少計算量，選取身管的一段，旋轉(zhuǎn)藥室上去除與本分析關(guān)聯(lián)不大的結(jié)構(gòu)，將藥室簡化為壁厚為其最小壁厚的厚壁圓筒。建立簡化后的藥筒、身管和藥室仿真1/2模型。身管和藥室材料為PCrNi3MoVA，其屈服極限大于885 MPa。藥筒材料為S15A低碳鋼，其抗張強度為366 MPa，屈服強度241 MPa，延伸率為43.8%。有限元分析采用的網(wǎng)格為C3D8R單元，單元總數(shù)75 512個。對1/2模型的剖切面施加對稱約束，對藥筒內(nèi)壁施加圖5、6所示的內(nèi)彈道規(guī)律曲線，對整個模型施加沿y軸負向的重力邊界載荷。在彈丸彈帶擠入膛線之前，藥筒前端端面未受到火藥燃氣壓力作用，0.32 ms時彈尾通過藥室和身管的間隙后火藥燃氣才開始作用于藥筒前端面和外端面。

仿真的應(yīng)力云圖如圖7所示，y向位移-時間曲線如圖8所示。0.32 ms之前，火藥燃氣平均壓力未達到40 MPa，彈丸彈帶未擠入膛線，彈丸尚未沿膛運動；0.32 ms時刻，處于藥筒正上方的結(jié)點60的y向位移為0.206 1 mm，合位移為0.206 1 mm；處于藥筒正下方的結(jié)點5747的y向位移為-0.005 4 mm，合位移為0.035 4 mm；0.32 ms時刻，藥筒前端錐面有1/2左右已經(jīng)與身管內(nèi)壁貼緊。到0.5 ms時刻，藥筒前端錐面完全與身管內(nèi)壁貼緊。當(dāng)彈丸彈帶擠入膛線后僅有少量氣體會從藥筒和身管內(nèi)壁貼合處泄露。

在火藥燃氣壓力的作用下，藥筒上方在y軸正向上產(chǎn)生了較大位移并迅速貼緊身管內(nèi)壁；藥筒下方因已經(jīng)貼緊身管內(nèi)壁，當(dāng)火藥燃氣壓力與身管對藥筒的支承力和摩擦力平衡時，所有藥筒前端外錐面均貼緊身管內(nèi)壁，完成對火藥氣體的可靠密封。

2.2 火藥燃氣流體分析

2.1.1 基本方程

彈丸通過身管和旋轉(zhuǎn)藥室間隙后的流體計算域如圖2所示。彈丸擠入膛線后，Ⅰ腔、Ⅱ腔連通，火藥燃氣進入Ⅱ腔，當(dāng)藥筒前端錐面與身管內(nèi)壁貼合緊密時，火藥燃氣不會從兩者之間的間隙泄露，進入Ⅱ腔的氣體突然膨脹并形成渦流，壓力與膛內(nèi)壓力持平后，形成壓力死區(qū)。

當(dāng)藥筒前端錐面未與身管內(nèi)壁貼合緊密時，氣體的流動可近似認為是氣體流經(jīng)活塞間隙的流動。藥筒前端外錐面與身管內(nèi)壁之間的間隙與活塞間隙類似，對于非臨界流動，間隙處的流量為

(1)

式中：μ為流量系數(shù)，μ=1.08δ0.56，δ為活塞單位長度上的間隙值；S為間隙截面積，若藥筒縱軸線與身管縱軸線重合，S=πD0δ，D0為活塞的名義直徑；k為比熱比；p0為膛內(nèi)壓力。

考慮到重力的作用，藥筒縱軸線和身管縱軸線不是重合的，此時，間隙隨角度的變化規(guī)律可近似為

(2)

氣體通過小單元面積ΔS的流量為

(3)

(4)

將式(4)代入式(1)可得

(5)

代入各相關(guān)參數(shù)后即可估算出從藥筒前端錐面和身管間隙泄露的氣體量。

2.2.2 建立分析模型

用流體動力學(xué)仿真軟件對內(nèi)彈道時期的膛內(nèi)流場進行具體分析。使用AutoCAD軟件將二維模型簡化后導(dǎo)入Gambit軟件中進行網(wǎng)格劃分，如圖9所示，為便于網(wǎng)格劃分，將整個計算域分為3個區(qū)域：彈丸運動區(qū)域，Ⅰ腔區(qū)域，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ腔區(qū)域。彈丸運動區(qū)域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行劃分，網(wǎng)格尺寸為1 mm，Ⅰ腔區(qū)域，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ腔區(qū)域尺寸較小，且結(jié)構(gòu)不規(guī)整，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.1 mm。彈丸運動區(qū)域與Ⅰ腔區(qū)域、Ⅱ腔區(qū)域之間采用interface交換邊界進行數(shù)據(jù)交換，壓力入口、壓力出口與固壁邊界條件設(shè)置如圖10所示。彈丸運動規(guī)律、入口的溫度與壓力由根據(jù)內(nèi)彈道數(shù)據(jù)編譯成的profile文件進行控制，施加的內(nèi)彈道數(shù)據(jù)如圖5、6所示。

理論上，藥筒與身管是緊貼在一起的，不會發(fā)生火藥燃氣泄漏，考慮到加工工藝、裝配和勤務(wù)運輸中的碰撞等問題，將藥筒前端外錐面與身管內(nèi)壁的間隙設(shè)定為0.05 mm。仿真時所有的氣體均是從藥筒底部生成的，Ⅰ腔內(nèi)的氣體是從藥筒主腔室經(jīng)由20個小孔進入的。彈丸彈帶未擠入膛線前，由20個小孔進入Ⅰ腔的火藥燃氣逐漸堆積，產(chǎn)生渦流并形成死區(qū)，如圖11、12所示。彈頭前端的空氣受到壓縮時，部分空氣進入Ⅱ腔，并產(chǎn)生了3個氣流速度較慢的渦流，有效減緩火藥燃氣外泄。

如圖13所示，彈丸上的彈帶擠入膛線后，進入Ⅰ腔的火藥燃氣產(chǎn)生的壓力已大于20 MPa，如2.1節(jié)所計算的，能將藥筒前端外錐面與身管內(nèi)壁基本貼緊，能密封膛內(nèi)火藥燃氣。需要說明的是，仿真是假設(shè)所有氣體均是從可燃藥筒底部生成并推動彈丸向前運動的，這與實際情況存在一定的差別。在彈丸底部通過可燃藥筒和藥筒上筒上的20個斜孔時，部分高溫高壓火藥燃氣進Ⅰ腔，會點燃Ⅰ腔內(nèi)的速燃藥2，使得Ⅰ腔內(nèi)的壓力高于流體仿真所計算得到的20 MPa，因此藥筒前端外錐面比身管內(nèi)壁的貼合情況會比仿真所得結(jié)果更好。

彈丸上的彈帶擠入膛線后，Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ腔與主腔室聯(lián)通，火藥燃氣首先進入Ⅱ腔，進入Ⅱ腔氣體形成了3個渦流，使得氣體速度減小。若藥筒因磕碰未能與身管內(nèi)壁貼合，導(dǎo)致火藥燃氣進入進入Ⅲ腔和Ⅳ腔，這些火藥氣體也產(chǎn)生了類似的渦流，渦流使得氣流速度減弱，減少了從旋轉(zhuǎn)藥室和身管間隙泄露的氣體量。如圖14所示，整個內(nèi)彈道時期，即使將藥筒和身管間隙設(shè)定為0.05 mm，從身管和旋轉(zhuǎn)藥室間隙泄漏的氣體量也僅為1.1 g，遠低于260 g的燃氣總量。

3 結(jié)束語

筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了一種自帶閉氣結(jié)構(gòu)的埋頭彈方案，能以較規(guī)整的外形，較簡單的結(jié)構(gòu)，較小的軸向位移，利用炮彈自身結(jié)構(gòu)進行閉氣，身管端面閉氣溝槽緩能減緩少量從身管和旋轉(zhuǎn)藥室間隙泄漏的火藥燃氣外泄速度。初步分析認為，該方案具有一定的工程價值。