信息化炮彈抗高過載設(shè)計方法

錢立志, 蔣濱安, 郭佳暉

(陸軍炮兵防空兵學(xué)院 高過載彈藥制導(dǎo)控制與信息感知實驗室, 安徽 合肥 230031)

0 引言

炮彈在以往的戰(zhàn)爭中功勛卓越,與火炮一起贏得了戰(zhàn)爭之神的美譽。如今,隨著戰(zhàn)爭理念的進(jìn)步以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,炮彈也逐步邁向信息化。然而炮彈體積小、過載大、轉(zhuǎn)速高等特點制約了其功能的拓展。20世紀(jì)70—80年代,“銅斑蛇”和“紅土地”激光末制導(dǎo)炮彈的相繼問世,驗證了炮彈精確制導(dǎo)的可行性,這不僅是炮彈信息化的開端,也是炮彈抗高過載工程實踐的開端[1]。

國內(nèi)在信息化炮彈研制領(lǐng)域起步較晚,但是發(fā)展迅速。自20世紀(jì)90年代開始,由我軍炮兵的作戰(zhàn)任務(wù)為牽引,對炮彈提出了偵察、精確打擊、干擾、封控等多種功能需求,推動了國內(nèi)信息化炮彈的自主研發(fā)進(jìn)程,也牽引著炮彈抗高過載領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。隨著我國軍工科技近十幾年的高速發(fā)展,炮彈的概念已遠(yuǎn)超傳統(tǒng)范疇,完成了從單一毀傷單元向新型運載平臺的跨越式發(fā)展。

目前,我軍炮兵部隊已經(jīng)裝備了以快速偵察、精確打擊、有源干擾以及區(qū)域封控為核心功能的各類信息化炮彈。然而炮彈體積小、過載大、轉(zhuǎn)速高等固有屬性,對其設(shè)計研發(fā)提出了嚴(yán)苛挑戰(zhàn),而解決抗高過載問題是實現(xiàn)其他功能的基礎(chǔ)。本文試圖揭示信息化炮彈抗高過載問題的本質(zhì),并闡明抗高過載的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計流程。

1 信息化炮彈抗高過載問題的提出與內(nèi)涵

信息化炮彈抗高過載問題的出現(xiàn),是因為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,炮彈除了毀傷目標(biāo)外,還需搭載各類功能器件以完成多種作戰(zhàn)任務(wù),為防止器件受到過載影響而發(fā)生失效,彈載器件抗高過載的需求便孕育而生。其本質(zhì)內(nèi)涵包括以下4個特征:

1)耦合性?？垢哌^載設(shè)計通常需要根據(jù)應(yīng)力水平和響應(yīng)激勵來優(yōu)化炮彈結(jié)構(gòu)組成和材料性能,而變更的結(jié)構(gòu)和材料又會反過來影響應(yīng)力水平和響應(yīng)激勵,造成問題耦合迭代。例如,采用增加壁厚的方式來提高彈尾強度,會導(dǎo)致彈丸質(zhì)心后移,進(jìn)而影響其靜穩(wěn)定度。

2)全局性?？惯^載設(shè)計不能僅僅聚焦在某一個器/部件和其接觸的受力關(guān)系上,還需關(guān)注全局過載過程和變化。例如,某彈由多個不同材料的艙段組成,每個艙段均滿足發(fā)射過載要求,但由于各材料的過載響應(yīng)不同導(dǎo)致艙段間產(chǎn)生縫隙,從而引發(fā)彈丸漏氣解體。

3)針對性。常見的抗過載思路是優(yōu)化彈上結(jié)構(gòu)和材料,提高部件失效極限,進(jìn)而提高其抗過載能力。值得注意的是,抗高過載問題的目標(biāo)并不是保持彈上所有的結(jié)構(gòu)和材料完好,而是保證彈載任務(wù)設(shè)備可以正常發(fā)揮功能,顯然,彈上部件功能失效和結(jié)構(gòu)失效并不完全等價。例如,用于連接彈丸艙段的徑向螺釘發(fā)生塑性變形并不一定會導(dǎo)致彈丸解體。

4)偶然性。新型炮彈全壽命周期包括倉儲、運輸、維護(hù)、使用、銷毀等環(huán)節(jié),時間跨度十多年,可能會出現(xiàn)部件性能退化、材料老化、指標(biāo)降低等情況,影響原有抗過載能力,過載失效的位置和閾值也存在一定的偶然性。目前,一線部隊彈藥倉儲時間較長,彈丸器件結(jié)構(gòu)在長時間存儲后能否滿足抗過載要求缺乏必要的數(shù)學(xué)模型來驗證。

2 信息化炮彈抗高過載關(guān)鍵技術(shù)

2.1 過載環(huán)境建模及測量技術(shù)

過載環(huán)境是抗高過載研究的起點,針對發(fā)射過載,可以利用過載峰值×過載過程持續(xù)時間來簡單描述過載環(huán)境,用過載-時間曲線來精確計算過載影響。由于高過載環(huán)境通常伴隨著高動態(tài),僅靠過載峰值這一變量根本無法準(zhǔn)確描述炮彈所受的過載過程。

對于發(fā)射過載的描述,通常有兩種形式。

一種是在藥室安裝傳感器實測火炮膛壓,利用膛壓曲線描述火炮發(fā)射過載,圖1為某型火炮實測膛壓曲線[2]。

圖1 某型火炮實測膛壓曲線圖Fig.1 Measured chamber pressure curve of a certain type of artillery

另一種是在彈上安裝微傳感器實測過載加速度,利用加速度曲線描述火炮發(fā)射過載,圖2為某型彈載加速度計實測發(fā)射過載曲線[3]。

圖2 某型加速度計實測發(fā)射過載曲線圖Fig.2 Measured emission overload curve of a certain accelerometer

圖1和圖2均可用來描述火炮發(fā)射時的過載,定性來看,膛壓曲線沒有振蕩過程,而加速度計實測曲線有明顯振蕩,且反向振蕩的過載值和正向基本處于同一量級。

事實上,利用膛壓曲線和加速度曲線來描述火炮的發(fā)射過載都是正確的,差別在于測量原理和測量位置不同。膛壓測量的是火藥燃燒產(chǎn)生的壓力,因此不可能出現(xiàn)負(fù)值;而過載測量的是彈上某一位置的加速度,由于彈上存在不斷傳播的應(yīng)力波,加速度計讀數(shù)會出現(xiàn)過載方向交替的現(xiàn)象。文獻(xiàn)[4]基于火炮發(fā)射膛壓曲線,結(jié)合應(yīng)力波傳播原理,構(gòu)造了針對彈載光電器件的動力學(xué)模型,可以求解彈上某一特定部件的過載響應(yīng),統(tǒng)一了上述兩種發(fā)射過載描述。

2.2 抗過載結(jié)構(gòu)與材料技術(shù)

炮彈抗高過載能力的提升本質(zhì)在于新結(jié)構(gòu)的設(shè)計和新材料的應(yīng)用,然而新理論新技術(shù)的應(yīng)用還需要服從于功能任務(wù)和作戰(zhàn)條件,如平臺適配性、系統(tǒng)可靠性、環(huán)境適應(yīng)性等。因此,彈上結(jié)構(gòu)和材料領(lǐng)域需要軍事需求、理論模型和工程研發(fā)等多個領(lǐng)域結(jié)合推動發(fā)展。

2.2.1 抗高過載結(jié)構(gòu)

合理設(shè)計減振結(jié)構(gòu)可以有效提高彈載器件的抗過載能力。文獻(xiàn)[5]采用橡膠墊和碟簧組合的復(fù)合減振裝置對彈載光電任務(wù)設(shè)備進(jìn)行保護(hù),效果顯著,解決了彈載光電器件抗火炮發(fā)射過載的難題,為彈載攝像機、光電導(dǎo)引頭研制提供了可行的技術(shù)途徑,并成功應(yīng)用于多型炮彈型號研制[6-7],其減載裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 橡膠及碟簧減載裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of rubber and disc spring load shedding device

司朝偉等[8]通過改進(jìn)微機電系統(tǒng)(MEMS)陀螺懸掛梁的尺寸結(jié)構(gòu),提高了其沖擊振動模態(tài)諧振頻率,以增強抗沖擊性能,重錘測試表明,該陀螺在驅(qū)動方向上的抗沖擊性能可達(dá)23 000g。劉洪[9]分析了MEMS陀螺振子特性,提出了一種錐形振子的MEMS陀螺結(jié)構(gòu),其可達(dá)10 000g以上的抗沖擊能力。褚偉航等[10]采用雙懸臂梁設(shè)計,增加了微陀螺結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,進(jìn)而提高了其抗過載能力。林日樂等[11]通過在敏感芯片開槽結(jié)構(gòu)的末端設(shè)計圓弧臺階,降低了該部位在沖擊環(huán)境下受到的最大應(yīng)力,提高了敏感芯片的抗沖擊性能。汪守利等[12]提出了一種基于黏彈性阻尼減振器與慣組基體隔離的方法,實現(xiàn)了MEMS陀螺內(nèi)減振。國外在MEMS器件過載防護(hù)方面也取得了豐碩成果,值得注意的是,國外學(xué)者除了采取改造結(jié)構(gòu)的抗過載設(shè)計方法以外,還注重從材料本身解決抗過載問題。例如Myers等[13]設(shè)計了一種基于碳化硅材料的線性諧振結(jié)構(gòu),通過空氣炮實驗對其進(jìn)行了沖擊過載實驗,發(fā)現(xiàn)諧振頻率在沖擊實驗前后并無太大變化,驗證了碳化硅材料良好的抗高過載特性,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 碳化硅諧振結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of silicon carbide resonance

對于彈上活動部件,如軸承、陀螺(機械)、舵(翼)展開機構(gòu)、舵系統(tǒng)等,需要同時滿足結(jié)構(gòu)支撐和相對運動兩個要求,其抗過載設(shè)計需要把握兩個原則:一是活動件不承重,二是支撐件不懸空。李杰等[14-15]、段曉敏等[16-17]、張樨等[18]、魏曉凱等[19]運用旋轉(zhuǎn)隔離及過載轉(zhuǎn)移的方法,研制了一種被動式半捷聯(lián)平臺結(jié)構(gòu)(見圖5),同時設(shè)計了一種對頂半球結(jié)構(gòu)(見圖6),該結(jié)構(gòu)可以在半捷聯(lián)平臺受到較大過載時,起到防護(hù)作用,有效減小軸承的軸向受力,保證其正常運轉(zhuǎn)。

圖5 被動式半捷聯(lián)平臺Fig.5 Passive semi-strapdown platform

圖6 對頂半球結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of opposite top hemispheres

孫棟等[20]提出了在引信軸承處添加銅制緩沖墊片和改變外轉(zhuǎn)子機架的軸肩與底螺尺寸兩種抗過載設(shè)計方案,如圖7所示,該方案滿足了旋轉(zhuǎn)機架抗過載設(shè)計的需求?；萁５萚21]研究分析了沖擊環(huán)境下某旋轉(zhuǎn)型超聲電機的失效模型,得出預(yù)緊力機構(gòu)是最薄弱環(huán)節(jié),并通過空氣炮試驗,得到該型結(jié)構(gòu)的失效條件。

圖7 自旋式電機旋轉(zhuǎn)機架結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of rotating frame of spin motor

李莉等[22]分析了折疊彈翼展開過程的動力學(xué)性能,探討了機構(gòu)各參數(shù)對展開時間和沖擊過載的影響。王竟等[23]針對抗大風(fēng)阻微型伺服機構(gòu)中折疊彈翼進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,如圖8所示,該結(jié)構(gòu)可以保證彈翼在炮射條件下安全展開。

圖8 某型彈翼展開機構(gòu)Fig.8 A wing deployment mechanism

隨著測試手段和應(yīng)力波理論的發(fā)展,炮彈部件級抗過載問題已取得一定進(jìn)展,文獻(xiàn)[24]基于黏彈性材料的非線性特性,建立并求解了加裝減載組件的彈載器件非線性動力學(xué)模型,仿真結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)吻合度較好,并發(fā)現(xiàn)了過載時間累積效應(yīng)[25],提出了可用于指導(dǎo)工程實踐的經(jīng)驗公式,取得了較好效果,通過分析將抗高過載結(jié)構(gòu)歸納為兩種類型[26]:一類是將彈載器件自身的強度提高,即提高彈載器件可以承受的極限過載,方法主要有對器件進(jìn)行加固或封裝、選用高強度材料制作器件等;另一類是加裝減載組件,即利用減載組件的吸能特性減緩高過載環(huán)境對其造成的影響,具體有以下4種方案:

1)采用高強度材料制作器件,同時盡可能對抗過載能力弱的器件進(jìn)行小型化設(shè)計,以減小體積,減輕任務(wù)設(shè)備的自身質(zhì)量,提高器件抗振、抗沖擊能力。

2)提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。主要方法是對易損部件進(jìn)行加固處理從而提高結(jié)構(gòu)強度等,典型如某型干擾彈中采用的籠式結(jié)構(gòu)(見圖9)和某型偵察彈中應(yīng)用的加固CCD攝像機(見圖10)。

圖9 籠式結(jié)構(gòu)干擾機體Fig.9 Interference machine with cage structure

圖10 加固后的彈載CCD攝像機Fig.10 Reinforced missile borne CCD camera

3)合理布局電子元器件。主要是選用符合標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)較牢固的電子元器件,特別是貼片器件,同時進(jìn)行合理布局、可靠焊接。

4)對彈載器件進(jìn)行固封。常用的固封材料有兩種:1)膠脂固封,如硅膠、環(huán)氧樹脂、低溫陶瓷等,利用封膠工藝固封的效果如圖11所示;2)發(fā)泡填充,一般采用雙組分發(fā)泡劑按一定比例混合生成帶氣孔的固態(tài)產(chǎn)物,利用發(fā)泡工藝固封效果如圖12[27]所示。

圖11 利用封膠工藝固封效果圖Fig.11 Effect drawing of fixation with glue sealing process

圖12 利用發(fā)泡工藝固封效果圖Fig.12 Effect drawing of fixation by foaming process

2.2.2 抗高過載材料

炮彈抗過載材料主要可以分為高分子類和金屬類。高分子類材料主要用于密封、減振和隔離,如橡膠是制作密封圈、減振墊的主要材料,而灌封材料廣泛應(yīng)用于電子器件防護(hù);金屬類材料主要用于支撐、吸能,如鎂合金、鈦合金等合金材料可用于炮彈新型支撐結(jié)構(gòu),而泡沫鋁因其具有海綿狀結(jié)構(gòu),也常用于制作吸能結(jié)構(gòu)。

灌封材料以黏彈性材料為主,常用于保護(hù)彈載電子器件、電子電路和結(jié)構(gòu),對于灌封防護(hù)技術(shù)來說,灌封防護(hù)材料的作用主要有兩點:一是給嵌入其中的器件提供結(jié)構(gòu)支撐;二是作為被保護(hù)組件的減振機構(gòu),吸收和耗散掉傳遞到電子器件上的機械能[28]。灌封材料本身的黏彈性效應(yīng)是其能夠吸能緩沖的重要原因。文獻(xiàn)[29]表明,灌封防護(hù)材料的黏性適當(dāng)增加能削弱電子器件的應(yīng)力響應(yīng),材料黏性可作為設(shè)計材料時的主要考慮因素,而密度和彈性模量影響較小。

合金金屬材料是未來炮彈抗高過載材料發(fā)展的重點,優(yōu)質(zhì)的輕量金屬合金對炮彈設(shè)計意義重大。鎂合金作為質(zhì)量最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,由于比強度高、抗沖擊性能良好,是實現(xiàn)武器輕量化的理想材料。近年來,國內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)發(fā)現(xiàn)向Mg-Re合金中添加Zn等元素會產(chǎn)生一種新的增強相結(jié)構(gòu),即長周期堆垛有序結(jié)構(gòu)[30],該構(gòu)造是目前已知提高鎂合金綜合力學(xué)性能最為有效的強化結(jié)構(gòu)[31]。但是該型鎂合金依然存在耐蝕性差的問題,如果采用鎂鋁復(fù)合板則可兼具鎂合金輕質(zhì)和鋁合金耐蝕的性能優(yōu)勢。然而,目前國內(nèi)外對于金屬層狀復(fù)合材料阻尼性能的研究較少,暫時并沒有比較系統(tǒng)的分析方法,大多數(shù)都是總結(jié)金屬板材阻尼性能的變化規(guī)律,尤其是Al/Mg/Al三明治復(fù)合板材的阻尼機理仍需深入探索和研究[32]。泡沫金屬材料由于其有獨特的孔洞結(jié)構(gòu)和功能特性,不僅廣泛應(yīng)用于一般的工程領(lǐng)域,而且在航空航天與軍事領(lǐng)域具有極其重要的用途[33-34]。在壓縮變形時,由于泡孔的逐層坍塌或泡孔整體畸變和坍塌的機制而在應(yīng)力-應(yīng)變曲線中會有一段很長的應(yīng)力平臺,其可在一個穩(wěn)恒應(yīng)力水平下(通過調(diào)控其孔隙參數(shù)及基體合金微觀組織使其低于彈載器件可承受的應(yīng)力水平)吸收大量的過載能量,從而使得彈載器件在高過載環(huán)境下免受傷害[35-37]。

應(yīng)力波理論是分析結(jié)構(gòu)和材料在強動載荷作用下響應(yīng)及破壞特性的基礎(chǔ)。王立禮等[38]提出了基于應(yīng)力波理論的材料動力學(xué)研究方法。在材料損傷機理方面,有研究[39]表明,材料損傷還存在損傷門限值,門限值和材料本身屬性有關(guān)。

2.3 抗高過載試驗測試技術(shù)

2.3.1 沖擊振動試驗

沖擊試驗是最接近抗過載真實環(huán)境的模擬試驗,常見的試驗設(shè)備包括SHPB實驗裝置[40-42]、馬歇特錘、沖擊臺和空氣炮等,這類試驗裝置均存在使用局限性,以SHPB實驗裝置為例,可以總結(jié)如下:

1)被試件不能太大。徑向尺寸太大就不滿足一維應(yīng)力假設(shè),軸向尺寸太大就不滿足平衡應(yīng)力狀態(tài)假設(shè);

2)被試品結(jié)構(gòu)材質(zhì)不能太復(fù)雜,結(jié)構(gòu)材質(zhì)復(fù)雜意味著被試品應(yīng)力波速不均勻,會影響試驗精度;

3)被試品不能太脆,很多脆性材料應(yīng)力波還沒達(dá)到動態(tài)平衡,就已經(jīng)損壞了;

4)被試品不能太軟,太軟的材料應(yīng)力波速相對于輸入輸出桿(金屬)很低,難以達(dá)到應(yīng)力平衡條件。

針對以上問題,大量科研人員也做了相關(guān)研究和改進(jìn),如加大壓桿直徑[43]、研制新材料壓桿[44],都在一定程度上擴展了SHPB裝置的使用范圍,不過由于應(yīng)力波效應(yīng)與應(yīng)變率效應(yīng)耦合的原因[45],沖擊試驗只能為抗過載設(shè)計提供參考。此外,SHPB裝置模擬過載時間都很短,通常在百微秒量級,對于毫秒量級的火炮發(fā)射過程模擬程度有限。

振動環(huán)境試驗可以分為隨機振動環(huán)境試驗、正弦振動環(huán)境試驗、沖擊振動環(huán)境試驗、混合振動環(huán)境試驗[46],可以滿足環(huán)境適應(yīng)性、材料強度、動力學(xué)特性等測試需求。早期受限于振動環(huán)境模擬技術(shù),振動環(huán)境模擬都由單軸振動試驗復(fù)合疊加而成,在工程實踐上已取得了不錯的應(yīng)用,隨著炮彈設(shè)備的復(fù)雜性呈幾何倍數(shù)遞增,單軸振動設(shè)備已經(jīng)難以滿足需求,特別對于炮彈這類細(xì)長體進(jìn)行振動試驗時,單軸振動激勵容易造成位移和應(yīng)力的不均勻分布[47]。因此,自20世紀(jì)60年代開始,多維振動環(huán)境理論及設(shè)備得到了快速發(fā)展[48-52]。多維振動試驗方法是環(huán)境試驗技術(shù)的一大進(jìn)步。由于它具有真實模擬外場環(huán)境、避免嚴(yán)重過試驗和節(jié)省推力等優(yōu)點,有著廣泛的應(yīng)用前景,將來工作的重點在于試驗方式的規(guī)范化和試驗條件的標(biāo)準(zhǔn)化、測試精度的優(yōu)化和評估方向。

2.3.2 模擬發(fā)射試驗

發(fā)射過載的模擬可以采用空氣炮試驗?？諝馀谑且环N高過載模擬發(fā)射系統(tǒng),通常用于實驗室對高過載對象進(jìn)行模擬實驗。它根據(jù)動力學(xué)相似原理,使用壓縮空氣代替?zhèn)鹘y(tǒng)火藥燃燒產(chǎn)生的高壓氣體來完成對彈丸的發(fā)射[52]。由于其具有安全可靠、操作方便、載荷范圍寬以及沖擊量級高等優(yōu)點,被應(yīng)用于各類沖擊實驗中并且發(fā)展迅速。

國內(nèi)對于空氣炮的研究起步較晚,隨著兵器行業(yè)的發(fā)展,西北核技術(shù)研究所于1982年成功研制了57 mm口徑單級壓縮空氣炮,可提供彈丸1 400 m/s的線性加速度[53]。兵器212所于20世紀(jì)八九十年代利用活塞調(diào)節(jié)進(jìn)氣量研制出了85 mm和155 mm口徑空氣炮。到目前為止,國內(nèi)已經(jīng)設(shè)計出了功能豐富的各類空氣炮,可以為彈載器件抗高過載試驗提供有力支撐。

2.3.3 靶場試驗

任何模擬仿真實驗都無法代替靶場試驗的作用,我國兵器類靶場逐步形成了場區(qū)大、試驗領(lǐng)域廣、試驗測試綜合能力強的良好態(tài)勢,可以承擔(dān)各行業(yè)和兵種的武器裝備科研試驗、產(chǎn)品交驗試驗、外貿(mào)產(chǎn)品定型試驗任務(wù)及典型試驗測試任務(wù),具備近、中、遠(yuǎn)程武器試驗測試能力,防空反導(dǎo)武器試驗驗證能力,戰(zhàn)斗部毀傷威力試驗與評估能力以及制導(dǎo)導(dǎo)引頭半實物仿真實驗測試能力等[54]。在炮彈抗高過載方面,靶場試驗主要采用小射角回收試驗和全系統(tǒng)試驗兩種方法,小射角回收試驗主要針對部件級抗過載測試,對某母彈進(jìn)行工程改造,將被試部件按實際裝配關(guān)系裝入母彈,并采用小射角發(fā)射,以方便回收。圖13展示了某次炮彈部件級過載試驗前后對比,通過小射角回收試驗,可以直觀研究被測部件失效情況,同時通過搭載各類型傳感器,為改進(jìn)分析提供重要數(shù)據(jù)支撐。

圖13 某型制導(dǎo)炮彈舵系統(tǒng)過載試驗情況Fig.13 Overload experiment of rudder system of a guided projectile

全系統(tǒng)實彈試驗是在各分系統(tǒng)完成過載試驗后,通過整彈發(fā)射來檢驗全系統(tǒng)的工作狀態(tài),需要各種武器裝備專用試驗設(shè)施及大型測控設(shè)備,包括彈道跟蹤雷達(dá)、搜索雷達(dá)、光電經(jīng)緯儀、地面遙測接收系統(tǒng)、空中測試平臺等。

3 炮彈抗高過載設(shè)計

3.1 炮彈全設(shè)計流程

炮彈作為武器裝備,具有確定的設(shè)計流程,大體可以概括為以下4步:1)由軍方牽頭完成對武器裝備的需求分析和頂層設(shè)計,明確基本作戰(zhàn)需求指標(biāo),如平臺、射程、精度、威力、作戰(zhàn)對象、使用環(huán)境等;2)以作戰(zhàn)需求為依據(jù),完善形成戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)體系和研制總要求,指導(dǎo)方案設(shè)計、研制進(jìn)度和考核條件;3)開展關(guān)鍵性能指標(biāo)的設(shè)計計算、互相制約指標(biāo)之間的權(quán)衡比較、影響主要作戰(zhàn)能力的參數(shù)靈敏度評估,并進(jìn)行系統(tǒng)綜合分析;4)明確氣動、導(dǎo)控、動力、引信和戰(zhàn)斗部、時序、電氣等分系統(tǒng)指標(biāo),逐級分配,直至設(shè)計閉環(huán)[55],設(shè)計流程如圖14所示。

圖14 炮彈全設(shè)計流程Fig.14 Whole process of shell design

炮彈抗過載設(shè)計處于全設(shè)計流程的第三個環(huán)節(jié),需要根據(jù)總戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)要求,明確各分系統(tǒng)抗過載指標(biāo)要求。

3.2 炮彈抗高過載設(shè)計約束

炮彈抗過載設(shè)計主要面臨兩個方面的約束:一是研制總要求的輸入性約束,主要有發(fā)射平臺、彈重、彈長、發(fā)射裝藥、使用環(huán)境等;二是分系統(tǒng)設(shè)計的反饋性約束,主要有彈丸固有頻率、質(zhì)心位置、氣動外觀、艙段空間、部件質(zhì)量、材料標(biāo)準(zhǔn)等?？惯^載設(shè)計不僅要滿足研制總要求,還需考慮分系統(tǒng)實現(xiàn)的難度和可行性,約束關(guān)系如圖15所示。

圖15 抗高過載設(shè)計約束Fig.15 Constraints of anti-high-overload design

3.3 炮彈抗高過載設(shè)計流程與方法

3.3.1 設(shè)計流程

設(shè)計流程可以分為三個環(huán)節(jié):一是基本參數(shù)設(shè)計環(huán)節(jié),主要確定過載環(huán)境、質(zhì)心位置范圍和基本氣動布局,如圖16所示;二是分系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計環(huán)節(jié),主要確定各功能艙段空間、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)和材料,如圖17所示;三是試驗驗證環(huán)節(jié),如圖18所示,包括仿真、模擬、等效和實彈試驗,對抗過載設(shè)計進(jìn)行校核。

圖16 基本參數(shù)設(shè)計環(huán)節(jié)Fig.16 Design links of basic parameters

圖17 分系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計環(huán)節(jié)Fig.17 Design links of subsystem parameters

圖18 試驗驗證環(huán)節(jié)Fig.18 Links of experimental verification

3.3.2 設(shè)計方法

根據(jù)作者20余年從業(yè)經(jīng)驗,炮彈抗高過載方法可以概括為“本體強度加固、支撐體變形吸能、結(jié)構(gòu)件破壞轉(zhuǎn)移、前沿技術(shù)交叉”四個方面。

“本體強度加固”方法,是絕大多數(shù)抗過載問題的首選方法。這是通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計,強化支撐本體強度,提升結(jié)構(gòu)的損傷閾值,從而達(dá)到抗高過載目的的方法,但這種方法會增加全彈質(zhì)量,難以配平質(zhì)心,容易引起過載設(shè)計耦合,有時由于約束條件限制過于嚴(yán)苛,而無法采用本方法。

“支撐體變形吸能”是一種成功應(yīng)用于炮彈光電導(dǎo)引頭的抗高過載方法。通過加裝黏彈性材料作為減載組件,依靠其變形吸能,從而降低彈載器件的應(yīng)力水平,且延緩應(yīng)力峰值的到來。對于無法采用“簡單加固”且嚴(yán)格要求裝配位置的精密器件,該種方法可以取得較好的效果。

“結(jié)構(gòu)件破壞轉(zhuǎn)移”是基于特定抗過載環(huán)境,適用于過載峰值特別大且核心部件的功能發(fā)揮對裝配位置不敏感的情況。如對侵徹過程中的加速度傳感器進(jìn)行抗高過載防護(hù)時,過載峰值特別大、過載方向也不確定,可以采用周向過載防護(hù)措施,用破壞外部防護(hù)結(jié)構(gòu)而換來核心部件的功能正常。

“前沿技術(shù)交叉”是未來解決抗過載問題的核心方法。近十年來,我國軍工行業(yè)各個研究所、高校、工廠蓬勃發(fā)展,取得了可喜的成績,但受制于各種原因,各家技術(shù)交流并不充分,存在很多重復(fù)研究的現(xiàn)象,技術(shù)固步自封也屢見不鮮。依托國家大的發(fā)展戰(zhàn)略,新材料、新結(jié)構(gòu)、新測試手段、新理論模型等前沿成果若能應(yīng)用于炮彈抗高過載領(lǐng)域研究,相信很多現(xiàn)在棘手的問題也會迎刃而解。

4 總結(jié)與展望

本文根據(jù)作者多年的經(jīng)驗積累以及文獻(xiàn)查閱,總結(jié)了目前炮彈抗高過載方面存在的不足:

1)缺乏對過載環(huán)境描述的力學(xué)模型。由于載荷的不確定性和試驗測量的次數(shù)限制,難以準(zhǔn)確描述參量的概率分布,因此尋找一種合適的模型方法來降低誤差并進(jìn)行定量和定性計算至關(guān)重要;同時,多場耦合、相關(guān)性等因素對不確定性分析帶來新的挑戰(zhàn),高維、高度非線性的隱式函數(shù)關(guān)系阻礙了穩(wěn)健性設(shè)計的進(jìn)展,進(jìn)而使得模型構(gòu)建及求解困難。

2)對炮彈功能過載失效機理理解不深。在明確外載約束下,計算特定結(jié)構(gòu)和材料的動態(tài)響應(yīng),進(jìn)而獲取損傷判據(jù)并不困難。但是材料結(jié)構(gòu)的屈服損傷和器/部功能過載失效并沒有必然聯(lián)系,很明顯,對于炮彈這類一次性使用的武器裝備,功能失效問題更值得關(guān)注,然而如何從屈服損傷理論發(fā)展到過載失效研究,還有很長的路要走。

3)理論與實踐交叉不夠。目前國內(nèi)在發(fā)射動力學(xué)、沖擊動力學(xué)、振動力學(xué)、材料學(xué)等多個方向都取得了令人振奮的理論成果,部分理論成果針對特定的過載失效問題,稍加修正后即可指導(dǎo)工程實踐,然而由于專業(yè)限制和行業(yè)壁壘,軍工行業(yè)的工程師更加信任成熟的工程產(chǎn)品和實踐經(jīng)驗,因此很多新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝缺乏應(yīng)用驗證的機會。

4)試驗測試手段匱乏。炮彈是一次性使用且長期倉儲的裝備,解決倉儲和運輸過程中炮彈材料(如高分子材料和金屬材料等)在多種環(huán)境應(yīng)力下的性能變化問題,豐富各類試驗測試手段十分必要。

為了解決上述問題,需要以工程實踐問題為牽引,加大針對炮彈過載環(huán)境的理論研究,發(fā)展新的、針對性強的力學(xué)模型,同時也要挖掘成熟理論的通用性問題;加大學(xué)科專業(yè)交叉,加強領(lǐng)域內(nèi)校企合作,讓科研成果有更多機會應(yīng)用于工程實踐。