范天峰，崔青春，田亞鋒，劉忠喜

（西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099）

針對新一代迫擊炮要求實現(xiàn)直瞄射擊、自動裝填下的高射速功能，新一代中大口徑自行迫擊炮多采用后裝填發(fā)射方式，然而如何解決傳統(tǒng)的迫彈類彈藥在膛內的閉氣與定位問題，成為當前各國迫擊炮研制的關鍵技術之一。相比于傳統(tǒng)的前裝填發(fā)射方式，靠尾翼穩(wěn)定的迫彈類彈藥采用后裝填發(fā)射時，通常因為沒有膛內定位，導致在輸彈機輸彈入膛后，造成彈藥前竄，尤其是小射角（通常在40°以下）時無法可靠擊發(fā)；操作使用時，需將身管抬起至較高射角確保彈藥靠自重下滑與擊發(fā)機構貼合后重新瞄準，才能可靠發(fā)射［1］。因而實現(xiàn)迫彈類彈藥在火炮膛內準確定位是實現(xiàn)后裝填迫擊炮小射角可靠發(fā)射、提高射速以及滿足自動裝填發(fā)射要求的瓶頸技術［2］。

1 閉氣與定位機理

筆者研究設計的迫彈后裝填的閉氣與定位技術，可實現(xiàn)迫彈后裝填入膛定位和發(fā)射時的可靠閉氣。它包括帶有底緣的金屬短藥筒、定位夾、螺環(huán)等零件，組合后安裝在迫彈后部。圖1為金屬短藥筒與尾翼穩(wěn)定迫彈連接示意圖。

閉氣與定位結構由1個金屬短藥筒、2個定位夾和1個螺環(huán)組成。金屬短藥筒與迫彈利用定位夾連接，定位夾通過擰在藥筒上的螺環(huán)與藥筒連接，連接方法如圖2所示。

定位夾實現(xiàn)迫彈尾翼與螺環(huán)的可靠連接功能，在迫彈彈尾的對稱兩片尾翼上，各用一個定位夾夾住。因此定位夾的設計參考尾翼的結構外形，定位夾頭部實現(xiàn)與尾翼的連接功能，尾部采用對稱的L形結構實現(xiàn)與螺環(huán)開口處連接。螺環(huán)通過螺紋與金屬短藥筒內壁配合固連，并且在對稱180°位置設計兩處開口，定位夾尾部L 形結構卡入此開口處，從而將定位夾與金屬短藥筒連為一體。

金屬短藥筒由短底座和擊針組件組成，將成熟的藥筒技術與擊針技術創(chuàng)新結合。短底座包括底緣、擊針室、筒底。底緣用于裝填時抵在身管后端面上軸向定位，發(fā)射后靠抽筒子將其抽出炮膛。擊針室用于容納擊針，外形是凸起部，內有螺紋與擊針導向件結合。筒底是藥筒的基礎部分，保證強度，防止發(fā)射時變形或破裂。擊針組件采用傳統(tǒng)的火炮擊針結構。金屬短藥筒外形與身管的坡膛相似，在發(fā)射藥燃燒時形成氣體壓力，作用于藥筒筒壁產生彈性變形和塑性變形來密閉火藥氣體。當藥室壓力增大至發(fā)射啟動壓力，定位夾的前表面被剪切，彈丸與金屬短藥筒斷開連接，使彈丸向前推進。射擊后，定位夾仍留在金屬短藥筒上并與其一同被抽出。

2 理論計算

2.1 藥筒的閉氣性及抽殼力計算

金屬短藥筒在設計上采用傳統(tǒng)結構，其外形與身管的坡膛相似，為便于裝填，二者之間有間隙。設計時，分別采用4種材料、3種間隙和2種藥筒壁厚進行計算，優(yōu)選出藥筒閉氣性好，并且抽殼力小的方案。圖3為采用結構分析軟件ABAQUS，對藥筒方案在某種工況下進行模擬分析計算的結果［3］。計算表明，不同裝藥號均能可靠閉氣，同時最大抽殼力滿足抽筒子設計要求。在膛壓作用過程中，由接觸壓力曲線與膛壓曲線的比較可知，接觸壓力始終大于膛壓，表明該結構閉氣良好。

2.2 定位夾連接強度計算

定位夾設計需要考慮兩個因素，一要保證膛內發(fā)射時具有一定的啟動壓力；二要保證自動裝填時的連接強度，以承受慣性力的作用。筆者以某迫榴炮為依據進行強度計算：

1）啟動壓力對應的最大剪切力計算

根據已定型彈藥相類似的剪切片的幾何結構尺寸、剪切片所選材料的機械性能，計算啟動壓力對應的最大剪切力［4］。

對應的剪切力計算：

式中：σb為材料的抗拉強度，取450 MPa；r為剪切位置半徑，取14mm；h為剪切片厚度，取1.4mm。

2）最大輸彈速度對應的慣性力計算

根據已定型彈藥試驗中測得的最大輸彈速度、輸彈到位作用時間以及試驗中所用彈藥質量；假設輸彈開始至輸彈到位的過程中為勻加速運動，由此計算得到的慣性力為

式中：m為彈藥質量，取21.0kg；vmax為最大輸彈速度，取1.7m／s；t為輸彈到位作用時間，取44.6ms。

3）定位夾剪切強度計算

根據設計選用剪切片材料的機械性能、以及計算所得的最小剪切力、最大剪切力值。計算得：

最小剪切面積為

最大剪切面積為

式中：Fmin為最小剪切力，取810N；Fmax為最大剪切力，取27 708N。

設計的定位夾剪切面滿足此范圍即可，為考慮提高剪切強度，按最大剪切面積設計，可滿足剪切片的剪切強度要求。

2.3 迫彈尾翼翼片強度計算

迫彈在空中飛行過程中，迫彈尾翼起到尾翼穩(wěn)定作用，因此當藥室壓力增大至發(fā)射啟動設計壓力時，根據設計要求，定位夾的前表面被剪斷，使彈丸與藥筒斷開連接，帶尾翼的彈丸在火藥氣體作用下向前移動。但是，在彈丸與藥筒斷開過程中不能損傷迫彈尾翼，否則會影響迫彈在空中的飛行穩(wěn)定性。

經計算作用在尾翼翼片上的剪切應力為248.95 MPa，迫彈尾翼翼片材料性能為500 MPa，因此不會損傷迫彈尾翼翼翅。

3 試驗驗證

3.1 定位夾及迫彈尾翼強度驗證

為驗證定位夾和迫彈尾翼是否符合強度要求，在理論計算的基礎上，設計試驗裝置進行了專項驗證試驗。

定位夾的驗證需要保證兩條準則：

1）在最大輸彈速度下彈丸慣性力不能將定位夾剪斷。

2）在膛內啟動壓力作用下定位夾可靠剪斷但不會損壞迫彈尾翼，且在定位夾剪斷時不會掉渣留膛影響下一發(fā)迫彈的自動裝填。

為此，從定位夾的結構尺寸、坡口形狀、預制裂紋尺寸及形狀、加工工藝等多方面進行了計算和多次試驗驗證。被剪斷的定位夾如圖4所示。

通過多次試驗，逐步完善設計，最后確定了以低碳鋼作為定位夾材料，剪切部位預制“V”形刻槽，定位夾采用鈑金工藝，利用工裝一次成型等設計方案，解決了定位夾剪切面強度和定位夾剪切后掉塊、掉渣等問題，并且迫彈尾翼翼片滿足強度要求。

3.2 閉氣與定位試驗

在完成定位夾及尾翼的強度試驗基礎上，結合某課題進行了實彈射擊閉氣與定位試驗。試驗共發(fā)射迫彈43發(fā)，火炮系統(tǒng)實現(xiàn)迫彈連續(xù)自動供輸彈射擊。試驗中藥筒定位與閉氣可靠，定位夾連接與斷裂可靠、無掉渣留膛現(xiàn)象，在不改變原有迫彈結構的情況下很好地實現(xiàn)了迫彈在任意射角情況下的裝填和射擊。

4 結束語

筆者在對迫彈后裝填過程中閉氣與定位機理進行分析、理論計算和試驗驗證的基礎上，針對中大口徑迫擊炮的迫彈后裝填閉氣與定位技術進行了研究，得出如下結論：

通過巧妙設計定位夾及螺環(huán)結構，結合成熟的藥筒閉氣技術，實現(xiàn)迫彈后裝填的閉氣與定位功能，從而實現(xiàn)迫擊炮的任意角裝填和射擊，賦予了迫擊炮直瞄射擊的新功能。同時為實現(xiàn)大口徑迫擊炮高速發(fā)射和自動裝填奠定了技術基礎。

采用的定位夾連接器實現(xiàn)了金屬短藥筒與迫彈的無損傷可靠連接，定位夾預制刻槽剪切口，發(fā)射時不影響內彈道性能，發(fā)射后不會掉渣留膛影響后續(xù)裝填，在沒有物理損壞的前提下金屬短藥筒可循環(huán)利用。該技術對火炮裝備發(fā)展過程中保證彈藥的通用性具有重要意義。

目前，該機構已得到成功應用，并且將在后續(xù)迫榴炮系列產品的發(fā)展中，對其兼容性、可靠性和安全性作進一步的評估和驗證。

（References）

［1］侯保林.火炮自動裝填［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2010.HOU Baolin.Artillery automatic loading［M］.Beijing：The Publishing House of Ordnance Industry，2010.（in Chinese）

［2］張培林，李國章，傅建平.自行火炮火力系統(tǒng)［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2002.ZHANG Peilin，LI Guozhang，F(xiàn)U Jianping.Self－pro－pelled artillery fire system［M］.Beijing：The Publishing House of Ordnance Industry，2002.（in Chinese）

［3］馬 曉 峰.ABAQUS 6.11 有 限 元 分 析 從 入 門 到 精 通［M］.北京：清華大學出版社，2013.MA Xiaofeng.ABAQUS 6.11finite element analysis from entry to the master［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2013.（in Chinese）

［4］李舜酩.機械疲勞與可靠性設計［M］.北京：科學出版社，2006.LI Shunming.Mechanical fatigue and reliability design［M］.Beijing：Science Press，2006.（in Chinese）