劉 偉，魏建國，王育維，張洪漢

(西北機電工程研究所，陜西咸陽 712099)

大口徑火炮激光點火是將激光能量透過炮尾的光學窗口傳輸?shù)教艃赛c火藥，最終實現(xiàn)整個發(fā)射藥床點火的過程[1]。相比于傳統(tǒng)點火方式，激光點火具有機械結構簡單、可靠性高、射速高等優(yōu)點[2-3]，因此有著良好的應用前景。在激光點火過程中，光學窗口直接承受著高溫、高壓火藥氣體的沖擊，其工作的可靠性直接關系到火炮作戰(zhàn)的可持續(xù)性以及己方士兵的安全。為了保證參試人員和設備的安全，窗口材料需要具有耐高溫高壓的特性，并且必須在上炮試驗前經(jīng)過動態(tài)承壓能力測試。Ritter等人[4]利用密閉爆發(fā)器裝填M232A1模塊裝藥模擬了火炮發(fā)射過程中的內彈道環(huán)境，并對多種光學窗口的動態(tài)承壓能力進行了試驗測試，結果發(fā)現(xiàn)這些窗口均遭受了不同程度的損壞。其主要原因是密閉爆發(fā)器與火炮膛內動態(tài)加壓環(huán)境存在區(qū)別，火炮膛內的壓力在最大壓力點后隨著彈丸的運動逐漸下降，而密閉爆發(fā)器腔內壓力在達到最大值之后維持30～60 s的高壓狀態(tài)。這種測試方法不能模擬火炮膛內壓力下降階段，并且更容易對光學窗口造成損壞。Howard[5]和馬昌軍等人[6]建立了藥室內部壓力變化的數(shù)學模型，提出利用射流干擾法解決藥室內火藥氣體對光學窗口造成污染的問題，這種方法同時也降低了火藥氣體直接沖擊光學窗口的強度。

針對靶場試驗費用高、耗時長的特點，設計了一種半密閉動態(tài)加壓裝置，并利用該裝置對火炮激光點火所用的藍寶石窗口進行動態(tài)壓力載荷測試，以模擬火炮內彈道過程中膛內的高壓加載狀態(tài)。

2 動態(tài)壓力載荷特性與模擬加載裝置

2.1 動態(tài)壓力載荷特性

圖1給出了火炮激光點火裝置示意圖。光學窗口在發(fā)射過程中承受動態(tài)高壓載荷的沖擊。某大口徑榴彈炮的發(fā)射過程通常持續(xù)十幾毫秒，膛內壓力峰值高達380 MPa，壓力加載狀態(tài)具有時間短、壓力高、沖擊強等特點。在壓力上升階段，某時刻壓力p隨時間t變化的速率稱為該時刻的升壓速率Sp。在光學窗口承受動態(tài)壓力加載的過程中，最大壓力、升壓速率、平均升壓速率是動態(tài)壓力載荷的主要特性，其數(shù)值可以根據(jù)射擊時實測火炮膛內壓力-時間曲線確定。

圖1 火炮激光點火裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the gun’s laser ignition device

2.2 動態(tài)壓力模擬加載裝置

圖2 半密閉動態(tài)壓力加載裝置Fig.2 Schematic diagram of semi-closedpressure-loading vessel

試驗裝置主要由半密閉壓力加載裝置和動態(tài)壓力測試系統(tǒng)等組成，可以用于模擬火炮發(fā)射過程中光學窗口在動態(tài)高壓加載下的可靠性。其中半密閉壓力加載裝置如圖2所示?？梢钥闯?，裝藥爆炸后，在光學窗口左端腔室內部充滿高溫、高壓的火藥氣體，與火炮膛內狀態(tài)類似。試驗過程中，裝置容積、泄壓孔的直徑等參數(shù)固定，通過調整裝藥量可以模擬不同內彈道環(huán)境中光學窗口承受的動態(tài)壓力加載狀態(tài)。裝置本體上設置有測壓孔和泄壓孔，結合動態(tài)壓力測試系統(tǒng)，可以記錄整個試驗過程中腔室內部壓力隨時間的變化情況。

3 動態(tài)壓力加載數(shù)學模型

3.1 動壓載荷模型的建立

為了對模擬加壓裝置內的壓力變化進行預測，建立了腔室內火藥燃燒及燃氣流動的數(shù)學模型[7-10]，主要控制方程如下。

(1) 發(fā)射藥燃速方程

(1)

(2) 火藥氣體生成速率方程

(2)

(3) 腔室內火藥氣體質量守恒方程

(3)

(4) 火藥氣體狀態(tài)方程

(4)

(5) 泄壓孔氣體流量方程

(5)

式中：up、n、e1、zk分別為發(fā)射藥的燃速系數(shù)、燃速指數(shù)、1/2弧厚、燃燒結束時的相對已燃厚度；χ、λ、μ為發(fā)射藥的形狀特征量；χs、λs為火藥在減面燃燒階段的形狀特征量；V0、mg、φ、ρg分別為腔室容積、氣體總質量、氣體空隙率、氣體密度；p1、p2分別為為腔室內、外壓力；ωb、ω、Ψ、z分別為點火藥質量、發(fā)射藥質量、發(fā)射藥已燃百分比、相對已燃厚度；f、ρp、α分別為發(fā)射藥的火藥力、密度和余容；dh/dt為泄壓孔質量流量；mout為從泄壓孔流出氣體的總質量；C0為小孔流量系數(shù)，0

3.2 模型驗證

圖3 理論計算和實測壓力變化的比較Fig.3 Comparison of test and calculated p-t curves

試驗中采用單基8/7發(fā)射藥，其主要參數(shù)如下：火藥力為930 J/g，余容為0.001，比熱比為1.23，密度為1.6 g/cm3；裝藥量為19 g，半密閉加壓裝置容積V0=80 mL，泄壓孔直徑d=1.6 mm。將以上參數(shù)代入動態(tài)載荷模型，計算得出半密閉動態(tài)加壓裝置內壓力隨時間的變化情況，并將結果與實測結果進行比較，如圖3所示?？梢钥闯?，實測壓力曲線與理論計算結果符合較好，兩者壓力峰值的相對誤差為3.17%，表明動態(tài)載荷模型能夠較好地描述半密閉加壓裝置內壓力的變化過程。

4 光學窗口動態(tài)承壓能力試驗

4.1 試驗條件的確定

根據(jù)某大口徑火炮全裝藥最大膛壓小于425 MPa(含單發(fā)跳動)的要求，為保證該火炮激光點火的安全性，光學窗口必須能夠承受最大壓力為425 MPa的沖擊。圖4為全裝藥時火炮高溫內彈道壓力隨時間的變化曲線。圖5為升壓速率隨時間的變化，其中最大升壓速率為90.2 GPa/s。

為了模擬激光點火過程中光學窗口承受的動態(tài)壓力載荷，可以采用動態(tài)載荷模型對試驗條件進行預測。計算結果表明：當半密閉加壓裝置容積V0=80 mL，泄壓孔直徑為1.6 mm時，裝填30.1 g單基8/7發(fā)射藥，該裝置內的最大壓力預計將達到432 MPa，滿足動態(tài)壓力加載模擬試驗的要求。

圖4 火炮膛內實測壓力變化曲線Fig.4 p-t curves of the gun chamber in the test

圖5 火炮膛內實測升壓速率變化曲線Fig.5 Sp-t curves of the gun chamber in the test

4.2 試驗結果與分析

取單基8/7發(fā)射藥30.1 g，對同一藍寶石窗口進行3發(fā)重復的動態(tài)壓力加載試驗。試驗中點火壓力均為10 MPa，圖6給出了裝藥量為30.1 g時腔室內實測壓力-時間曲線。由圖6可知，3條曲線在壓力變化較大的階段幾乎完全重合，最大壓力的平均值為428.7 MPa，與理論值(432 MPa)非常接近。

圖7(a)為試驗前藍寶石光學窗口的照片，試驗后，對光學窗口上火藥氣體殘渣進行清理，得到激光點火窗口的圖像如圖7(b)所示。通過對比可知，連續(xù)經(jīng)受3次動態(tài)高壓沖擊載荷后，藍寶石光學窗口的表面和內部均未出現(xiàn)裂紋，且透光性能保持良好，表明藍寶石光學窗口的強度滿足試驗要求，可以承受最高壓力為428.7 MPa的動態(tài)高壓載荷。

圖6 發(fā)射藥量為30.1 g時膛內實測壓力曲線Fig.6 p-t curves of the semi-closed vesselwith 30.1 g propellant

圖7 試驗前及試驗后經(jīng)清洗處理的藍寶石窗口照片F(xiàn)ig.7 Photos of sapphire window before test andsubjected to cleaning process after test

圖8為半密閉加壓模擬裝置與火炮全裝藥發(fā)射時內彈道試驗實測壓力-時間曲線對比圖。圖9為火炮膛內和半密閉加壓裝置中升壓速率隨時間的變化情況。大量的試驗結果表明，當加載壓力小于100 MPa時，藍寶石窗口不會受到破壞。由圖8和圖9可知，火炮和半密閉加壓模擬裝置的內部壓力幾乎同時達到100 MPa(3 ms時刻)，隨后，半密閉加壓裝置內的升壓速率迅速超過火炮膛內的升壓速率，并一直持續(xù)到壓力達到峰值以后。由此可知，半密閉加壓裝置中加壓速率更高，使用半封閉加壓裝置進行模擬時，藍寶石窗口更容易受到破壞。

圖8 半密閉加壓裝置和火炮膛內實測壓力曲線Fig.8 p-t curves of semi-closed vessel and gun chamber

圖9 半密閉加壓裝置和火炮膛內實測升壓速率曲線Fig.9 Sp-t curves of semi-closed vessel and gun chamber

表1 兩種試驗裝置中試驗結果的比較Table 1 Comparison of results obtained by the gun chamber and semi-closed vessel

5 結 論

設計了一種能夠用于模擬火炮膛內動態(tài)高壓加載狀態(tài)的半密閉動態(tài)加壓裝置，建立了該裝置內壓力變化的數(shù)學模型，通過理論計算預測得出動態(tài)壓力模擬載荷的試驗條件。動態(tài)壓力加載試驗的結果表明：在最大壓力為428.7 MPa的條件下，被試藍寶石窗口完好無損，其動態(tài)承壓能力能夠滿足某大口徑火炮激光點火的使用要求。該半封閉動態(tài)加壓裝置為炮用激光點火窗口動態(tài)承壓能力的測試提供了一種可行的模擬方法。

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