胡 杰，陳 樺，焦育東，馮志威，馬 營

(1.西安工業(yè)大學 機電工程學院，西安 710021；2.中國兵器工業(yè)試驗測試研究院，華陰 714200；3.西安近代化學研究所，西安 710065)

在現(xiàn)代戰(zhàn)場中，彈藥自身受到敵方攻擊或者由于操作不當發(fā)生意外，產(chǎn)生的劇烈爆燃、爆炸等安全事故不僅會造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，還會削弱了自身的戰(zhàn)斗力[1]。彈藥安全性一直是世界各軍事強國關(guān)注的重點，尤其對于高價值武器平臺，比如載有大量彈藥的海軍艦船和航母，彈藥安全系統(tǒng)失效將造成毀滅性的破壞[2]。美國國防部從1982年開始頒發(fā)《非核彈藥危險性評估標準》，經(jīng)過多次改版和完善，截至2011年，美國和北約相繼建立了彈藥不敏感性測試項目和評價標準，形成了以MIL-STD-2105D和NATO STANAG 4439為總綱，AOP-39為執(zhí)行文件，以STANAG單項試驗程序為具體操作說明的標準體系[3-5]。破片撞擊是評估彈藥安全性的一個重要試驗，涵蓋了彈藥受到不同口徑彈藥以及預制破片類彈藥攻擊時對彈藥所產(chǎn)生的反應機理，是評估和檢驗彈藥敏感特性的必不可少的重要試驗。目前高速破片加載系統(tǒng)主要有電磁炮、輕氣炮、爆炸破片發(fā)生器以及火炮發(fā)射系統(tǒng)[6]。其中電磁炮成本高，用于破片撞擊試驗技術(shù)尚不夠成熟；輕氣炮操作復雜，機動性不強，對大當量戰(zhàn)斗部射擊時防護難度大；爆炸破片發(fā)生器難以精確控制破片的撞擊速度和方向，同時產(chǎn)生的寄生超壓會模糊和混淆試件反應；火炮發(fā)射系統(tǒng)以其操作簡單、質(zhì)量損失少、射擊精度高、試驗具有可重復性等優(yōu)點，成為目前彈藥安全性試驗中破片撞擊試驗的主要方式。

在火藥加載高速破片驅(qū)動技術(shù)方面國內(nèi)外很多團隊開展了大量的技術(shù)研究。文獻[7]給出了北約STANAG 4496 標準中規(guī)定的標準彈丸形狀和打擊速度，由于傳統(tǒng)的常規(guī)火炮發(fā)射彈丸難以達到1 800 m·s-1的速度要求，北約提出推薦采用改造的槍炮發(fā)射系統(tǒng)開展此類試驗，但是并未給出槍炮的改造方法。文獻[8]對高速破片撞擊試驗采用的特制槍炮、試驗過程、測試方法、破片材料等進行了簡單描述。文獻[9]采用改裝的火炮驅(qū)動破片將其速度加載到1 830 m·s-1并對MX25榴彈進行了破片撞擊，但是未提及裝藥量和火炮結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。文獻[10-12]研究了火藥燃氣驅(qū)動高速破片對集裝箱鋼、迫擊炮、車輛裝甲、120 mm迫擊炮等沖擊造成的斷裂、擴散及能量耗散特性，但是未給出槍炮系統(tǒng)的藥室、身管長徑比等影響破片速度的具體設計理論。文獻[13]研究了12.7 mm標準彈道槍發(fā)射直徑9.4 mm的鎢球以及Φ9 mm×9.5 mm的六棱鎢柱，并對其侵徹三種不同結(jié)構(gòu)Q235鋼板的侵徹性能進行了分析，其發(fā)射彈丸質(zhì)量最大12 g，速度最高僅達到831 m·s-1。文獻[14]研究了14.5 mm彈道炮加載活性破片打擊重點毀傷目標的威力試驗，僅實現(xiàn)了將10g破片驅(qū)動到960 m·s-1。文獻[15-17]介紹了一種破片加載裝置，采用次口徑發(fā)射原理，將小于50g的彈體加速到1 500～2 000 m·s-1的破片加載裝置，但是并未詳細給出破片運動的內(nèi)彈道模型、火藥具體參數(shù)以及模擬破片彈結(jié)構(gòu)。文獻[18]研究了大藥室、小口徑火炮發(fā)射高速破片的可行性，進行了1 300 m·s-1的低速試驗驗證，給出了2 000～2 400 m·s-1的內(nèi)彈道理論分析，并未進行充分的試驗驗證。文獻[19-20]設計了一種炮管長4 m的火炮，能將鋼制破片加載到1 840 m·s-1，但對火藥具體參數(shù)以及彈托的分離方式未給出相應的描述。

為了滿足STANAG 4439標準中發(fā)射18.6 g標準破片達到1 830 m·s-1±60 m·s-1的發(fā)射速度，本研究通過對高速破片加載裝置建立破片運動方程，通過內(nèi)彈道參數(shù)仿真計算分析，創(chuàng)新設計了一種大藥室、小口徑、大長徑比的高速破片加載裝置和卡瓣氣動分離的模擬破片彈，并通過試驗驗證實現(xiàn)了18.6 g標準破片速度達到1 830 m·s-1±60 m·s-1的發(fā)射速度要求，該加載裝置能滿足目前國內(nèi)開展彈藥安全性破片撞擊的相關(guān)試驗需要。

1 破片運動過程內(nèi)彈道模型建立

1.1 破片內(nèi)彈道運動分析

根據(jù)經(jīng)典內(nèi)彈道理論，建立超高速破片加載裝置的內(nèi)彈道數(shù)理模型過程中，主要影響因素：① 采用集總參數(shù)法和空間平均的熱力學參數(shù)來描述火藥的燃燒和彈丸的運動過程[18]；② 火藥燃燒滿足幾何燃燒定律假設，并設定是在平均壓力條件下燃燒；③ 火藥燃氣狀態(tài)方程服從諾貝爾(Noble)-阿貝爾(Abel)狀態(tài)方程，火藥的線性燃燒速度是指火藥顆粒表面法線方向的燃速；④ 火藥燃燒生成物的組份保持不變，與火藥成份有關(guān)的物理量，如火藥力、比熱比、余容等均為常數(shù)；⑤ 彈丸(彈托)的運動阻力用虛擬質(zhì)量系數(shù)來考慮；⑥ 熱散失、火藥氣體運動功和彈丸(包括彈托)運動摩擦功等各種形式的次要功用次要功計算系數(shù)來修正；⑦ 點火藥包(前部和底部)內(nèi)裝點火藥瞬間燃完，形成火藥裝藥的點火壓力，火藥瞬間同時被點燃；⑧ 在膛內(nèi)壓力達到彈丸起動壓力后，彈丸(彈托)瞬間解除約束并開始運動；且彈丸(彈托)的運動為軸向一維運動。

根據(jù)以上因素將彈丸的彈道運動過程劃分為三個時期：① 彈丸內(nèi)彈道運動從火藥燃燒開始到破片(彈托)開始運動瞬間結(jié)束,由于彈丸沒有運動，因此可以認為是定容燃燒過程。點燃火藥，火藥燃燒，裝藥室內(nèi)燃氣壓力上升，當壓力達到彈丸起動壓力時，彈丸解除約束開始運動。② 從彈丸開始運動到火藥裝藥燃燒結(jié)束,包括火藥燃燒、燃氣流動、彈丸的運動等各種現(xiàn)象，同時將出現(xiàn)火藥燃燒分裂點、燃燒結(jié)束點以及最大壓力點。③ 從火藥結(jié)束燃燒開始到彈丸出發(fā)射系統(tǒng)瞬間結(jié)束,主要是火藥燃氣絕熱膨脹做功過程。

1.2 內(nèi)彈道方程組建立

依據(jù)破片內(nèi)彈道運動分析的三個時期，聯(lián)立火藥燃氣狀態(tài)方程、火藥燃燒規(guī)律與燃燒方程、膛內(nèi)射擊過程中的能量守恒方程、彈丸運動方程、內(nèi)彈道基本方程和彈丸速度與行程關(guān)系式，建立多孔火藥內(nèi)彈道方程組[21]：① 火藥燃燒遵循幾何燃速定律；② 藥體均在平均壓力下燃燒，且燃燒遵循指數(shù)燃燒定律；③ 采用次要功系數(shù)來考慮其它的次要功；④ 彈丸擠進膛線是瞬時完成的，以一定的擠進壓力標志作為彈丸的啟動條件；⑤ 火藥燃氣服從諾貝爾-阿貝爾狀態(tài)方程。

根據(jù)以上可得七孔標準火藥內(nèi)彈道方程為

式中：ψ為火藥已然相對質(zhì)量(或體積)百分比；Z為火藥燃去的相對厚度；ZK火藥燃燒結(jié)束時，火藥已燃的相對厚度；χ、λ、μ、χs、λs為火藥的形狀特征量；e為發(fā)射藥已燃厚度；e1為1/2發(fā)射藥起始厚度；u1為發(fā)射藥的燃速系數(shù);p為炮膛內(nèi)彈底壓力;n為燃速指數(shù)；v為彈丸速度;l為彈丸行程，t為彈丸運動時間;S為炮膛橫截面面積;φd為彈丸的虛擬質(zhì)量系數(shù)，m為彈丸質(zhì)量；lψ為藥室的自由容積縮徑長；f為火藥力；K為比熱比；φ為次要功計算系數(shù)；ω為發(fā)射藥裝藥質(zhì)量；l0為藥室容積縮徑長；ρp為發(fā)射藥固體顆粒的密度；V0為藥室容積；α為火藥氣體余容。

2 加載裝置設計仿真

2.1 加載裝置指標

發(fā)射系統(tǒng)應滿足STANAG 4439標準中直徑不小于14 mm、質(zhì)量不小于18.6 g的標準破片發(fā)射初速要達到1 830 m·s-1±60 m·s-1的要求。

2.2 加載能力仿真計算

根據(jù)高速破片發(fā)射系統(tǒng)參數(shù)內(nèi)彈道模型利用Matlab編程對破片加載能力進行仿真計算，其中火藥力1 048.8 kJ·kg-1，火藥密度1 600 kg·m-3，結(jié)果見表1。從表1可以看出，通過采用大藥室、長身管、延長做功時間、次口徑加載技術(shù)，在膛壓不超過360 MPa時，當裝藥量為160～170 g，破片的初速可達到1 800 m·s-1量級。圖1～圖4為彈丸質(zhì)量m=60 g(破片質(zhì)量為18.6 g)，裝藥量ω=160 g時內(nèi)彈道仿真曲線圖。

圖1 膛壓時間曲線(ω=160 g，m=60 g)Fig.1 p -t curve(ω=160 g，m=60 g)

圖2 速度時間曲線(ω=160 g，m=60 g)Fig.2 v -t curve(ω=160 g，m=60 g)

圖3 膛壓行程曲線(ω=160 g，m=60 g) Fig.3 p -l curve(ω=160 g，m=60 g)

圖4 速度行程曲線(ω=160 g，m=60 g)Fig.4 v -l curve(ω=160 g，m=60 g)

2.3 超高速破片加載裝置參數(shù)

根據(jù)表1仿真結(jié)果，確定超高速破片加載裝置的最終設計指標為：25 mm口徑、30 mm火炮藥室140 cm3，身管長4 m。具體加載裝置的設計參數(shù)見表2。

表1 內(nèi)彈道計算仿真結(jié)果

表2 超高速破片加載裝置參數(shù)

2.4 模擬破片彈設計

模擬破片彈的結(jié)構(gòu)主要包括彈托和破片兩部分組成，其中彈托主要包括底托、3個鋁制卡瓣以及墊片；破片為有效載荷。戰(zhàn)斗部的破片主要有圓柱體、球體、六棱柱體、正方體、長方體等形狀[22]，文中試驗驗證采用的圓柱體破片。整個模擬破片彈破片與彈托采用氣動分離方式分離，以防止卡瓣和彈托跟隨破片打擊到目標上。

破片被約束在卡瓣中間位置，3個卡瓣中部采用棉繩捆綁方式進行固定，卡瓣與底托采用螺紋連接，破片與底托之間利用墊片進行隔離，以防止底托在膛內(nèi)破碎對破片飛行產(chǎn)生影響。模擬彈的結(jié)構(gòu)設計及實物如圖5所示。其中3個卡瓣和底托與破片采用氣動差異的方式進行分離；底托底部的大尺寸外緣主要用于膛內(nèi)閉氣(相當于彈帶作用)；底托底部開槽主要用于模擬彈進膛瞬間大尺寸外緣的應力釋放，避免底托破碎。

圖5 模擬破片設計圖、底托、破片彈實物

3 試驗驗證及分析

為了考核設計的破片加載裝置發(fā)射高速破片的能力，開展了破片速度測試試驗對其進行試驗驗證。利用25 mm口徑、30 mm藥室的超高速破片加載裝置發(fā)射破片，采用通斷靶區(qū)截裝置和高速錄像測量破片速度。試驗共進行了5發(fā)，現(xiàn)場布設試驗場景如圖6所示，試驗結(jié)果見表3和圖7。

圖7 裝藥量與破片初速關(guān)系

從表3試驗驗證數(shù)據(jù)可以看出，采用25 mm口徑、30 mm藥室的超高速破片加載裝置發(fā)射60 g破片彈，質(zhì)量為18.6 g標準破片最高速度大于1 800 m·s-1，可以滿足STANAG 4439標準中對破片達到1 830 m·s-1±60 m·s-1的發(fā)射速度的要求。

表3 試驗驗證結(jié)果

采用超高速破片加載裝置發(fā)射破片，相對于常規(guī)火炮提升了發(fā)射破片的速度，相對于常規(guī)的30 mm火炮將標準破片加載到1 306 m·s-1[1]，速度提升達40%。當破片發(fā)射速度大于1 800 m·s-1時，實際測試初速與仿真計算初速的最大誤差為4.55%。文中采用的相對裝藥量ω/m為2.67，造成誤差的一個原因是在相對裝藥量ω/m大于1的情況下，點火與傳火過程、氣相和顆粒群流場的描述以及膛內(nèi)壓力波等一系列現(xiàn)象無法用傳統(tǒng)的內(nèi)彈道學準確描述。

4 結(jié) 論

文中研究設計了一種次超高速破片加載裝置，并通過試驗對其發(fā)射性能進行了驗證。該裝置能將18.6 g標準破片加速到滿足美國STANAG 4439標準中對發(fā)射速度達到1 830 m·s-1±60 m·s-1的要求。當破片發(fā)射速度大于1 800 m·s-1時，實際測試初速與仿真計算初速的最大誤差為4.55%，驗證了內(nèi)彈道模型的正確性；該加載裝置能滿足現(xiàn)階段國內(nèi)開展彈藥安全性破片撞擊的相關(guān)試驗需要。