程玉川,董昌灝,余永剛,張 雷,管廷偉

(1.中國(guó)人民解放軍63850部隊(duì),吉林 白城 137001;2.南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

發(fā)射藥溫度會(huì)直接影響裝藥的燃燒速度,進(jìn)而影響膛壓和初速的變化[1-2]。國(guó)軍標(biāo)對(duì)彈藥保溫平衡時(shí)間的要求為:57 mm口徑以下恒溫時(shí)間不少于24 h,57～100 mm口徑恒溫時(shí)間不少于36 h,100～155 mm口徑恒溫時(shí)間不少于48 h[3]。同國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)相比,國(guó)軍標(biāo)規(guī)定的保溫平衡時(shí)間較長(zhǎng),制約著靶場(chǎng)彈藥性能鑒定試驗(yàn)的效率。

姜波等[4]針對(duì)130 mm火炮建立發(fā)射裝藥三維模型,對(duì)發(fā)射裝藥內(nèi)部溫度變化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬,得到彈藥及其相關(guān)部件保低溫時(shí)的保溫平衡時(shí)間。姜波等[5]通過(guò)對(duì)仿真過(guò)程分析,找出影響彈藥溫度場(chǎng)仿真結(jié)果的幾個(gè)因素。黃鳳良等[6]開展了大口徑發(fā)射裝藥多層壁面包裝的多孔介質(zhì)溫度場(chǎng)測(cè)定與數(shù)值計(jì)算。薛青等[7]對(duì)某型發(fā)射裝藥開展保溫時(shí)間仿真研究。齊杏林等[8]針對(duì)6種口徑的彈藥進(jìn)行彈藥保溫試驗(yàn),得到了一些有意義的研究結(jié)果。陸欣等[9]采用多孔介質(zhì)傳熱理論,建立了火炮裝藥傳熱模型。宋艾平[10]等基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的彈藥傳熱模型,以某兩型榴彈的傳熱規(guī)律進(jìn)行了仿真計(jì)算。綜上所述,文獻(xiàn)僅針對(duì)有限的幾種彈藥開展了保溫平衡時(shí)間研究,覆蓋面不廣,代表性不夠。

基于此,本文針對(duì)不同口徑的12種現(xiàn)役典型彈藥的發(fā)射裝藥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,模擬靶場(chǎng)試驗(yàn)真實(shí)保溫過(guò)程,獲取整個(gè)保溫過(guò)程中發(fā)射裝藥內(nèi)部的溫度變化數(shù)據(jù),得到彈藥保溫溫度變化曲線,研究結(jié)果可為后續(xù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)修訂等工作提供重要參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與測(cè)試方案

國(guó)軍標(biāo)對(duì)試件不工作時(shí)保溫平衡時(shí)間的規(guī)定為:當(dāng)試件中具有最大溫度滯后效應(yīng)的功能部件溫度達(dá)到試驗(yàn)溫度時(shí),則認(rèn)為試件達(dá)到了不工作時(shí)的溫度穩(wěn)定[11]。為了準(zhǔn)確獲取彈藥的保溫平衡時(shí)間,首先需找出彈藥在溫度試驗(yàn)過(guò)程中最后一個(gè)達(dá)到溫度穩(wěn)定的位置,即“彈藥熱學(xué)中心”。彈藥熱學(xué)中心點(diǎn)溫度穩(wěn)定即可視為彈藥溫度穩(wěn)定,也即所說(shuō)的“保透”。

以圓柱形藥柱為例,其彈藥熱學(xué)中心如圖1所示。當(dāng)發(fā)射藥溫度與環(huán)境溫度出現(xiàn)溫差時(shí),從藥柱表面(端面和側(cè)面)同時(shí)向藥柱中心處發(fā)生熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。根據(jù)熱傳導(dǎo)的“傅里葉定律”可知,傳熱速率與該方向的溫度梯度成正比。由此可得,對(duì)于端面?zhèn)鳠醽?lái)說(shuō),到端面的距離大于圓柱半徑(x>r)的位置是達(dá)到穩(wěn)定溫度較晚的位置;對(duì)于側(cè)面?zhèn)鳠醽?lái)說(shuō),由于圓柱形藥柱是軸對(duì)稱的,因此最后達(dá)到溫度穩(wěn)定的位置是中心軸線。

綜上所示,圓柱型藥柱的彈藥熱學(xué)中心位于圖1所示的o′-o″線段上。考慮到實(shí)際藥柱并不是標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形,因此定義“彈藥熱學(xué)中心”為o′-o″線段上對(duì)應(yīng)的發(fā)射裝藥直徑最大的位置。對(duì)于具有中心傳火管或者中空可燃紙筒結(jié)構(gòu)的發(fā)射藥,其彈藥熱學(xué)中心在火藥與傳火管的交界面處。

圖1 彈藥熱學(xué)中心示意圖Fig.1 Schematic diagram of ammunition thermal center

本文通過(guò)在發(fā)射裝藥內(nèi)部預(yù)置微型溫度傳感器的方法進(jìn)行藥溫測(cè)量。

1.1 彈藥改裝

選取30～155 mm共計(jì)11種口徑的12種現(xiàn)役典型彈藥的發(fā)射裝藥進(jìn)行改裝。對(duì)藥?；蛩幨睆酱笥? mm的發(fā)射裝藥進(jìn)行鉆孔,鉆孔深度大于6 mm,將傳感器探頭插入孔內(nèi)并置于發(fā)射裝藥的熱學(xué)中心點(diǎn)、橫向1/2、3/4處或擬測(cè)試溫度的特征點(diǎn)位;對(duì)于藥粒直徑小于5 mm的小口徑彈藥,在藥筒兩側(cè)壁鉆孔,將傳感器探頭用絕熱細(xì)線固定,置于藥筒熱學(xué)中心或裝藥肉厚1/2處;傳感器引線從底火孔引出,并對(duì)所有鉆孔進(jìn)行絕熱密封處理,防止不合理傳熱。

1.2 藥溫測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建

圖2 溫度測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of temperature testing system

圖3 數(shù)據(jù)采集設(shè)備照片F(xiàn)ig.3 Photos of data acquisition equipment

溫度傳感器選用4線RTD Pt100鉑電阻測(cè)量溫度,其測(cè)溫范圍可達(dá)-200 ℃～630 ℃,測(cè)量精度可達(dá)±0.1 ℃(A級(jí)),穩(wěn)定度好,重要的是其探頭尺寸小,約3 mm×5 mm。圖4是“小探頭”4線RTD Pt100溫度傳感器。

圖4 4線制RTD Pt100溫度傳感器Fig.4 Four-wire RTD Pt100 temperature sensor

1.3 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試過(guò)程

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試包括以下4個(gè)升、降溫測(cè)試過(guò)程:

①20～-40 ℃低溫測(cè)試;

②20～-55 ℃低貯測(cè)試;

③15～50 ℃高溫測(cè)試;

④15～70 ℃高貯測(cè)試。

1.4 數(shù)據(jù)采集

采用溫度測(cè)試系統(tǒng)對(duì)上述4個(gè)過(guò)程分別進(jìn)行測(cè)試,初始溫度穩(wěn)定后開始采樣,測(cè)試采樣間隔設(shè)為1 min,采集時(shí)間持續(xù)到所有測(cè)試點(diǎn)溫度與周圍溫場(chǎng)溫度達(dá)到平衡(與目標(biāo)溫度偏差小于0.5 ℃)并保持穩(wěn)定1 h以上停止采集,并保存數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 保溫平衡時(shí)間計(jì)算

由于環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備內(nèi)部溫度場(chǎng)均勻度和噪聲的影響,本文設(shè)計(jì)了一種彈藥保溫平衡時(shí)間計(jì)算方法:首先將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理,然后計(jì)算試件溫度與試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)溫度達(dá)到規(guī)定溫度允差的穩(wěn)定時(shí)間。具體計(jì)算步驟如下所述:

① 對(duì)采集的彈藥熱學(xué)中心溫度θc進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波處理,其表達(dá)式為

(1)

式中:N為滑動(dòng)窗口的寬度,t為時(shí)間變量。

② 計(jì)算yc溫度與試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)溫度θE偏差小于等于允差(本文規(guī)定允差為±0.5 ℃)時(shí)所用的時(shí)間t0,其表達(dá)式為

|yc(t)-θE|≤δ

(2)

t0=min(t)t∈[0,L]

(3)

式中:L為溫度采集時(shí)長(zhǎng),單位為min,δ為允差。

③ 對(duì)同一種彈藥的多個(gè)樣本,取t0中最大值為該類彈藥的保溫平衡時(shí)間。

2.2 誤差分析與控制措施

測(cè)試系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)不可避免地會(huì)引入誤差,本實(shí)驗(yàn)中的誤差來(lái)源主要分為三類:試驗(yàn)條件誤差、測(cè)量精度誤差和數(shù)據(jù)處理誤差。

首先,試驗(yàn)條件誤差主要受環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備溫度場(chǎng)均勻度、波動(dòng)度、風(fēng)速、升降溫速率、彈藥內(nèi)傳感器放置位置偏差等多種因素的綜合影響;本次實(shí)驗(yàn)通過(guò)預(yù)先調(diào)整試驗(yàn)箱技術(shù)狀態(tài)、精準(zhǔn)布設(shè)傳感器位置等措施有效地減小了試驗(yàn)條件誤差。

其次,測(cè)量精度誤差主要由測(cè)試設(shè)備和傳感器的精度決定;本次測(cè)溫實(shí)驗(yàn)采用的是先進(jìn)的Keithley 2750數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),采用GPIB總線提高了采集速度,確保了各傳感器采樣時(shí)間的同步性,并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波處理,從而最大程度地減小了測(cè)量精度帶來(lái)的誤差。

最后,數(shù)據(jù)處理誤差主要是指通過(guò)測(cè)得的溫度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)來(lái)確定保溫平衡時(shí)間時(shí)造成的誤差;根據(jù)設(shè)定的允差(δ=±0.5 ℃),分別對(duì)12種不同發(fā)射藥在4種升/降溫實(shí)驗(yàn)工況下的保溫平衡時(shí)間選取進(jìn)行了誤差分析,得到的誤差范圍均在5%以內(nèi)。

2.3 溫度穩(wěn)定時(shí)間分析

將測(cè)試數(shù)據(jù)生成了一系列溫度隨時(shí)間變化的曲線圖,從測(cè)試數(shù)據(jù)比對(duì)分析可得出:

①?gòu)椝幍谋仄胶鈺r(shí)間與彈藥裝藥的徑向厚度、裝藥類型、裝藥密度以及裝藥結(jié)構(gòu)均有關(guān);

②盡管155 mm彈藥口徑最大,但由于裝藥中心存在傳火管和中空的可燃紙筒結(jié)構(gòu),其保溫平衡時(shí)間反而有所縮短;

③彈藥內(nèi)部不同位置的傳感器溫度變化規(guī)律均表現(xiàn)為:徑向從外向里傳熱速率越來(lái)越慢,保溫平衡時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng);

④此次實(shí)驗(yàn)室測(cè)試所有彈種保溫平衡時(shí)間均包含了設(shè)備升、降溫段時(shí)間,其中:50 ℃用時(shí)22 min,70 ℃用時(shí)42 min,-40 ℃用時(shí)94 min,-55 ℃用時(shí)174 min;

⑤升降溫速率隨時(shí)間變化(溫差減小)而減小。

圖5給出了任意3種彈藥裝藥內(nèi)部溫度在升降溫過(guò)程中的變化曲線,彈藥直徑(d)分別為30 mm,76 mm和130 mm,其中CH416/CH417為環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備內(nèi)部的溫度變化曲線。

圖5 3種發(fā)射藥在升/降溫工況下的溫度變化曲線圖Fig.5 Temperature variation curve of three propellants under rising/cooling conditions

針對(duì)12種被測(cè)試彈藥生成的保溫平衡時(shí)間柱狀圖,如圖6所示,由圖可知:

圖6 被測(cè)試彈藥的保溫平衡時(shí)間柱狀圖Fig.6 Histogram of insulation balance time of tested ammunition

①57 mm(含)以下口徑彈藥保溫平衡時(shí)間均小于10 h;

②76～122 mm口徑彈藥保溫平衡時(shí)間均小于16 h;

③125～155 mm口徑彈藥保溫平衡時(shí)間均小于25 h;

④保溫平衡時(shí)間最長(zhǎng)的為裝藥量最大的130 mm口徑彈藥。

此外,本文采用的測(cè)試方案和數(shù)據(jù)處理方法中,保溫平衡時(shí)間的計(jì)算是從試驗(yàn)箱開機(jī)時(shí)間為準(zhǔn),而國(guó)軍標(biāo)中規(guī)定的保溫時(shí)長(zhǎng)的起算時(shí)間通常是以試驗(yàn)箱達(dá)到規(guī)定溫度的時(shí)間為準(zhǔn),試驗(yàn)箱升降溫約需1 h,因此,理論上本文中計(jì)算的保溫平衡時(shí)間比真值更長(zhǎng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)12種典型彈藥進(jìn)行了測(cè)溫彈改裝和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以得出以下結(jié)論:

①12種彈藥發(fā)射裝藥保溫平衡時(shí)間最長(zhǎng)不超過(guò)26 h,而且小口徑彈藥保溫平衡時(shí)間僅需要7～8 h。

②彈藥保溫平衡時(shí)間最長(zhǎng)的并不是口徑最大的155 mm彈藥,而是裝藥密度高的130 mm、152 mm口徑彈藥。

③從測(cè)試結(jié)果看,新軍標(biāo)對(duì)57 mm(含)以下口徑彈藥設(shè)置恒溫12 h、76～122 mm口徑彈藥設(shè)置恒溫24 h、125～155 mm口徑彈藥設(shè)置恒溫36 h保溫平衡時(shí)間,完全可以滿足彈藥保透需求,是比較科學(xué)合理的,可以大幅縮短試驗(yàn)周期,提高常規(guī)兵器靶場(chǎng)試驗(yàn)效率。