随行装药优化设计

【装备理论与装备技术】

随行装药优化设计

祁臣勇

(中北大学，太原030051)

摘要:为了优选出30 mm随行装药结构的点火延迟时间、随行药燃速和随行药火药力三者的优化组合，保证在最大膛压不超出指标的条件下获得较高的弹丸初速。采用固体随行装药零维内弹道模型编写程序求数值解，在此基础上采用正交试验设计法设计随行装药结构的优化试验方案，利用正交表安排数值模拟试验，运用综合平衡法分析试验结果，得出优选方案并用数值模拟试验验证。优选方案为：点火延迟时间1.766 ms，随行药燃速系数2.67×10-8 m/(s.pan)，随行药火药力1 050 MPa.dm3/kg。验证结果说明用正交法安排数值模拟试验可以优选出较好的随行装药结构参数。

关键词：随行装药；数值模拟；正交试验

收稿日期：2014-08-06

基金项目：火炸药研究基金(404060202)

作者简介：祁臣勇(1981—)，男，硕士研究生，主要从事火药装药研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.017

中图分类号：TJ410.52

文章编号：1006-0707(2015)01-0060-04

本文引用格式：祁臣勇.随行装药优化设计[J].四川兵工学报，2015(1):60-63.

Citationformat:QIChen-yong.OptimizationDesignofTravelingCharge[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(1):60-63.

OptimizationDesignofTravelingCharge

QIChen-yong

(NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China)

Abstract:The purpose of this study is to select the optimization results of delay time, burning rate, and the travel charge impetus of 30 mm traveling charge structure in order to have a higher muzzle velocity of projectile under the condition of maximum bore pressure. According to the adoptive traveling charge scheme in 30 mm cannon, a zero dimension interior ballistic model of solid traveling charge was used to get a program for numerical solution. The travel charge optimization test scheme was designed by orthogonal experimentation. The orthogonal layout was used to arrange tests, and then the synthesized balance method was adopted to analyze the data of numerical simulation. The optimized ignition delay time, burning rate and the travel charge impetus were obtained and validated with numerical simulation tests. The optimal solution is that the delay time is 1.766 ms, the burning rate is 2.67×10-8 m/(s.pan), and the travel charge impetus is 1 050 MPa.dm3 kg.Verification results show that the method which optimizes parameter by using numerical simulation tests arranged by orthogonal is feasible.

Keywords:travelingcharge;numericalsimulation;orthogonaldesign

随行装药技术是在弹丸底部装填一定量的火药，当主装药膛压达到最大值后，随行装药开始燃烧产生大量的气体，增加弹后压力，提高弹丸初速。随行装药可以在最大膛压和总装药量不变的前提下提高弹道效率，获得较高的炮口初速。随行装药的关键技术包括随行技术、点火延迟时间的控制技术和高燃速火药技术[1]。选取恰当的点火延迟时间、随行药燃速和随行药能量是随行装药设计的关键。本研究采用正交试验设计法设计30mm随行装药结构的数值模拟优化试验方案，并利用零维内弹道模型对随行装药进行数值模拟计算，分析点火延迟时间、随行药燃速和随行药火药力对最大膛压和弹丸初速的影响，优选出点火延迟时间、随行药燃速和随行药火药力的优化组合。

1随行装药内弹道模型[2]

1) 主装药的药型函数

2) 主装药的燃速方程

3) 随行药的药型函数

4) 随行装药的燃速方程

5) 弹丸速度与行程关系式

6) 弹丸运动方程

7) 随性装药点燃后的内弹道基本方程

其中：

2正交试验设计

假定随行装药试验在30mm火炮上进行，选取点火延迟时间A、随行药燃速B和随行药火药力C作为正交设计因素，将最高膛压和弹丸初速作为正交试验的评判标准：最高膛压低于30mm榴弹膛压指标，弹丸初速越高越好。根据国内外学者在随行装药试验和理论研究所取得的成果[3-6]试验中各因素的水平值如表1所示。

在相同的计算条件下，数值模拟的计算结果不存在试验误差引起的数据波动，所以正交表不设计空白列考察偶然误差。试验需要考察3个单因素，自由度总和为： f总=3×(3-1)=6。正交表L9(34)的自由度为8，本设计方案可选用L9(34)设计正交试验，表头设计如表2所示。

表1　正交分析因素及水平

表2　表头设计

根据表2，将因素A、B和C的3个水平分别填入L9(34)的第一、第二和第三列中，便得到9种不同的试验方案，如表3所示。

表3　试验方案

3正交试验和结果分析

利用随行装药内弹道模型，分别数值模拟正交表中的9组随行装药，其数值结果见表4。

采用综合平衡法进行分析，表5列出了双指标的极差分析结果，其中Ki(i=1，2，3)表示各因素的第i水平在试验中所对应的试验值之和。

根据表5中极差的大小判断，对于最大膛压，优化组合是A3B3C3，各因素影响程度关系是：B>A>C；对于弹丸初速，优化组合是A1B1C3，各因素影响程度关系是：B>C>A。这2个方案不完全相同。各指标随因素的水平变化规律如图1所示。

表4　正交试验结果

表5　双指标极差分析

图1　各指标随因素的水平变化规律

将图1和表5结合分析，得到较好的试验方案是A2B2C3，该方案在正交表中没有出现，需要模拟计算，与其他方案进行比较。

4优化组合的数值模拟及分析

对分析出来的较好方案进行数值模拟，第一压力峰值303.796 0MPa，第二压力峰值303.775 4MPa，弹丸初速942.543 8m/s,。p-t曲线图如图2所示。

图2　优化方案的p-t曲线

随行装药的点火延迟时间为1.766ms。其位置位于主装药的最大压力点之后，燃烧分裂点之前。如果随行装药点火过早，随行药在高膛压下快速燃烧，主装药与随行药同时燃烧释放出大量的气体和能量，有可能形成过高的膛内最大压力，影响射击安全性。如果随行装药在主装药燃烧分裂点后点燃，随行药燃烧释放的能量得不到充分利用，甚至不能完全燃烧，且炮口压力过大，影响射击精度。同时，会形成双峰之间过低的峰谷，增加了膛内的压力波动，对火炮设计的安全性带来影响。

随行药燃速系数为2.67×10-8m/(s·pan)。如果随行药燃速过低，燃烧产生的少量气体填充到弹丸高速运动产生的弹后真空中，无法有效提高弹后压力，随行装药的效果不明显。如果随行药燃速过高，随行药燃烧产生的能量会使膛内压力迅速升高，形成的第二压力峰峰值比第一压力峰大。过高的膛压会威胁到射击安全。

随行药的火药力为1 050MPa·dm3/kg。火药力是发射药能量的标志。高能量的火药燃烧生成的气体，在气固交界面上形成较大的推力，该推力与弹丸底部附近的气体压力相结合，对弹丸的做功能力增强，弹丸初速提高。此外，选用火药力高的随行药，可以在不改变随行药能量的前提下减少随行药的装药量，减小弹丸的消极质量，有利于提高弹丸初速。

5结论

采用正交试验设计中的综合平衡法进行分析，较好的随行装药结构参数组合是：A2为点火延迟时间，第2水平，1.766ms；B2为随行药压力全冲量，第2水平,2.67×10-8m/(s·pan)；C3为随行药火药力，第3水平，1 050MPa·dm3/kg。综合衡量，这一结果优于正交表中的方案，说明用正交法安排数值模拟试验可以优选出较好的随行装药结构，对随行装药参数设计具有指导意义。

参考文献：

[1]金志明.高速推进内弹道学[M].北京：国防工业出版社，2001：286.

[2]杨京广，余永刚.固体随行装药内弹道模型及数值模拟[J].火炮发射与控制学报，2006(2)：1-5.

[3]北京大学数学力学系概率统计组 正交试验法[M].北京：石油化学工业出版社,1976.

[4]王浩.随行装药火炮经典内弹道模型与实验技术研究[J].兵工学报,1996,17(4)：298-302.

[5]杨京广.固体随行装药内弹道实验及数值计算[D].南京:南京理工大学,2006： 29-302.

[6]王浩.随行装药效果与敏感性研究[J].弹道学报,1996 8(1)：20-25.

[5]崔军，赵海龙，皇才进. 基于发射装药技术提高穿甲弹初速研究[J].四川兵工学报，2014(5):4-6.

(责任编辑周江川)