隐身弹丸的弹底托分离技术设计

张培忠,宁金贵,王建国,王 欣

(中国人民解放军63850部队,吉林 白城 137001)

在海湾战争和伊拉克战争中,美军利用炮位侦察校射雷达侦察伊军火炮和导弹发射阵地;以色列陆军利用“天穹”系统多次成功拦截了哈马斯武装人员发射的火箭弹[1-2]。因此,需要研究一种对雷达隐身的弹丸,防止雷达反推算出火炮发射阵地的坐标,从而达到保护我方火炮发射阵地的目的[3-4]。

弹丸对雷达隐身的技术包括外形隐身技术和材料隐身技术。材料隐身技术主要是将吸波材料、超材料涂覆于弹丸表面,实现弹丸对雷达的隐身。在外形隐身方面,则是完全依照外形隐身设计规范设计弹丸结构,即次口径碟形隐身弹丸(也称为全隐身弹丸)[5-6]。此后,为了不降低弹丸的威力和精度,对弹丸的外形结构进行了改进,将弹丸前定心部直接接触炮膛,前定心部不涂覆吸波材料,称为全膛半隐身弹丸[7-8]。2种技术都借助于可靠的弹底托分离技术,消除了2条铜弹带和闭气环槽等凸起的雷达波强散射源,实现了弹丸对雷达外形隐身的目的。

1 隐身弹丸结构

1.1 全隐身弹丸结构

如图1所示,全隐身弹丸包括引信、弹体和弹底托几个部分,弹体表面全部涂覆吸波材料,弹体与弹底托之间用铝制螺栓连接、隼口咬合。当火炮发射全隐身弹丸时,膛内火药气体通过弹底托底部的通孔流入压力腔中。弹丸出炮口之后,弹底托借助压力腔内留存火药气体的压力迅速剪切铝制螺栓,完成与全隐身弹体的分离动作。

图1 全隐身弹丸结构

1.2 全膛半隐身弹丸结构

为了不牺牲弹丸的威力和精度,改进了弹丸外形结构,设计了全膛半隐身弹丸。该种弹丸也是由引信、弹体和弹底托组成,弹体表面除了前定心部以外均涂覆吸波材料,弹体与弹底托之间也同样用铝制螺栓连接、隼口咬合,结构如图2所示。当全膛半隐身弹丸发射出炮口之后,弹底托借助压力腔内留存火药气体的压力迅速剪切铝制螺栓,弹底托与全膛半隐身弹体迅速分离。

2 隐身弹体与弹底托分离的原理

火炮发射隐身弹丸时,膛内火药气体在推动隐身弹丸前进过程中,有少量通过弹底托底部的通孔流入压力腔内。膛内火药气体压力为弹底压力pd,密度为ρ;弹底托的压力腔内火药气体压力为pv,密度为ρv;压力腔容积为V,通孔最小横截面积为Sd。在隐身弹丸加速前进过程中,因隐身弹体的惯性力、压力腔内火药气体压力同时作用在铝制螺栓的两端,此时铝制螺栓不会被剪切,如图3所示。当隐身弹丸出炮口以后,弹底压力pd消失,隐身弹体的惯性力也随之消失。忽略少量留存火药气体从通孔反流出,压力腔内留存火药气体的压力作用于铝制螺栓上,而铝制螺栓结构强度薄弱,该压力足够剪切铝制螺栓,推开隐身弹体,完成弹底托与隐身弹体分离动作,如图4所示。

在火炮发射隐身弹丸过程中,设某一时间dt内炮膛内火药气体经过弹底托底部的通孔流入压力腔内的热量为dQ,压力腔内能量增量为dE,假设这一过程无热散失、无泄漏,是绝热过程,为一维准定常流动。根据热力学第一定律,则

dQ=dE

(1)

dQ=cpTqmdt

(2)

(3)

式中:cp为火药气体的定压比热;cV为火药气体的定容比热;qm为火药气体经通孔流入压力腔的质量流量;T为膛内火药气体温度;Tv为压力腔内火药气体温度;ωt为膛内火药气体比容,ωt=1/ρ,ρ为膛内火药气体密度;ωv为压力腔内火药气体比容,ωv=1/ρv,ρv为压力腔内气体密度。

根据气体状态方程:

(4)

则压力腔内火药气体能量增量为

(5)

(6)

将式(5)、式(6)代入式(1)得:

(7)

式中:k为比热比,即k=cp/cV。

当火药气体通过弹底托底部的通孔最初流入压力腔内时:pd/pv>1.8,为超临界流动,质量流量为

(8)

随着膛压pd下降,压力腔内pv逐渐上升,出现pd/pv≤1.8,变为亚临界态流动,质量流量为

(9)

式中:μ为质量流量系数,一般情况下μ<1。

在pd/pv≤1之后,弹底托压力腔内留存火药气体会反流出,算法可以参考上述过程。

3 隐身弹体与弹底托分离设计

利用经典内弹道学方程计算隐身弹丸运动速度、弹底压力,并补充计算膛内火药气体密度方程:

(10)

膛内火药气体密度方程:

(11)

式中:ψ为火药燃烧的比例;χ1,λ1均为火药形状特征量;Z为火药颗粒燃烧相对已燃厚度;2e为火药颗粒已燃厚度;2e1为火药颗粒厚度;u1为火药燃速系数;p为火药气体压力;ν为火药燃烧指数;S为炮膛横截面积;φ为次要功系数;φ1为不计入火药气体动能时的次要功系数;m为弹丸质量;v为弹丸运动速度;l为弹丸在膛内运动距离;f为火药力;mc为装药质量;θ=k-1,k为火药气体比热比;pd为弹底部火药气体压力;l0为药室容积缩径长;Δ为火药装填密度;δ为火药颗粒密度;α为火药气体余容。

以膛压达到弹带挤进压力作为计算初始条件。利用式(7)、式(8)、式(9)计算弹底托压力腔的压力。再根据铝制螺栓的设计目的、材料、热处理工艺和强度设计其结构参数,保证弹底托压力腔的压力能够剪切铝制螺栓,实现弹底托与弹体分离。

4 设计实例

以某型155 mm加榴炮发射全隐身弹丸、全膛半隐身弹丸为例,发射药为7孔、三胍-15;火药颗粒形状尺寸:平均弧厚2e1=2.4 mm,平均孔径d0=1.5 mm,平均外径de=14 mm,平均长度2lp=33 mm,发射药量分别为1#、2#、3#、4#装药,药室容积缩径长l0=1.214 m,炮膛横截面积S=0.018 9 m2,火药力f=10.75×105N·m/kg,弹丸质量m=45.54 kg。分别计算了发射各装药量的隐身弹丸的运动速度、弹底压力和膛内火药气体密度,如图5～图7所示。

图5 隐身弹丸运动速度

图6 隐身弹丸弹底压力

图7 膛内火药气体密度

以某155 mm全隐身榴弹为例,其弹底托压力腔容积Vd=1.91×10-4m3,弹底托底部的通孔最小面积Sd=7×10-6m2,计算不同装药量时压力腔的压力,结果如图8所示。为了简便起见,忽略从隐身弹丸出炮口至铝制螺栓被剪切瞬间压力腔内火药气体经过通孔流出的过程。

铝制螺栓选用材料为普通2A13铝,其拉伸强度σb=300 MPa,并做特殊的热处理,以调整其剪切强度,其剪切强度τs≤σb/2,则τs=150 MPa。鉴于4#装药发射时压力腔压力较小,根据60 MPa的压力值设计了铝制螺栓的结构参数,其中包括了起应力集中作用的退刀槽,如图9所示。经材料力学校算,剪切面应力为120 MPa,考虑到应力集中作用,剪切面上局部应力超过了剪切强度τs。在隐身弹丸出炮口以后,弹底托压力腔的压力能够剪切铝制螺栓,完成弹底托与隐身弹体的分离。

图8 弹底托压力腔的压力

图9 普通铝制螺栓的结构尺寸及剪切面

5 试验验证

5.1 试验弹丸

为了检验隐身弹丸的弹底托分离技术及其实现的隐身效果,进行了验证试验。分别研制了155 mm全隐身弹丸(如图10所示)、全膛半隐身弹丸(如图11所示)。同时,为了比较2条弹带和闭气环槽对隐身性能的影响程度,还研制了155 mm有船尾的全膛半隐身弹丸(如图12所示),用来与普通155 mm杀爆弹进行比较,前者是在普通155 mm杀爆弹表面部分区域涂覆吸波材料而制成的,后者为现有弹种。

图10 全隐身弹丸

图11 全膛半隐身弹丸

图12 有船尾的全膛半隐身弹丸

5.2 试验与结果分析

将初速雷达布置于火炮炮口侧后方20 m处,测试隐身弹丸的初速,检查隐身弹体与弹底托分离情况。将弹道雷达布置于火炮正后方500 m,采用校射模式,如图13所示,跟踪全隐身弹丸,测试隐身弹丸的径向速度和距离。

图13 弹道雷达对隐身弹丸的跟踪

将炮位侦察校射雷达置于155 mm火炮正前方25～30 km处,采用侦察模式,如图14所示,测试全膛半隐身弹丸、有船尾的全膛半隐身弹丸、普通杀爆弹的隐身性能,从而判断2条铜弹带和闭气环槽对弹丸隐身性能的影响程度。

图14 炮位侦察校射雷达对隐身弹丸的探测

用155 mm火炮装填4#装药发射2发全隐身弹丸。初速雷达测试结果如图15和表1所示,分析结果表明:全隐身弹丸的弹体和弹底托分离动作迅速、可靠,弹底托受空气阻力很大,失速坠落,仅保留隐身弹体独自飞向目标。弹道雷达跟踪隐身弹体的数据分析表明,全隐身弹丸的隐身性能突出[6]。

图15 初速雷达对全隐身弹丸的测试

表1 全隐身弹丸的弹体与弹底托分离数据

用155 mm火炮装填4#装药发射3发全膛半隐身弹丸、4发有船尾的全膛半隐身弹丸,并收集了普通155 mm杀爆弹在炮位侦察校射雷达鉴定试验中的数据进行分析比较。侦察雷达测试结果如表2所示,结果表明:全膛半隐身弹丸隐身性能较好;而有船尾的全膛半隐身弹丸隐身效果不佳,说明了2条铜弹带和闭气环槽对隐身性能的影响显著;普通杀爆弹没有隐身性能,因其未采取材料隐身和外形隐身技术[8]。

表2 半隐身弹丸、普通杀爆弹试验结果

6 结论

研究设计了隐身弹丸的弹底托分离原理和技术,实现了弹丸对雷达外形隐身的目的,并通过全隐身弹丸、全膛半隐身弹丸、有船尾的全膛半隐身弹丸、普通杀爆弹的对比试验,检验该技术对雷达隐身性能的影响,试验结果表明:

①隐身弹丸的弹底托分离动作迅速、可靠,消除了2条铜弹带和闭气环槽对雷达波的强散射,使全隐身弹丸、全膛半隐身弹丸具备了外形隐身功能,均获得了较好的隐身效果;

②有船尾的全膛半隐身弹丸没有消除2条铜弹带和闭气环槽对雷达波的强散射,隐身性能不佳;

③普通杀爆弹未采取材料隐身和外形隐身技术,故不具备隐身性能。