迫击炮用片状变燃速发射药的内弹道性能研究*

白昌盛， 张敬雨，姚顺龙， 贺增弟

(中北大学 环境与安全工程学院， 山西 太原 030051)

0 引言

提高弹丸初速或炮口动能、 增加射程和发射威力是身管武器追求的基本目标[1]， 发射药作为驱动身管武器发射弹丸的主要能源， 是各种武器实现远程发射、 精确打击的重要基石. 武器的发射过程实际上就是发射药在身管武器的膛内燃烧时， 有序地产生高温、 高压的气体来推动弹丸使其在身管中滑行最终高速驶出膛口. 发射装药作为身管武器弹药中的一个重要组成部分， 需要对其能量释放过程加以控制以期适应武器内弹道过程[2-3]. 所以， 研究和发展与弹后空间增长速率相匹配的渐增性能量释放控制技术和优化膛内压力分布的先进装药技术是非常重要的. 目前， 张丽华、 钟建华、 刘平、 刘海情、 牛星星等[4-8]对不同形貌的变燃速发射药的燃气生成规律和燃烧性能进行了研究， 其中包括双层管状、 方片状、 七孔管状、 球形、 三明治型. 这些研究已经很好的证明了变燃速发射药对能量释放过程有很好的调节与控制作用. 另外， 张江波等[9]对片状多层变燃速发射药的内弹道性能进行了数值模拟计算； 程山等[10-11]对含硝酸铵的七孔变燃速发射药的内弹道性能进行了研究， 基于经典内弹道理论建立了七孔变燃速发射药的内弹道模型； 赵煜华[12]等通过数值模拟对部分切口杆状发射药的内弹道性能进行了研究； 薛百文等[13]研究了带状变燃速发射药对无后坐力炮内弹道性能的影响； 王育维等[14]研究了大口径火炮用的钝感发射药的内弹道性能； 张楠[15]等研究了管状变燃速发射药对迫击炮内弹道性能影响.

变燃速发射药是一种高渐增性燃烧的发射药. 目前， 这种高渐增性装药技术在大口径迫击炮上的应用仍处于研究探索阶段， 且多为理论研究. 因此， 本文通过建立片状变燃速发射药的内弹道计算模型来研究片状变燃速发射药的不同参数对迫击炮内的装药内弹道性能影响， 并根据分析结果制备合适的试样， 在某型迫击炮上进行实际弹道实验， 验证片状变燃速发射药应用于迫击炮的可行性.

1 片状变燃速发射药内弹道模型的建立

图1 为片状变燃速发射药的模型示意图. 其中药片弧厚为H/2、 外层药弧厚为(H-h)/2、 内层药弧厚为h/2.药片宽度为D、 药片长度为L.

图1 片状变燃速发射药的模型示意图

基于如下假设建立片状变燃速发射药的内弹道模型[16]：

1) 火药燃烧遵循几何燃速定律， 药体无局部破损；

2) 药体均在平均压力下燃烧， 且燃烧遵循指数燃烧定律；

3) 内膛表面热散失通过减小火药力的方法， 间接修正热损失；

4) 采用次要功系数来考虑其它的次要功；

5) 弹丸挤进膛线是瞬时完成的， 以一定的挤进压力标志作为弹丸的启动条件；

6) 火药燃气服从诺贝尔-阿贝尔状态方程；

7) 单位质量火药燃气所放出的能量及生成的燃气的温度均为定值；

根据以上假设， 基于平行层燃烧推导可得片状变燃速发射药的燃烧形状函数为

(1)

燃烧速度方程

(2)

式中：u1为外层火药的燃速系数， mm·MPa-1·s-1；u2为内层火药的燃速系数， mm·MPa-1·s-1；n1、n2分别为外层火药力与内层火药力的压力指数， 二者均无量纲.

弹丸的运动方程

(3)

式中：v为弹丸速度， m·s-1；S为身管截面积， m2；p为炮膛内平均压力， MPa；φ为次要功系数， 无量纲， 本文中φ取1.02；m为弹丸质量， kg.

速度与行程方程

(4)

式中：l为弹丸行程， m.

间隙面积

SΔ=S-SD，

(5)

式中：SΔ为间隙面积， m2;SD为弹丸定心截面积， m2.

气体流失方程

(6)

式中：η为气体相对流量；CA为流量参数.

能量平衡方程

(7)

式中：l0为药室容积缩颈长， m； Δ为发射药装填密度， kg·m-3；f为火药力， J·kg-1；w为装药量， kg；θ=k-1,k为火药气体的比热比， 无量纲； ψ为已燃质量百分比.

2 片状变燃速发射药对内弹道性能影响的理论分析

对发射药装药能量释放过程进行调节与控制是提高其内弹道性能的最有效途径. 改变变燃速发射药的药形参数是调节与控制其能量释放过程的主要手段. 本文主要分析外层药弧厚与药片弧厚之比δ、 内外层火药燃速比k、 发射药外层火药力f对内弹道性能的影响.其中δ=(H-h)/H、k=(u2pn2)/(u1pn1)， 文中内弹道性能模拟计算时次要功系数φ均取值为1.02.

2.1 外层药弧厚与药片弧厚之比δ对内弹道性能的影响

在装药量为500 g， 弹重为19.2 kg， 变燃速发射药内外层燃速比为1.8， 内外层密度比为1.03， 药形尺寸为长12 mm、 厚0.9 mm、 宽 6 mm 的条件下， 外层药弧厚与药片弧厚之比δ分别取0.1， 0.2， 0.3， 0.4， 0.5的情况下进行数值模拟. 结果如图2， 图3 所示.

从图2 和图3 中可以看出， 最大压力及炮口初速均随δ的增大而减小. 由片状变燃速发射药的形状特征可以得出： 随着外层缓燃层厚度的增加速燃层起作用的时间被进一步延缓， 较好地降低了最大膛压， 但δ也不应过大， 从图2 还可以看出： 当δ为0.5， 速燃层燃烧时弹后空间的增长速率已经成为影响压力的主要因素， 极大地限制了速燃层发射药的性能， 影响了武器的威力. 所以， 片状变燃速发射药缓燃层厚度比例选取要适当， 在0.3～0.4之间为宜.

图2 不同δ的p-t模拟曲线图

图3 不同δ的v-t模拟曲线图

2.2 内外层火药燃速比k对内弹道性能的影响

在装药量为500 g， 弹重为19.2 kg， 内外层密度比为1.03， 药形尺寸为长12 mm、 厚 0.9 mm、 宽6 mm， 外层药弧厚与药片弧厚之比为0.34的条件下， 变燃速发射药内外层燃速比k分别取1.1， 1.5， 2.0， 2.5， 3.0的情况下进行数值模拟. 结果如图4， 图5 所示.

从图4 和图5 中可以看出， 随着内外层燃速比的增加， 最大压力和炮口初速均减少. 另外， 从图4 中可以看出， 在k>2.5之后， 燃速比k对最大压力的降低作用已经减小； 图5 则表明，k>2.5 之后， 燃速比k对炮口初速的降低作用将增加.这是因为随着k的增大， 缓燃层的燃速不断减小， 由起初的缓燃效果向阻燃效果转变.某型迫击炮常温下的内弹道指标要求： 最大压力pm≤100 MPa、 弹丸炮口初速v≥282 m/s， 结合图4 和图5 可以得出， 迫击炮用片状变燃速发射药的内外层燃速比在2.0左右为宜.

图4 不同k的p-t模拟曲线图

图5 不同k的v-t模拟曲线图

2.3 外层火药力f对内弹道性能的影响

在装药量为500 g， 弹重为19.2 kg， 变燃速发射药内外层燃速比为1.8， 药形尺寸为长 12 mm、 厚0.9 mm、 宽6 mm， 外层药弧厚与药片弧厚之比为0.34的条件下， 外层火药力f分别取700， 800， 900， 1 000， 1 100 kJ/kg的情况下进行数值模拟， 结果如图6， 图7 所示.

由图6 和图7 可以看出， 随着f的增加最大压力和炮口初速都有明显的增加. 这是因为火药力代表了火药的做功能力， 外层火药的增加可以提高片状变燃速发射药整体的做功能力. 但是考虑到既要满足某型迫击炮的内弹道指标要求， 又要尽可能实现变燃速发射药的燃速调节效果， 变燃速发射药外层火药力应选择在900 kJ/kg～1 000 kJ/kg 之间.

图6 不同f的p-t模拟曲线图

图7 不同f的v-t模拟曲线图

3 实验及结果分析

3.1 靶场试验样品制备

根据理论计算结果选取不同NG含量的吸收药片作为内外层来制备片状变燃速发射药， 制得H=0.9 mm，h=0.6 mm，D=0.6 mm，L=12 mm， 燃速比k=1.8的片状变燃速发射药， 其中外层药的燃速方程为r1=1.10p0.95， 内层药的燃速方程为r2=2.01p0.95.

3.2 内弹道装药试验

通过某型迫击炮对选定药形的片状变燃速发射药进行内弹道试验. 按照GJB2973A-2008《火炮内弹道试验方法》， 采用铜柱法测试最大压力， 按照GJB2179-94《炮用发射药与装药内弹道试验方法》,采用初速测量雷达测试初速.

3.3 结果及分析

对制备的弧厚为0.9 mm的片状变燃速发射药在某型迫击炮上进行了内弹道试验. 表1 为不同装药量下内弹道性能计算与试验结果， 表2 为相同装药量下内弹道试验与理论计算结果.

表1 不同装药量下内弹道性能计算与试验结果

表2 相同装药量下内弹道性能计算与试验结果

从表1 中可以看出， 不同装药量下数值计算的最大膛压和炮口初速与某型迫击炮试验所得到的最大膛压和炮口初速有较高的吻合度. 最大膛压的最大相对误差为2.40%， 炮口初速的最大相对误差为0.67%. 从表2 中可以看出， 相同装药量下重复多次试验所得的平均试验结果与计算结果会有更高的吻合度. 最大膛压的相对误差为1.02%， 炮口初速的相对误差为0.77%. 表明基于片状变燃速发射药建立的内弹道模型合理， 该模型可以对片状变燃速发射药的内弹道性能参数进行有效预估. 另外， 比较表2 和表3 可以得出： 片状变燃速发射药在较少的装药量下就可以达到与制式发射药内弹道性能相当的效果.

表3 某型迫击炮制式发射药内弹道性能

4 结 论

1) 通过将计算结果与某型迫击炮试验结果比较， 证明了建立的片状变燃速发射药内弹道模型可以对其内弹道性能参数进行有效预估；

2) 外层药弧厚与药片弧厚之比δ、 内外层火药燃速比k二者对其内弹道性能有较大影响.δ在0.3～0.4之间、k接近0.2时能够使片状变燃速发射药在迫击炮内更好地发挥变燃速发射药的优势；

3) 该片状变燃速发射药能够满足某型迫击炮的内弹道指标， 可以运用于该迫击炮.