一级气体炮发射冲击响应测试分析

彭小武，马国鹭，张浩，陈万华，王立斌

(1.西南科技大学 制造过程测试技术教育部重点试验室，四川 绵阳 621010；2.中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000)

一级气体炮是通过对气体的压缩,快速释放压缩气体能量,实现对被发射对象(一般为弹丸)膛内极大加速的动高压加载专业装备[1],广泛应用在高速侵彻冲击、模型弹射等领域。一级气体炮在发射时因极速加速产生极强的后坐力,瞬时冲击载荷对一级气体炮支撑机构、关联装置和电控系统等产生直接影响[2],在大口径、大质量、高速的模型弹射中尤为突出。因此,获得一级气体炮发射参数对冲击响应谱的作用影响,为一级气体炮在相关领域应用提供基本数据支撑具有显著意义。

目前,针对动高压加载装备的冲击响应谱分析,更多是聚焦在一级气体炮内弹道理论分析和气体炮不同发射参数对弹丸速度的影响等。譬如,林俊德等[3]研制了一种新型57 毫米气体炮自励式锥阀,最小开启时间约为2 ms,提高气体炮发射工作效率、具有更宽的弹速范围并且极大程度上简化了气体炮的结构设计;王金贵等[4]结合理想气体状态方程和绝热过程方程并借用火炮内弹道理论中的虚拟质量系数表达形式推导了气体炮内弹道方程,获得了炮口初速解析表达式,为气体炮设计提供了理论依据;夏正友等[5]研发了一种新型的非火药驱动的气体炮,给出了该炮的结构原理和内弹道数学模型,并通过数值模拟分析了发射参数的协调与优化关系,指出了影响弹丸最大加速度的主要因素;李锋等[6]提出了气体密度新的表达方式,推导出了内弹道方程,与传统的经典方程相比,该方程不受容积比的限制,有效提高了理论计算的精度,更准确地揭示了炮口初速随气室容积的变化规律;苏红星等[7]以提高气体炮弹丸初速为目的,分析了气体炮中相关参数对弹丸速度的影响,对指导气体炮的设计与优化提供了理论依据;薄瑞峰等[8]利用气体炮气动原理设计了一种能够模拟炮膛合力冲击载荷的试验装置,分析了设计参数对冲击载荷的影响。诸多学者在气体炮理论方面进行了深入讨论,但鲜有针对具体口径的一级气体炮发射响应进行试验测试和冲击谱线与发射参数的关联分析。

因此,笔者针对口径为50 mm、发射对象(弹丸质量)≥1.0 kg、弹射速度在0～300 m/s、工作介质为空气的一级气体炮,基于动高压原理构建内弹道方程,测试不同弹丸质量、多种出膛速度(弹射气压)下的冲击响应。通过研究不同发射压力下炮尾端面加速度冲击响应与冲击响应功率谱,获得发射平台在气体炮不同发射工况下自身的基础响应特性,为下一步气体炮支撑机构的设计及优化提供理论数据;其次,分析不同发射参数对响应谱线的作用影响,获得特征变化规律,也为该发射参数下的一级气体炮在相关领域应用提供基础响应特性信息。

1 一级气体炮内弹道模型构建

一级气体炮主要由高压气室、自励式快开阀、弹丸装填段、发射炮管和弹丸5个部件构成,结构部分由5个腔室组成,其中高压气室用于储存高压气体;排气腔用于启闭阀芯;阻尼腔用于控制阀芯运动速度并缓解阀芯的振动冲击;缓冲腔借助腔室封闭气体减速阀芯运动,防止阀芯高速冲击自励式快开阀;弹后腔用于高压气室气体泄露时,起到紧急泄压的作用避免弹丸被误发射。如图1所示。

图1中P1、V1、D1分别为高压气室的压力、体积和直径;P、V、x分别为弹后腔的压力、体积和弹后腔长度;Lf、Df分别为发射炮管的长度和口径。基于动高压基本模型,并将内弹道过程视为理想气体绝热膨胀过程,弹丸在发射炮管内的弹道方程[4]如下：

(1)

式中：v为弹丸出膛速度;Sf为发射炮管通径截面面积;P为弹后腔室压力;m为弹丸质量;φ为质量系数,描述[4]如下：

(2)

式中：K为弹丸与发射炮管内壁的摩擦影响系数,鉴于本文中弹丸材料为316L不锈钢,发射炮管为42CrMo,基于相关文献[4]取K=1.05;R为压缩气体常数;T为绝对温度;M为压缩空气的摩尔质量,P1、V1对应为高压气室压力和容积。

弹后压力变化可描述为

(3)

式中：x为弹丸相对初始装弹时所在发射炮管的位置;γ为压缩气体绝热指数。

联立式(1)～(3),整理后获得一级气体炮弹丸出射速度的方程如下：

(4)

取高压气室容积V1=24 L,发射炮管长度Lf=4 m,炮管口径Df=50 mm,获得弹丸质量(0.9～1.4 kg)和高压气室压力(0～15 MPa)对出膛速度的对应关系,如图2所示。当弹丸质量为1.05 kg,发射压力分别为5、7和10 MPa时,弹丸出膛速度分别对应203.32、227.75和253.22 m/s。

2 一级气体炮发射响应测试试验

基于上述构建的内弹道模型,搭建一级气体炮发射系统的试验测试平台,主要由高压气室、快开阀结构、弹丸装填部位、发射炮管、弹丸、高压供气系统和工控系统等部件构成,如图3所示。

一级气体炮发射试验测试系统最大发射压力15 MPa,炮管口径50 mm,长度4 m,弹丸装填区能够适应长度为160 mm、质量为1.05 kg的弹丸。在气体炮发射的过程中,主要是沿轴线方向(气流方向)的后坐力冲击。尾部的加速度响应能够较好地反映弹丸在发射过程中的整个冲击历程,故在炮管尾部(高压气室端面)位置粘贴加速度传感器以获得弹丸发射过程中炮管的加速度时间曲线,采用激光对射传感器获得弹丸出口速度。整个炮身与支架平台采用固定连接,预发射时将炮身调整成水平姿态。搭建的一级气体炮测试系统平台如图4所示。

一级气体炮在水平状态,发射参数按照内弹道的计算结果为载荷输入,对1.05 kg弹丸分别以5、7、10 MPa进行发射测试,加速度传感器的采样频率为10 kHz,获得炮尾端面加速度时间响应曲线。通过炮口测速系统获得该弹丸在5、7和10 MPa发射压力下的实际出膛速度对应为198.03、224.81和249.75 m/s,内弹道模型计算的出膛速度与实际发射试验测试获得的出膛速度基本吻合,平均偏差为1.75%,验证了内弹道模型的可靠性。

3 一级气体炮发射冲击响应分析

3.1 冲击响应时域分析

对一级气体炮在5、7、10 MPa发射压力下的炮尾端面加速度时间响应信号进行分析处理[9～10],1.05 kg弹丸在不同发射压力下的加速度时间100 ms内的响应曲线如图5所示。从图可知,1.05 kg弹丸在出膛速度198.03、224.81、249.75 m/s时,对应的动量分别为207.93、236.05和262.24 kg·m/s,在弹丸出射各动量下对应的加速度峰值为16.67g、16.86g和27.15g,在出现峰值的20 ms后,振荡衰减至峰值的7.62%、7.35%和1.29%;加速度峰值与弹丸出射动量呈线性对应关系,为分析弹丸在炮膛中加速以及出膛过程的动能变化趋势提供参考依据,同时加速度峰值衰减时间间接反应了一级气体炮发射结构的阻尼特性,受动量影响幅度较小。

3.2 冲击响应功率谱分析

对采集的1.05 kg弹丸在不同出膛速度下的加速度响应数据,截取时域长度为100 ms的数据对其进行功率谱分析,如图6所示。

频谱密度主要分布在400～460 Hz、732～742 Hz、1 015～1 035 Hz和1 083～1 416 Hz四个频段,冲击响应谱线幅值随弹丸出膛速度呈线性增大,频谱区域分布宽度则线性变窄。

3.3 冲击响应短时频谱特征提取

采用短时傅里叶变换(Short time Fourier transform,简称STFT)对试验采集的炮尾加速度信号进行时频分析[11],为确保STFT获得较好的时频聚集性[12],选取窗长为128,获得一级气体炮冲击响应谱线的时变特征,如图7所示。

随着出膛速度增大,冲击响应时间由50 ms缩短至40 ms。其中,出膛速度为198.03 m/s时的高频成分频率分布在410～1 500 Hz,其对应的时间范围为20～70 ms,在58.8 ms时受到冲击最大;出膛速度为249.75 m/s时的高频成分频率分布在400～1 100 Hz,其对应的时间范围为20～60 ms,在46.9 ms时受到冲击最大,弹丸出膛速度对频谱能量密度分布高频时变集中特性更加显著。

4 结论

通过对构建的一级气体炮弹道模型分析,搭建的口径为50 mm、弹丸质量大于1 kg的一级气体炮发射平台,在不同压力下进行发射试验测试,获得了加速度冲击响应,基于时域、频域和时频的分析,得到结论如下：

1)构建的内弹道方程能准确描述弹丸质量、压力等参数和出膛速度的关系,为一级气体炮的结构设计提供了理论依据。

2)频谱密度主要分布在400～460 Hz、732～742 Hz、1 015～1 035 Hz和1 083～1 416 Hz四个频段,冲击响应谱线幅值随弹丸出膛速度呈线性增大,频谱区域分布宽度则线性变窄。

3)弹丸出膛速度对频谱能量密度分布高频时变集中特性更加显著。该研究为气动发射在相关领域应用中的设计、冲击评估提供最基本的响应谱线,解决了气体炮在实际工程应用中参考数据不足的问题,减少了相关气动武器研发的成本。