劉東堯,孫 鵬,張欣尉,余永剛

(1.南京理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,江蘇 南京 210094;2.中國電子科技集團公司第53研究所,天津 300308)

彈帶的動態(tài)擠進過程一直是影響火炮發(fā)射內(nèi)彈道過程的主要因素之一[1]。曾思敏等[2]采用內(nèi)彈道試驗技術(shù)及彈帶擠進的慣性阻尼理論對彈丸的擠進過程進行了試驗研究和數(shù)值計算,結(jié)果表明彈丸動態(tài)擠進過程的阻力遠大于經(jīng)典內(nèi)彈道學(xué)通常所采用的數(shù)值。金志明等[3]采用液壓驅(qū)動試驗系統(tǒng)及沖擊載荷作用下的二階彈簧阻尼系統(tǒng)對彈帶的準靜態(tài)擠進過程進行了試驗研究和數(shù)值計算,得到了擠進壓力隨膛壓的變化規(guī)律。何勇[4-5]采用液壓驅(qū)動試驗系統(tǒng)及簡化的應(yīng)力傳播模型對彈帶的準靜態(tài)擠進過程進行了試驗研究和數(shù)值計算,給出了彈丸動態(tài)擠進時彈帶材料和結(jié)構(gòu)對擠進阻力的影響及彈帶尺寸誤差所導(dǎo)致的擠進壓力的變化對火炮射擊精度的影響。South等[6]采用準靜態(tài)擠壓試驗裝置和軟回收裝置分別對小口徑槍彈在不同應(yīng)變加載速率和裝藥條件下的準靜態(tài)擠進和動態(tài)擠進過程進行了試驗研究,分析了應(yīng)變加載速率對擠進阻力的影響及彈帶擠進質(zhì)量損失與裝藥量的關(guān)系。劉國慶等[7]利用準靜態(tài)模擬試驗裝置研究不同坡膛角度下槍彈擠進過程阻力的特征,認為軸向摩擦是擠進阻力的主要組成部分,同時利用有限元方法模擬槍彈的擠進,得到阻力形成機理及擠進阻力計算方法。陳龍淼等[8]通過設(shè)計彈簧推桿動力加載裝置模擬彈帶動態(tài)擠進過程,并通過對擠進過程的動力仿真得到彈帶變形過程中的阻力特性曲線。

由于彈帶的擠進是一個高溫、高壓火藥燃氣加載在彈底,使彈丸在坡膛產(chǎn)生高應(yīng)變率的塑性變形及斷裂過程,大多數(shù)的實驗采用準靜態(tài)或模擬實驗裝置來研究其動態(tài)擠進特性。本文根據(jù)火炮發(fā)射條件下的彈帶動態(tài)擠進實驗和測量裝置,研究火藥燃氣加載條件下的彈帶擠進阻力特性。

1 實驗裝置和數(shù)據(jù)處理

1.1 實驗裝置

圖1為根據(jù)某型火炮的坡膛結(jié)構(gòu)設(shè)計的彈帶動態(tài)擠進實驗和測量系統(tǒng)示意圖。整個裝置由短管炮發(fā)射系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。短管炮與該型火炮具有相同藥室和坡膛結(jié)構(gòu),截短身管的目的是便于利用高速攝像設(shè)備記錄彈丸擠進過程中的位移。壓力傳感器主要用以獲得彈帶擠進時膛內(nèi)的壓力變化規(guī)律[9]。

圖1 彈帶動態(tài)擠進實驗裝置示意圖

1.2 數(shù)據(jù)處理

坡膛位置的壓力傳感器測量得到的壓力可以看作彈帶擠進時作用于彈底的壓力,進而可以計算出作用于彈底的力。露出管口的彈丸頭部采用高速攝像系統(tǒng)記錄其位移信息。為了保證壓力采集與彈帶的擠進過程同步,使用壓力觸發(fā)信號作為高速錄像系統(tǒng)的啟動信號。

受遠場攝像狀態(tài)下CCD相機分辨率和視場大小的限制,拍攝的圖片上彈丸頭部分辨率不高。雖然采用背景刻度標識和強光照射手段,拍攝到的彈丸運動序列圖片并不十分清晰。因此,要采用圖像處理技術(shù)對圖片進行處理以便后續(xù)識別。采用包括噪聲濾波、特征增強等技術(shù)手段,根據(jù)彈丸頭部的背景標尺校準彈丸的圖像信息,得到圖片中的像素點尺寸和實際尺寸的比例關(guān)系。利用圖像處理軟件完成圖像中標志點的自動跟蹤,通過亞像素方法得到不同時刻的標志點之間的位移數(shù)據(jù)。

在得到標志點位移數(shù)據(jù)后,可以得到對應(yīng)的位移-時間關(guān)系曲線。由于直接得到的位移數(shù)據(jù)有限,為了便于后續(xù)處理,使用Savitzky-Golay算法對位移-時間數(shù)據(jù)進行平滑去噪。對該曲線分別進行一次和兩次微分,即可得到彈丸的速度和加速度與時間的關(guān)系。在獲得彈丸的加速度數(shù)據(jù)后,根據(jù)牛頓第二定律,在已知作用于彈底的壓力條件下,就可以得到彈帶擠進過程中阻力的動態(tài)變化規(guī)律。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 榴彈彈帶擠進

某型制式榴彈質(zhì)量為1 kg,彈帶為紫銅,底部寬度為11.5 mm,頂部前后均有導(dǎo)向角,外徑為41.6 mm。圖2給出了該榴彈彈帶擠進實驗得到的坡膛壓力p隨時間的變化曲線。由圖可見,在火藥燃燒初期,由于膛內(nèi)裝藥密度比較低,膛內(nèi)壓力過程較為平緩;經(jīng)過一定時間之后,膛內(nèi)壓力開始快速上升;當t=14 ms后,膛內(nèi)壓力達到最大值54 MPa。彈帶擠進完成之后,彈丸離開短身管,膛內(nèi)燃氣壓力快速降低。由圖1可見,坡膛位置靠近彈底,在擠進過程中彈底總的位移量較小,可以認為該位置處的壓力為彈底壓力。

圖2 榴彈坡膛壓力-時間曲線

圖3為榴彈彈帶擠進過程中不同時刻彈丸頭部位移序列圖片,為了突出彈丸位置,在沿彈丸輪廓邊緣使用虛線進行了標識。

圖3 不同時刻彈丸的位移序列

利用圖像處理軟件,得到不同時刻彈丸標識點的位移數(shù)據(jù)。由于彈帶擠進過程中彈丸頭部不發(fā)生變形,該標識點的位移可以看作彈丸的整體位移。對數(shù)據(jù)進行平滑處理,得到的彈丸位移s隨時間的變化曲線如圖4所示。將圖4與圖2的膛內(nèi)壓力隨時間變化曲線進行比較,可以看出,相對于膛內(nèi)壓力上升過程,彈帶的擠進時間非常短暫。在獲得彈丸位移-時間曲線的基礎(chǔ)上,對該曲線數(shù)據(jù)分別進行一次和兩次微分,可以分別得到彈丸運動的速度曲線和加速度曲線。

圖4 榴彈擠進坡膛過程位移-時間曲線

圖5為根據(jù)彈帶擠進過程中彈底壓力和彈丸加速度數(shù)據(jù)計算得出的作用在彈帶上的阻力F與位移s的關(guān)系曲線。由圖可見,在可見的彈丸位移范圍內(nèi),擠進阻力達到52.2 kN時彈帶才產(chǎn)生有效變形。這個阻力并不一定代表彈帶的初始擠進阻力。彈帶擠進膛線時,首先發(fā)生彈性變形,在彈底作用力克服彈帶材料的屈服極限后,才產(chǎn)生可觀測的塑性變形。隨著彈帶的繼續(xù)擠進,彈丸位移增大,擠進阻力開始增加,在1.2 mm左右擠進阻力達到53.1 kN的最大值。彈丸位移達到3 mm左右時,擠進阻力隨著彈丸位移的增大開始降低,這說明彈帶已完成擠進,彈帶材料開始屈服失效。

圖5 榴彈擠進阻力-位移曲線

2.2 穿甲彈彈帶擠進

根據(jù)發(fā)射任務(wù)需要,穿甲彈彈帶材料和結(jié)構(gòu)均與榴彈彈帶不同,其擠進過程也有較大差異。以某質(zhì)量為495 g的穿甲彈為例,采用底部寬度為12 mm,外徑為41.6 mm的MC尼龍彈帶進行擠進試驗,得到的坡膛壓力隨時間變化曲線如圖6所示。由圖可見,在火藥點火燃燒初期,膛內(nèi)壓力上升較為平緩;經(jīng)過一段時間之后,隨著火藥的全面著火燃燒,壓力開始迅速升高;隨后在彈帶擠進過程中膛內(nèi)壓力達到最大;擠進完成后彈丸離開身管,膛內(nèi)壓力快速降低。

圖6 穿甲彈坡膛壓力-時間曲線

對穿甲彈序列位移圖片進行處理,可以得到彈丸位移-時間曲線,如圖7所示。由圖可見,在6.7 ms時(此時膛內(nèi)壓力約為10 MPa)彈帶開始產(chǎn)生變形運動。同樣,在彈帶擠進初期,彈底壓力較低,彈丸首先發(fā)生彈性變形,產(chǎn)生較小的位移;隨著彈底壓力的增大,彈帶的受力達到其屈服極限,產(chǎn)生較明顯的塑性變形,彈丸位移量快速增大。

圖7 穿甲彈擠進坡膛過程位移-時間曲線

圖8為根據(jù)彈底壓力及彈丸加速度計算得到的尼龍彈帶擠進阻力隨位移變化曲線。由圖可見,在彈帶彈性變形階段擠進阻力主要為靜摩擦力,且在數(shù)值上與彈底壓力基本一致。當擠進阻力達到26.4 kN時,彈帶開始產(chǎn)生可有效觀測的塑性變形。隨著彈帶變形量的增加,擠進阻力越來越大。當彈帶擠進位移達到4 mm左右時,擠進阻力達到最大值。此位移小于彈帶的寬度,說明尼龍彈帶的最大擠進阻力并非發(fā)生在完全擠進時刻。此后,隨著彈帶繼續(xù)擠進,擠進阻力開始下降直至擠進過程結(jié)束。

圖8 穿甲彈擠進阻力-位移曲線

2.3 分析和比較

分析榴彈彈帶和穿甲彈彈帶的擠進過程參數(shù)可以發(fā)現(xiàn),這兩種彈帶的擠進過程有一定共性。但是,由于兩種彈丸使用的彈帶材料和結(jié)構(gòu)不同,在啟動阻力、最大阻力等方面還存在一定的差異。首先,彈丸質(zhì)量和彈帶材料的差異使兩種彈帶擠進阻力有較大的不同;其次,尼龍彈導(dǎo)向角為23°,小于銅彈帶的導(dǎo)向角45°。因此,尼龍彈帶初始擠進阻力更小。

對圖2和圖6中兩種彈帶擠進試驗中的彈底壓力曲線進行比較,榴彈擠進過程膛壓最大值要比穿甲彈擠進過程膛壓最大值高21.2 MPa。這是由于穿甲彈質(zhì)量較低,彈帶擠進啟動和屈服應(yīng)力較低,彈丸很快完成擠進離開身管,導(dǎo)致膛內(nèi)的火藥沒有完全燃燒。在穿甲彈擠進實驗結(jié)束后,藥室內(nèi)發(fā)現(xiàn)了未完全燃燒的藥粒,這也佐證了此結(jié)論。

從圖4和圖7彈丸位移曲線上可以看出,榴彈在15.3 ms時才出現(xiàn)位移,而穿甲彈在6.7 ms時彈丸開始變形運動,對應(yīng)的榴彈擠進的啟動壓力遠大于穿甲彈;但是,榴彈完成擠進所需的時間為1.2 ms,小于穿甲彈1.8 ms的擠進完成時間。這些差異同樣是由彈帶材料和結(jié)構(gòu)決定的。

由圖5和圖8給出的榴彈和穿甲彈擠進阻力-位移曲線可以看出,紫銅彈帶啟動擠進阻力大于尼龍彈帶,一旦開始擠進,很快達到最大阻力;而尼龍彈帶雖然啟動阻力較低,隨著彈帶變形,阻力持續(xù)增大,但是其最大阻力還是小于紫銅彈帶。

3 結(jié)論

在短管炮實驗裝置上進行了榴彈和穿甲彈彈帶擠進實驗,測量彈底壓力和彈丸位移,并進行計算分析,獲得了兩種彈藥彈帶擠進過程中的阻力特性。研究結(jié)果表明,彈帶材料和結(jié)構(gòu)對擠進阻力影響明顯。紫銅彈帶擠進時啟動壓力和最大擠進阻力較大,但是完成擠進的時間較短;尼龍彈帶擠進時啟動壓力和最大擠進阻力較低,相應(yīng)的擠進完成時間較長。