劉東堯,孫 鵬,張欣尉,余永剛

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

彈帶的動(dòng)態(tài)擠進(jìn)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(yàn)技術(shù)及彈帶擠進(jìn)的慣性阻尼理論對(duì)彈丸的擠進(jìn)過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算,結(jié)果表明彈丸動(dòng)態(tài)擠進(jìn)過程的阻力遠(yuǎn)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(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)及沖擊載荷作用下的二階彈簧阻尼系統(tǒng)對(duì)彈帶的準(zhǔn)靜態(tài)擠進(jìn)過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算,得到了擠進(jìn)壓力隨膛壓的變化規(guī)律。何勇[4-5]采用液壓驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)及簡化的應(yīng)力傳播模型對(duì)彈帶的準(zhǔn)靜態(tài)擠進(jìn)過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算,給出了彈丸動(dòng)態(tài)擠進(jìn)時(shí)彈帶材料和結(jié)構(gòu)對(duì)擠進(jìn)阻力的影響及彈帶尺寸誤差所導(dǎo)致的擠進(jìn)壓力的變化對(duì)火炮射擊精度的影響。South等[6]采用準(zhǔn)靜態(tài)擠壓試驗(yàn)裝置和軟回收裝置分別對(duì)小口徑槍彈在不同應(yīng)變加載速率和裝藥條件下的準(zhǔn)靜態(tài)擠進(jìn)和動(dòng)態(tài)擠進(jìn)過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究,分析了應(yīng)變加載速率對(duì)擠進(jìn)阻力的影響及彈帶擠進(jìn)質(zhì)量損失與裝藥量的關(guān)系。劉國慶等[7]利用準(zhǔn)靜態(tài)模擬試驗(yàn)裝置研究不同坡膛角度下槍彈擠進(jìn)過程阻力的特征,認(rèn)為軸向摩擦是擠進(jìn)阻力的主要組成部分,同時(shí)利用有限元方法模擬槍彈的擠進(jìn),得到阻力形成機(jī)理及擠進(jìn)阻力計(jì)算方法。陳龍淼等[8]通過設(shè)計(jì)彈簧推桿動(dòng)力加載裝置模擬彈帶動(dòng)態(tài)擠進(jìn)過程,并通過對(duì)擠進(jìn)過程的動(dòng)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(jìn)是一個(gè)高溫、高壓火藥燃?xì)饧虞d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(shí)驗(yàn)采用準(zhǔn)靜態(tài)或模擬實(shí)驗(yàn)裝置來研究其動(dòng)態(tài)擠進(jìn)特性。本文根據(jù)火炮發(fā)射條件下的彈帶動(dòng)態(tài)擠進(jìn)實(shí)驗(yàn)和測量裝置,研究火藥燃?xì)饧虞d條件下的彈帶擠進(jìn)阻力特性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和數(shù)據(jù)處理

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為根據(jù)某型火炮的坡膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的彈帶動(dòng)態(tài)擠進(jìn)實(shí)驗(yàn)和測量系統(tǒng)示意圖。整個(gè)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(jìn)過程中的位移。壓力傳感器主要用以獲得彈帶擠進(jìn)時(shí)膛內(nèi)的壓力變化規(guī)律[9]。

圖1 彈帶動(dòng)態(tài)擠進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(jìn)時(shí)作用于彈底的壓力,進(jìn)而可以計(jì)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(jìn)過程同步,使用壓力觸發(fā)信號(hào)作為高速錄像系統(tǒng)的啟動(dòng)信號(hào)。

受遠(yuǎn)場攝像狀態(tài)下CCD相機(jī)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(biāo)識(shí)和強(qiáng)光照射手段,拍攝到的彈丸運(yùn)動(dòng)序列圖片并不十分清晰。因此,要采用圖像處理技術(shù)對(duì)圖片進(jìn)行處理以便后續(xù)識(shí)別。采用包括噪聲濾波、特征增強(qiáng)等技術(shù)手段,根據(jù)彈丸頭部的背景標(biāo)尺校準(zhǔn)彈丸的圖像信息,得到圖片中的像素點(diǎn)尺寸和實(shí)際尺寸的比例關(guān)系。利用圖像處理軟件完成圖像中標(biāo)志點(diǎn)的自動(dòng)跟蹤,通過亞像素方法得到不同時(shí)刻的標(biāo)志點(diǎn)之間的位移數(shù)據(jù)。

在得到標(biāo)志點(diǎn)位移數(shù)據(jù)后,可以得到對(duì)應(yīng)的位移-時(shí)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(duì)位移-時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑去噪。對(duì)該曲線分別進(jìn)行一次和兩次微分,即可得到彈丸的速度和加速度與時(shí)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(jìn)過程中阻力的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 榴彈彈帶擠進(jìn)

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(jìn)實(shí)驗(yàn)得到的坡膛壓力p隨時(shí)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(shí)間之后,膛內(nèi)壓力開始快速上升;當(dāng)t=14 ms后,膛內(nèi)壓力達(dá)到最大值54 MPa。彈帶擠進(jìn)完成之后,彈丸離開短身管,膛內(nèi)燃?xì)鈮毫焖俳档?。由圖1可見,坡膛位置靠近彈底,在擠進(jìn)過程中彈底總的位移量較小,可以認(rèn)為該位置處的壓力為彈底壓力。

圖2 榴彈坡膛壓力-時(shí)間曲線

圖3為榴彈彈帶擠進(jìn)過程中不同時(shí)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(jìn)行了標(biāo)識(shí)。

圖3 不同時(shí)刻彈丸的位移序列

利用圖像處理軟件,得到不同時(shí)刻彈丸標(biāo)識(shí)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)。由于彈帶擠進(jìn)過程中彈丸頭部不發(fā)生變形,該標(biāo)識(shí)點(diǎn)的位移可以看作彈丸的整體位移。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理,得到的彈丸位移s隨時(shí)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(shí)間變化曲線進(jìn)行比較,可以看出,相對(duì)于膛內(nèi)壓力上升過程,彈帶的擠進(jìn)時(shí)間非常短暫。在獲得彈丸位移-時(shí)間曲線的基礎(chǔ)上,對(duì)該曲線數(shù)據(jù)分別進(jìn)行一次和兩次微分,可以分別得到彈丸運(yùn)動(dòng)的速度曲線和加速度曲線。

圖4 榴彈擠進(jìn)坡膛過程位移-時(shí)間曲線

圖5為根據(jù)彈帶擠進(jìn)過程中彈底壓力和彈丸加速度數(shù)據(jù)計(jì)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(jìn)阻力達(dá)到52.2 kN時(shí)彈帶才產(chǎn)生有效變形。這個(gè)阻力并不一定代表彈帶的初始擠進(jìn)阻力。彈帶擠進(jìn)膛線時(shí),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(jìn),彈丸位移增大,擠進(jìn)阻力開始增加,在1.2 mm左右擠進(jìn)阻力達(dá)到53.1 kN的最大值。彈丸位移達(dá)到3 mm左右時(shí),擠進(jìn)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(jìn),彈帶材料開始屈服失效。

圖5 榴彈擠進(jìn)阻力-位移曲線

2.2 穿甲彈彈帶擠進(jìn)

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(jìn)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(jìn)行擠進(jìn)試驗(yàn),得到的坡膛壓力隨時(shí)間變化曲線如圖6所示。由圖可見,在火藥點(diǎn)火燃燒初期,膛內(nèi)壓力上升較為平緩;經(jīng)過一段時(shí)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(jìn)過程中膛內(nèi)壓力達(dá)到最大;擠進(jìn)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(shí)間曲線

對(duì)穿甲彈序列位移圖片進(jìn)行處理,可以得到彈丸位移-時(shí)間曲線,如圖7所示。由圖可見,在6.7 ms時(shí)(此時(shí)膛內(nèi)壓力約為10 MPa)彈帶開始產(chǎn)生變形運(yùn)動(dòng)。同樣,在彈帶擠進(jìn)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(dá)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(jìn)坡膛過程位移-時(shí)間曲線

圖8為根據(jù)彈底壓力及彈丸加速度計(jì)算得到的尼龍彈帶擠進(jìn)阻力隨位移變化曲線。由圖可見,在彈帶彈性變形階段擠進(jìn)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(dāng)擠進(jìn)阻力達(dá)到26.4 kN時(shí),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(jìn)阻力越來越大。當(dāng)彈帶擠進(jìn)位移達(dá)到4 mm左右時(shí),擠進(jìn)阻力達(dá)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(jìn)阻力并非發(fā)生在完全擠進(jìn)時(shí)刻。此后,隨著彈帶繼續(xù)擠進(jìn),擠進(jìn)阻力開始下降直至擠進(jìn)過程結(jié)束。

圖8 穿甲彈擠進(jìn)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(jìn)過程參數(shù)可以發(fā)現(xiàn),這兩種彈帶的擠進(jìn)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(dòng)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(jìn)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(jìn)阻力更小。

對(duì)圖2和圖6中兩種彈帶擠進(jìn)試驗(yàn)中的彈底壓力曲線進(jìn)行比較,榴彈擠進(jìn)過程膛壓最大值要比穿甲彈擠進(jìn)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(jìn)啟動(dòng)和屈服應(yīng)力較低,彈丸很快完成擠進(jìn)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(jìn)實(shí)驗(yàn)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(shí)才出現(xiàn)位移,而穿甲彈在6.7 ms時(shí)彈丸開始變形運(yùn)動(dòng),對(duì)應(yīng)的榴彈擠進(jìn)的啟動(dòng)壓力遠(yuǎn)大于穿甲彈;但是,榴彈完成擠進(jìn)所需的時(shí)間為1.2 ms,小于穿甲彈1.8 ms的擠進(jìn)完成時(shí)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(jìn)阻力-位移曲線可以看出,紫銅彈帶啟動(dòng)擠進(jìn)阻力大于尼龍彈帶,一旦開始擠進(jìn),很快達(dá)到最大阻力;而尼龍彈帶雖然啟動(dòng)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(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行了榴彈和穿甲彈彈帶擠進(jìn)實(shí)驗(yàn),測量彈底壓力和彈丸位移,并進(jìn)行計(jì)算分析,獲得了兩種彈藥彈帶擠進(jìn)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(duì)擠進(jìn)阻力影響明顯。紫銅彈帶擠進(jìn)時(shí)啟動(dòng)壓力和最大擠進(jìn)阻力較大,但是完成擠進(jìn)的時(shí)間較短;尼龍彈帶擠進(jìn)時(shí)啟動(dòng)壓力和最大擠進(jìn)阻力較低,相應(yīng)的擠進(jìn)完成時(shí)間較長。