常 亞，郭保全，丁 寧，黃 通，欒成龍

(1 中北大學(xué)機電工程學(xué)院, 太原 030051；2 中北大學(xué)軍民融合協(xié)同創(chuàng)新研究院,太原 030051；3 火箭軍工程大學(xué)兵器發(fā)射理論與技術(shù)軍隊重點實驗室，西安 710025)

0 引言

單兵筒式武器主要用于一定距離上攻擊敵方坦克、步兵戰(zhàn)車、軍事器材和野戰(zhàn)工事等戰(zhàn)術(shù)任務(wù)。該武器具有輕質(zhì)量、高機動性、便于攜行等優(yōu)點，使其迅速成為現(xiàn)代步兵反坦克、反裝甲的骨干力量，在執(zhí)行空降等特種作戰(zhàn)任務(wù)的部隊中也廣泛應(yīng)用[1]。21世紀(jì)以來，由于城市反恐作戰(zhàn)、山地戰(zhàn)和兩棲戰(zhàn)等作戰(zhàn)環(huán)境在未來戰(zhàn)爭中的地位越來越突出，單兵筒式武器也在朝著適應(yīng)新戰(zhàn)場環(huán)境而快速發(fā)展，特別是在有限空間內(nèi)的發(fā)射能力，進(jìn)一步拓展了其使用環(huán)境[2]。

目前，針對單兵筒式武器“有限空間發(fā)射”作戰(zhàn)性能，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了深入研究，提出了以平衡拋射為主的多種低特征發(fā)射原理[3-4]。其中，液體平衡發(fā)射技術(shù)由于具有發(fā)射特征小、性價比高的特點，已經(jīng)在國內(nèi)外多種單兵筒式武器中得到應(yīng)用。對液體平衡發(fā)射技術(shù)的相關(guān)研究，主要集中在內(nèi)彈道和外流場上[5-8]。

以某型單兵筒式武器為研究對象，通過分析采用液體平衡發(fā)射技術(shù)的單兵筒式武器發(fā)射過程，分解了受力流程，建立了單兵筒式武器發(fā)射過程受力模型和仿真模型，分析了基于液柱平衡體的單兵筒式武器動力學(xué)特性，研究結(jié)果對單兵筒式武器有限空間發(fā)射技術(shù)的發(fā)展具有一定的參考價值。

1 發(fā)射過程概述

1.1 基本原理

采用液體平衡發(fā)射技術(shù)的單兵筒式武器主要由發(fā)射筒、彈丸、燃燒室、噴管和液柱平衡體等部分組成。液柱平衡體布置在藥筒尾端，通過隔板與發(fā)射藥燃燒室分開，其底部設(shè)置一個擋板，用以密封藥筒，阻滯平衡體移動。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單兵筒式武器結(jié)構(gòu)示意圖

在射擊過程中，火藥燃?xì)馔苿訌椡韬鸵褐胶怏w分別向發(fā)射筒兩端移動，彈丸進(jìn)入膛線部運動，液柱平衡體進(jìn)入噴管部運動。因此，基于液柱平衡體的單兵筒式武器平衡發(fā)射過程按照力的傳遞過程分為5個階段：火藥燃?xì)馔屏ζ胶怆A段，膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力和藥筒摩擦力作用階段，氣液混合擴張產(chǎn)生反作用力階段，氣體擴張產(chǎn)生反作用力階段以及炮口沖擊力與氣體擴張產(chǎn)生反作用力平衡階段。

1.2 受力模型

1.2.1 開始點火到彈丸與液柱平衡體同時運動

彈丸和液柱平衡體同時受到火藥燃?xì)馔屏ψ饔?，彈丸開始逐漸啟動，彈帶擠入膛線，彈丸受到擠進(jìn)阻力的作用，但由于彈帶較短，擠入時間和擠入行程一般忽略不計，液柱平衡體也由于藥筒底部擋板張力的阻滯而靜止不動，彈丸擠進(jìn)壓力作用在身管上，方向沿軸線向前，擋板張力經(jīng)藥筒壁傳遞作用在噴管前端面上，方向沿軸線向后。即有：

Fj=Fz

(1)

式中:Fj為彈丸擠進(jìn)阻力；Fz為擋板張力。

1.2.2 從彈丸開始運動到液柱平衡體進(jìn)入噴管

彈丸在身管膛線引導(dǎo)下做軸線向前的旋轉(zhuǎn)運動，在軸線方向上受到膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力軸向分力和火藥燃?xì)獾墓餐饔?。而液柱平衡體推開藥筒底部擋板的阻滯，在火藥燃?xì)獾淖饔孟卵剌S線向后運動，與藥筒內(nèi)壁面相對運動，產(chǎn)生摩擦阻力。膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力軸向分力反作用在身管上，方向沿軸線向前，摩擦阻力作用在藥筒內(nèi)壁面，經(jīng)藥筒壁傳遞到噴管前端面，方向沿軸線向后。即

ma=Fp-Fd

(2)

mpap=Fp-Fm

(3)

Fs=Fm-Fd

(4)

式中:m和mp分別為彈丸和液柱平衡體質(zhì)量；a和ap分別為彈丸和液柱平衡體加速度；Fp為火藥燃?xì)庾饔昧?；Fd為導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力軸向分力；Fm為藥筒摩擦阻力；Fs為筒式發(fā)射裝置不平衡力。

1.2.3 從液柱平衡體開始進(jìn)入到完全噴出

彈丸受到膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力軸向分力和火藥燃?xì)夤餐饔美^續(xù)向前運動，液柱平衡體受到火藥燃?xì)馀c藥筒摩擦阻力作用向后運動，在高溫燃?xì)庾饔孟?，液柱平衡體與燃?xì)庵饾u發(fā)生摻混、沖刷和霧化，形成氣液混合相向外噴出。氣液混合相與藥筒內(nèi)壁面產(chǎn)生摩擦阻力的同時，部分介質(zhì)作用在噴管上，形成混合相作用下的噴管推力，噴管推力軸向分力沿軸線向前。即有：

Fs=Ff-Fd-Ft

(5)

式中Ft為噴管推力軸向分力。

1.2.4 從液柱平衡體完全噴出噴管到彈丸離開身管

彈丸繼續(xù)受到膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力軸向分力和火藥燃?xì)獾墓餐饔?，由于液柱平衡體已經(jīng)完全被推出噴管，液柱平衡體的摩擦阻力消失，剩下火藥燃?xì)鈱λ幫矁?nèi)壁面的摩擦阻力作用。此時，膛內(nèi)剩余火藥燃?xì)饨?jīng)噴管擴張后繼續(xù)向后噴出，產(chǎn)生沿軸線向前的作用推力，筒式發(fā)射裝置總體上受到方向沿軸線向前的導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力軸向分力和噴管推力軸向分力以及方向沿軸線向后的火藥燃?xì)饽Σ磷枇Φ墓餐饔?。?/p>

Fs=Fm1-Fd-Ft1

(6)

式中：Fm1為燃?xì)鉀_刷產(chǎn)生的藥筒摩擦阻力；Ft1為火藥燃?xì)猱a(chǎn)生的噴管推力軸向分力。

1.2.5 從彈丸離開身管到恢復(fù)射擊前的狀態(tài)

膛內(nèi)剩余燃?xì)鈴耐彩桨l(fā)射裝置兩端流出，直至身管內(nèi)部與大氣壓平衡。在炮口部，燃?xì)鈬姵龊笈蛎洰a(chǎn)生沿軸線向后的作用力；在噴管部形成沿軸線向前的作用力。即有：

Fs=Ft1-Fq

(7)

式中Fq為炮口部燃?xì)馀蛎洰a(chǎn)生的作用力。

顯然，單兵筒式武器發(fā)射過程中的不平衡力主要由身管膛線部產(chǎn)生的導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力和噴管部受到的作用合力兩部分組成。

2 噴管部作用合力分析

噴管部作用合力由噴管前端面受到的藥筒作用力和噴管內(nèi)壁受到的噴管推力組成。為探究噴管部作用合力變化特性，以某型筒式武器為研究對象，利用Fluent軟件建立噴管仿真模型如圖2所示，其中，P1P2為燃?xì)馍淞魅肟?，定義為壓力入口邊界，P1P3和P3P4為簡化噴管無厚度壁面，定義為無滑絕熱壁面，P5P6P7P8為外流場入口，定義為壓力遠(yuǎn)場邊界，P7P8為羽流流場出口，定義為壓力出口邊界，P2P8為旋轉(zhuǎn)軸。

圖2 噴管仿真模型

2.1 噴管推力

根據(jù)拉瓦爾噴管受力特點，噴管推力主要由兩部分作用力組成，即作用在收斂段的型面阻力和作用在擴張段的正推力，即有：

Ft=Ftx+Ftz

(8)

式中：Ftx為型面阻力；Ftz為擴張段正推力。

仿真得擴張段正推力和收斂段型面阻力變化如圖3所示。從A點起，液體工質(zhì)開始作用在噴管收斂段，型面阻力逐漸增大，從B點起液體工質(zhì)進(jìn)入擴張段，擴張段正推力開始增大；C點對應(yīng)時刻膛內(nèi)壓力達(dá)到最大值，型面阻力出現(xiàn)峰值，液體工質(zhì)開始離開噴管；D點對應(yīng)時刻液體工質(zhì)即將全部離開噴管，擴張段正推力達(dá)到最大值；到達(dá)E點對應(yīng)時刻時，液體工質(zhì)在大氣中得到極大擴散，對火藥燃?xì)饷荛]作用減弱，火藥燃?xì)饬魉僭龃?，作用在收斂段型面阻力和作用在擴張段正推力也依次產(chǎn)生小幅度的增加，然后隨著膛內(nèi)壓力的下降而逐漸減小。

圖3 液柱平衡體對噴管推力的影響

噴管尾端面的質(zhì)量流速如圖4所示。結(jié)合圖3可以看出，在C點對應(yīng)時刻，噴管尾端面的質(zhì)量流速開始增大，并快速上升后下降，直至D點對應(yīng)時刻，液體工質(zhì)被全部迅速的噴出噴管；此時，噴管尾端面的質(zhì)量流速仍然保持較為緩慢的下降速度，這是因為，剛噴出噴管的液體工質(zhì)依然對火藥燃?xì)獯嬖谝欢ǖ拿荛]作用；直到一段時間后，液體工質(zhì)在大氣中得到充足的擴散，對火藥燃?xì)獾拿荛]作用減弱，火藥燃?xì)饬魉俣虝涸龃蠛箅S著膛內(nèi)壓力減小而逐漸下降。

圖4 噴管尾端面質(zhì)量流速變化規(guī)律

2.2 藥筒作用力

藥筒作用力主要是膛內(nèi)流動介質(zhì)與藥筒內(nèi)壁的摩擦阻力經(jīng)藥筒壁傳遞作用在噴管前端面上。仿真計算得藥筒內(nèi)壁的摩擦阻力變化如圖5所示。

圖5 摩擦阻力變化規(guī)律

由于液體工質(zhì)在筒內(nèi)移動距離較短，在尾部擋板破碎之后，經(jīng)過短暫距離的平直段運行后，進(jìn)入噴管收斂部。此時膛內(nèi)壓力仍處于上升過程中，摩擦阻力隨膛壓的增加而逐漸增大，直至液體工質(zhì)進(jìn)入噴管收斂部，摩擦阻力開始下降，并在液體工質(zhì)對火藥燃?xì)饷荛]作用減弱，火藥燃?xì)饬魉僭黾又螅Σ磷枇υ俅卧龃?，然后再隨膛壓的減小而逐漸減小。

噴管部作用力合力的變化規(guī)律如圖6所示。由圖6可知，由于液體工質(zhì)在噴管收斂段和擴張段作用時間差的存在，使得噴管部作用力合力在作用前期呈現(xiàn)出“上下振蕩”的趨勢，直至液體工質(zhì)對火藥燃?xì)饷荛]作用減弱之后，噴管部作用力合力逐漸呈平穩(wěn)變化趨勢。同時，由于收斂半角較大，收斂段對液體工質(zhì)的阻滯作用增大，且與擴張段作用時間差較大，使得噴管部作用力合力前期振蕩峰值較大，不利于射擊時穩(wěn)定。

圖6 噴管部作用力合力變化規(guī)律

3 膛線部導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力分析

筒式武器均采用等齊膛線型式。即有：

(9)

式中:N為等齊膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力;n為膛線條數(shù);ρ為彈丸回轉(zhuǎn)半徑;r為彈丸半徑;pd為彈底壓力;S為發(fā)射筒截面面積;α為纏角。

膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力隨時間變化曲線如圖7所示。由圖7可知，從F點對應(yīng)時刻開始，彈丸完成擠進(jìn)過程，開始進(jìn)入膛線部運動；到達(dá)G點對應(yīng)時刻時，液體工質(zhì)開始作用在噴管部，液體工質(zhì)受到的阻滯作用增強，引起膛內(nèi)壓力發(fā)生變化，使得導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力出現(xiàn)小波動后繼續(xù)隨膛壓的增大而增大；到H點對應(yīng)時刻，膛內(nèi)壓力達(dá)到最大值，導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力也因此達(dá)到峰值，隨著液體工質(zhì)的逐漸噴出，膛內(nèi)壓力迅速下降，導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力也隨之迅速下降；直至M點對應(yīng)時刻，液體工質(zhì)全部噴出噴管。

圖7 膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力變化規(guī)律

4 結(jié)論

通過對基于液柱平衡體的單兵筒式武器受力過程進(jìn)行分析,建立了單兵筒式武器發(fā)射過程的受力模型和仿真模型，得出以下結(jié)論：

1)噴管部作用合力在射擊前期產(chǎn)生的作用力“上下振蕩”現(xiàn)象是造成筒式武器射擊不穩(wěn)定的主要因素。

2)液體工質(zhì)在噴管收斂段和擴張段的作用時間差是噴管部作用力合力在射擊前期呈現(xiàn)出“上下振蕩”的根本原因，可以從這一角度對噴管部作用力合力進(jìn)行優(yōu)化，以減小振蕩幅值。

3)由于射擊中期液體工質(zhì)對火藥燃?xì)饷荛]作用下降，噴管部作用力合力會出現(xiàn)短暫的上升，然后隨著膛壓的下降而不斷減小。

4)膛線部的導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力在射擊前期對發(fā)射筒穩(wěn)定性影響相對較小，在射擊后期，即液柱平衡體對火藥燃?xì)獠划a(chǎn)生影響以后，膛線部導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力與噴管部作用力合力近似相互抵消，共同保持射擊穩(wěn)定。