基于差动原理的新型随行装药技术研究

摘要

为现代战争需要，大幅地提高智能弹药火炮的初速至关重要，而随行装药技术是公认的能够明显提高火炮初速的有效技术途径之一。目前，国内外对随行装药技术的研究，按其工作模式不同，主要有捆绑式、弹底粘结式和包容式等。虽然这些随行技术都有一定的增速效果，但同时也存在许多缺陷。如捆绑式和粘结式随行装药要求具有比主装药更高的燃速，有时甚至要求具有特别高的燃速;而包容式随行装药，其弹丸消极重量增加较多。从而给随行装药方案的实现带来了难以克服的困难。特别当要求现有随行装药较大幅度提高射弹初速时，最终都将伴随弹底最大压力明显增加，即伴随射弹承受过载的增加的风险，这是这几种随行装药发射方案的内在规律决定的。然而，这对于火炮发射智能炮弹而言，过载超过极限是不允许的。
　　为了克服传统随行装药方案存在的缺点，本文进行了如下几个方面的探索和研究:
　　1.简要地评述了现有几种随行装药方案提高初速的可行性和局限性。在此基础上，重点针对包容式固体随行装药方案，建立了内弹道理论模型，并编程进行了数值模拟计算及分析。结果表明，包容式固体随行装药在取得一定增速效果的同时，不可避免地存在增加射弹过载和显著增加射弹消极质量等问题，其中关于射弹过载对智能弹药的重要性在以往同类论文中尚未充分展开研究和讨论。
　　2.采用理论和实验相结合的方法对包覆随行装药发射方案进行了较为系统地研究。针对105mm坦克炮建立了包覆阻燃层受热融化与随行发射条件下两区域内弹道模型，并编程进行了模拟计算，计算表明，理论计算结果与实验结果基本一致，说明所建立的理论模型和编制的相应软件是正确可信的。初步研究表明，在不改变火炮和弹丸结构以及不增加最大膛压和弹丸过载条件下包覆随行装药取得4.4％的增速效果，且弹丸不存在消极质量问题。理论研究表明若将随行药量相对主装药的比例调整至30％左右，包覆随行装药方案的初速增幅将达到6.7％。
　　3.提出了一种新型的随行装药方案，该方案运用差动原理，采用多体组合设计，保证发射过程中弹丸不同组合件之间发生相对运动，实现弹载随行工质能自动向弹后空间连续喷射。在弹后空间高温燃气作用下，喷射出来的未燃随行工质就地继续燃烧，产生的燃气能有效弥补或消除弹丸运动引发的稀疏波影响，从而提高火炮工作容积利用率，弹丸初速得以显著提高。同时，构建了设计必要条件，为通过内弹道优化、设计出既能增加初速又能有效地控制射弹过载的差动自喷弹药奠定了基础。
　　4.建立了液体发射药作为随行装药的差动随行发射方案火炮内弹道理论模型，包括差动随行组合弹药动力学模型及弹后空间伴随加质加能的内弹道模型。分别考虑液体药不可压缩和可压缩两种情况，编程进行数值模拟计算，采用现有155mm口径火炮参数及其相应装填条件结果表明，液体差动随行装药可以显著地提高射弹初速，在额定的最大膛压和弹丸过载条件下，比现有常规装药射弹初速的增幅可达到21％。
　　5.建立了采用现有固体发射药作随行药的固体差动随行装药方案内弹道理论模型，并编程进行了多方案数值计算，该方案与现有火炮具有良好的相容性。计算分析针对两种不同的应用背景，一种是以超远程发射需求为背景，以160mm和155mm口径火炮为对象，结果表明，在保持最大膛压、身管行程长、飞行弹重和射弹底部最大压力不变条件下，比常规装药提高初速能达到17％，远远超过现有随行装药方案。第二是以提高现有155mm加榴炮装备的炮射导弹初速和射程为背景，为提高现有炮射智能弹药远程精确打击能力寻求优化方案。结果表明，采用固体差动随行装药方案，在保持现有最大膛压和炮射导弹承受过载不变条件下，提高射弹初速200m/s，提高比例为31.8％;如同时采用次口脱壳设计技术，射弹质量40kg，初速提高260m/s，提高比例为37.7％。
　　6.采用现有修正质点外弹道模型和优化气动参量，对差动随行提高射弹初速而带来的射程增加量进行了计算和评估。结果表明，采用差动随行发射方案，增大射距存在很大空间。
　　7.提出了一种弹装电容式高过载微型加速度计核心部件的结构设计方案，其量程为13300g，固有频率高达100KHz，并具有良好的静态和动态特性。
　　本文成果为现有火炮武器系统的改进、革新以及未来的探索与创新提供了新的思路、途径和方向，在如下几个方面具有重要的现实意义和深远的理论指导意义:
　　(1)在不改变现有火炮和射弹结构条件下，采用包覆随行装药方案，实质上是通过装药结构的改进设计，可将现装备的火炮初速提高4.4％～6.8％。
　　(2)在不改变火炮最大膛压、射弹过载、弹重和弹丸行程长条件下，采用差动随行装药方案，可以大幅度提高弹丸初速（17％～21％）。该发射方案与滑翔弹设计技术相结合，应用于160mm口径火炮，可将50kg质量的弹丸发射至98.85km，从而实现超远程发射;将这一组合技术应用于现有155mm炮射智能弹，可将射程增加100％以上。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 火炮的地位与作用

1．2 火炮发射方式面临的使命

1．2．1 现有次口径脱壳弹设计原理

1．2．2 传统随行装药技术研究的进展

1．3 采用常规内弹道模型预测弹丸初速的合理性

1．4 本文的主要工作

2 传统随行装药提高初速可行性与局限性研究

2．1 粘结式随行装药

2．2 包容式随行装药

2．3 包容式固体随行装药发射方案

2．3．1 内弹道过程概述

2．3．2 基本假定

2．3．3 基本方程

2．3．4 计算结果及分析

2．4 本章小结

3 包覆随行装药应用研究

3．1 包覆随行装药方案

3．2 包覆随行火药的制备与优选

3．3 阻燃包覆特性的理论模拟

3．4 阻燃包覆随行装药内弹道实验

3．5 包覆随行装药内弹道模型

3．5．1 内弹道过程描述及基本假定

3．5．2 内弹道基本方程

3．5．3 计算结果及分析

3．6 本章小结

4 一种基于差动原理的自喷随行弹药

4．1 技术背景

4．1．1 传统火炮发射原理面临的困惑

4．1．2 再生式液体发射药火炮发射原理的启示

4．2 新型差动随行弹药方案的提出

4．2．1 新型差动随行弹药结构

4．2．2 新型差动随行弹药工作原理

4．2．3 新型差动随行弹药基本功能

4．3 差动随行弹药消极重量估算

4．4 本章小结

5 基于液体差动随行装药火炮内弹道理论研究

5．1 液体差动随行工作原理及基本假定

5．2 液体差动随行组合弹药动力学模型

5．2．1 不考虑液体压缩性的液体差动随行组合弹药动力学模型

5．2．2 可压缩液体的液体差动随行弹药动力学模型

5．3 弹后空间伴随加质加能的内弹道模型

5．3．1 基本假定

5．3．2 基本方程

5．4 计算结果及分析

5．4．1 随行液体药不可压缩条件下的计算与分析

5．4．2 差动随行内弹道性能优化

5．4．3 随行液体药可压缩条件下的计算与分析

5．5 本章小结

6 基于固体差动随行装药火炮内弹道理论研究

6．1 固体差动随行工作原理及基本假定

6．2 固体差动随行组合弹药动力学模型

6．3 弹后空间伴随加质加能的内弹道模型

6．4 计算结果及分析

6．4．1 160mm火炮提高初速方案计算

6．4．2 提高现有155mm火炮炮射导弹初速的计算

6．5 本章小结

7 差动随行弹药飞行弹丸射程计算与分析

7．1 数学模型与计算条件

7．1．1 数学模型

7．1．2 气象条件及气动特性

7．2 射程预估结果

7．3 本章小结

8 弹装高过载微型加速度计的结构设计及特性分析

8．1 结构方案及测量电路

8．2 弹性元件的力学模型

8．3 有限元静态分析

8．4 动态响应分析

8．5 本章小结

9 结论及展望

9．1 结论

9．2 主要创新点

9．3 展望

致谢

参考文献

附录 攻读博士学位期间发表的论文和出版著作情况