隱身彈丸的彈底托分離技術(shù)設(shè)計(jì)

張培忠,寧金貴,王建國(guó),王 欣

(中國(guó)人民解放軍63850部隊(duì),吉林 白城 137001)

在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)和伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中,美軍利用炮位偵察校射雷達(dá)偵察伊軍火炮和導(dǎo)彈發(fā)射陣地;以色列陸軍利用“天穹”系統(tǒng)多次成功攔截了哈馬斯武裝人員發(fā)射的火箭彈[1-2]。因此,需要研究一種對(duì)雷達(dá)隱身的彈丸,防止雷達(dá)反推算出火炮發(fā)射陣地的坐標(biāo),從而達(dá)到保護(hù)我方火炮發(fā)射陣地的目的[3-4]。

彈丸對(duì)雷達(dá)隱身的技術(shù)包括外形隱身技術(shù)和材料隱身技術(shù)。材料隱身技術(shù)主要是將吸波材料、超材料涂覆于彈丸表面,實(shí)現(xiàn)彈丸對(duì)雷達(dá)的隱身。在外形隱身方面,則是完全依照外形隱身設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)彈丸結(jié)構(gòu),即次口徑碟形隱身彈丸(也稱為全隱身彈丸)[5-6]。此后,為了不降低彈丸的威力和精度,對(duì)彈丸的外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),將彈丸前定心部直接接觸炮膛,前定心部不涂覆吸波材料,稱為全膛半隱身彈丸[7-8]。2種技術(shù)都借助于可靠的彈底托分離技術(shù),消除了2條銅彈帶和閉氣環(huán)槽等凸起的雷達(dá)波強(qiáng)散射源,實(shí)現(xiàn)了彈丸對(duì)雷達(dá)外形隱身的目的。

1 隱身彈丸結(jié)構(gòu)

1.1 全隱身彈丸結(jié)構(gòu)

如圖1所示,全隱身彈丸包括引信、彈體和彈底托幾個(gè)部分,彈體表面全部涂覆吸波材料,彈體與彈底托之間用鋁制螺栓連接、隼口咬合。當(dāng)火炮發(fā)射全隱身彈丸時(shí),膛內(nèi)火藥氣體通過彈底托底部的通孔流入壓力腔中。彈丸出炮口之后,彈底托借助壓力腔內(nèi)留存火藥氣體的壓力迅速剪切鋁制螺栓,完成與全隱身彈體的分離動(dòng)作。

圖1 全隱身彈丸結(jié)構(gòu)

1.2 全膛半隱身彈丸結(jié)構(gòu)

為了不犧牲彈丸的威力和精度,改進(jìn)了彈丸外形結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了全膛半隱身彈丸。該種彈丸也是由引信、彈體和彈底托組成,彈體表面除了前定心部以外均涂覆吸波材料,彈體與彈底托之間也同樣用鋁制螺栓連接、隼口咬合,結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)全膛半隱身彈丸發(fā)射出炮口之后,彈底托借助壓力腔內(nèi)留存火藥氣體的壓力迅速剪切鋁制螺栓,彈底托與全膛半隱身彈體迅速分離。

2 隱身彈體與彈底托分離的原理

火炮發(fā)射隱身彈丸時(shí),膛內(nèi)火藥氣體在推動(dòng)隱身彈丸前進(jìn)過程中,有少量通過彈底托底部的通孔流入壓力腔內(nèi)。膛內(nèi)火藥氣體壓力為彈底壓力pd,密度為ρ;彈底托的壓力腔內(nèi)火藥氣體壓力為pv,密度為ρv;壓力腔容積為V,通孔最小橫截面積為Sd。在隱身彈丸加速前進(jìn)過程中,因隱身彈體的慣性力、壓力腔內(nèi)火藥氣體壓力同時(shí)作用在鋁制螺栓的兩端,此時(shí)鋁制螺栓不會(huì)被剪切,如圖3所示。當(dāng)隱身彈丸出炮口以后,彈底壓力pd消失,隱身彈體的慣性力也隨之消失。忽略少量留存火藥氣體從通孔反流出,壓力腔內(nèi)留存火藥氣體的壓力作用于鋁制螺栓上,而鋁制螺栓結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱,該壓力足夠剪切鋁制螺栓,推開隱身彈體,完成彈底托與隱身彈體分離動(dòng)作,如圖4所示。

在火炮發(fā)射隱身彈丸過程中,設(shè)某一時(shí)間dt內(nèi)炮膛內(nèi)火藥氣體經(jīng)過彈底托底部的通孔流入壓力腔內(nèi)的熱量為dQ,壓力腔內(nèi)能量增量為dE,假設(shè)這一過程無熱散失、無泄漏,是絕熱過程,為一維準(zhǔn)定常流動(dòng)。根據(jù)熱力學(xué)第一定律,則

dQ=dE

(1)

dQ=cpTqmdt

(2)

(3)

式中:cp為火藥氣體的定壓比熱;cV為火藥氣體的定容比熱;qm為火藥氣體經(jīng)通孔流入壓力腔的質(zhì)量流量;T為膛內(nèi)火藥氣體溫度;Tv為壓力腔內(nèi)火藥氣體溫度;ωt為膛內(nèi)火藥氣體比容,ωt=1/ρ,ρ為膛內(nèi)火藥氣體密度;ωv為壓力腔內(nèi)火藥氣體比容,ωv=1/ρv,ρv為壓力腔內(nèi)氣體密度。

根據(jù)氣體狀態(tài)方程:

(4)

則壓力腔內(nèi)火藥氣體能量增量為

(5)

(6)

將式(5)、式(6)代入式(1)得:

(7)

式中:k為比熱比,即k=cp/cV。

當(dāng)火藥氣體通過彈底托底部的通孔最初流入壓力腔內(nèi)時(shí):pd/pv>1.8,為超臨界流動(dòng),質(zhì)量流量為

(8)

隨著膛壓pd下降,壓力腔內(nèi)pv逐漸上升,出現(xiàn)pd/pv≤1.8,變?yōu)閬喤R界態(tài)流動(dòng),質(zhì)量流量為

(9)

式中:μ為質(zhì)量流量系數(shù),一般情況下μ<1。

在pd/pv≤1之后,彈底托壓力腔內(nèi)留存火藥氣體會(huì)反流出,算法可以參考上述過程。

3 隱身彈體與彈底托分離設(shè)計(jì)

利用經(jīng)典內(nèi)彈道學(xué)方程計(jì)算隱身彈丸運(yùn)動(dòng)速度、彈底壓力,并補(bǔ)充計(jì)算膛內(nèi)火藥氣體密度方程:

(10)

膛內(nèi)火藥氣體密度方程:

(11)

式中:ψ為火藥燃燒的比例;χ1,λ1均為火藥形狀特征量;Z為火藥顆粒燃燒相對(duì)已燃厚度;2e為火藥顆粒已燃厚度;2e1為火藥顆粒厚度;u1為火藥燃速系數(shù);p為火藥氣體壓力;ν為火藥燃燒指數(shù);S為炮膛橫截面積;φ為次要功系數(shù);φ1為不計(jì)入火藥氣體動(dòng)能時(shí)的次要功系數(shù);m為彈丸質(zhì)量;v為彈丸運(yùn)動(dòng)速度;l為彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)距離;f為火藥力;mc為裝藥質(zhì)量;θ=k-1,k為火藥氣體比熱比;pd為彈底部火藥氣體壓力;l0為藥室容積縮徑長(zhǎng);Δ為火藥裝填密度;δ為火藥顆粒密度;α為火藥氣體余容。

以膛壓達(dá)到彈帶擠進(jìn)壓力作為計(jì)算初始條件。利用式(7)、式(8)、式(9)計(jì)算彈底托壓力腔的壓力。再根據(jù)鋁制螺栓的設(shè)計(jì)目的、材料、熱處理工藝和強(qiáng)度設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)參數(shù),保證彈底托壓力腔的壓力能夠剪切鋁制螺栓,實(shí)現(xiàn)彈底托與彈體分離。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

以某型155 mm加榴炮發(fā)射全隱身彈丸、全膛半隱身彈丸為例,發(fā)射藥為7孔、三胍-15;火藥顆粒形狀尺寸:平均弧厚2e1=2.4 mm,平均孔徑d0=1.5 mm,平均外徑de=14 mm,平均長(zhǎng)度2lp=33 mm,發(fā)射藥量分別為1#、2#、3#、4#裝藥,藥室容積縮徑長(zhǎng)l0=1.214 m,炮膛橫截面積S=0.018 9 m2,火藥力f=10.75×105N·m/kg,彈丸質(zhì)量m=45.54 kg。分別計(jì)算了發(fā)射各裝藥量的隱身彈丸的運(yùn)動(dòng)速度、彈底壓力和膛內(nèi)火藥氣體密度,如圖5～圖7所示。

圖5 隱身彈丸運(yùn)動(dòng)速度

圖6 隱身彈丸彈底壓力

圖7 膛內(nèi)火藥氣體密度

以某155 mm全隱身榴彈為例,其彈底托壓力腔容積Vd=1.91×10-4m3,彈底托底部的通孔最小面積Sd=7×10-6m2,計(jì)算不同裝藥量時(shí)壓力腔的壓力,結(jié)果如圖8所示。為了簡(jiǎn)便起見,忽略從隱身彈丸出炮口至鋁制螺栓被剪切瞬間壓力腔內(nèi)火藥氣體經(jīng)過通孔流出的過程。

鋁制螺栓選用材料為普通2A13鋁,其拉伸強(qiáng)度σb=300 MPa,并做特殊的熱處理,以調(diào)整其剪切強(qiáng)度,其剪切強(qiáng)度τs≤σb/2,則τs=150 MPa。鑒于4#裝藥發(fā)射時(shí)壓力腔壓力較小,根據(jù)60 MPa的壓力值設(shè)計(jì)了鋁制螺栓的結(jié)構(gòu)參數(shù),其中包括了起應(yīng)力集中作用的退刀槽,如圖9所示。經(jīng)材料力學(xué)校算,剪切面應(yīng)力為120 MPa,考慮到應(yīng)力集中作用,剪切面上局部應(yīng)力超過了剪切強(qiáng)度τs。在隱身彈丸出炮口以后,彈底托壓力腔的壓力能夠剪切鋁制螺栓,完成彈底托與隱身彈體的分離。

圖8 彈底托壓力腔的壓力

圖9 普通鋁制螺栓的結(jié)構(gòu)尺寸及剪切面

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 試驗(yàn)彈丸

為了檢驗(yàn)隱身彈丸的彈底托分離技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)的隱身效果,進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。分別研制了155 mm全隱身彈丸(如圖10所示)、全膛半隱身彈丸(如圖11所示)。同時(shí),為了比較2條彈帶和閉氣環(huán)槽對(duì)隱身性能的影響程度,還研制了155 mm有船尾的全膛半隱身彈丸(如圖12所示),用來與普通155 mm殺爆彈進(jìn)行比較,前者是在普通155 mm殺爆彈表面部分區(qū)域涂覆吸波材料而制成的,后者為現(xiàn)有彈種。

圖10 全隱身彈丸

圖11 全膛半隱身彈丸

圖12 有船尾的全膛半隱身彈丸

5.2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

將初速雷達(dá)布置于火炮炮口側(cè)后方20 m處,測(cè)試隱身彈丸的初速,檢查隱身彈體與彈底托分離情況。將彈道雷達(dá)布置于火炮正后方500 m,采用校射模式,如圖13所示,跟蹤全隱身彈丸,測(cè)試隱身彈丸的徑向速度和距離。

圖13 彈道雷達(dá)對(duì)隱身彈丸的跟蹤

將炮位偵察校射雷達(dá)置于155 mm火炮正前方25～30 km處,采用偵察模式,如圖14所示,測(cè)試全膛半隱身彈丸、有船尾的全膛半隱身彈丸、普通殺爆彈的隱身性能,從而判斷2條銅彈帶和閉氣環(huán)槽對(duì)彈丸隱身性能的影響程度。

圖14 炮位偵察校射雷達(dá)對(duì)隱身彈丸的探測(cè)

用155 mm火炮裝填4#裝藥發(fā)射2發(fā)全隱身彈丸。初速雷達(dá)測(cè)試結(jié)果如圖15和表1所示,分析結(jié)果表明:全隱身彈丸的彈體和彈底托分離動(dòng)作迅速、可靠,彈底托受空氣阻力很大,失速墜落,僅保留隱身彈體獨(dú)自飛向目標(biāo)。彈道雷達(dá)跟蹤隱身彈體的數(shù)據(jù)分析表明,全隱身彈丸的隱身性能突出[6]。

圖15 初速雷達(dá)對(duì)全隱身彈丸的測(cè)試

表1 全隱身彈丸的彈體與彈底托分離數(shù)據(jù)

用155 mm火炮裝填4#裝藥發(fā)射3發(fā)全膛半隱身彈丸、4發(fā)有船尾的全膛半隱身彈丸,并收集了普通155 mm殺爆彈在炮位偵察校射雷達(dá)鑒定試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。偵察雷達(dá)測(cè)試結(jié)果如表2所示,結(jié)果表明:全膛半隱身彈丸隱身性能較好;而有船尾的全膛半隱身彈丸隱身效果不佳,說明了2條銅彈帶和閉氣環(huán)槽對(duì)隱身性能的影響顯著;普通殺爆彈沒有隱身性能,因其未采取材料隱身和外形隱身技術(shù)[8]。

表2 半隱身彈丸、普通殺爆彈試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論

研究設(shè)計(jì)了隱身彈丸的彈底托分離原理和技術(shù),實(shí)現(xiàn)了彈丸對(duì)雷達(dá)外形隱身的目的,并通過全隱身彈丸、全膛半隱身彈丸、有船尾的全膛半隱身彈丸、普通殺爆彈的對(duì)比試驗(yàn),檢驗(yàn)該技術(shù)對(duì)雷達(dá)隱身性能的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明:

①隱身彈丸的彈底托分離動(dòng)作迅速、可靠,消除了2條銅彈帶和閉氣環(huán)槽對(duì)雷達(dá)波的強(qiáng)散射,使全隱身彈丸、全膛半隱身彈丸具備了外形隱身功能,均獲得了較好的隱身效果;

②有船尾的全膛半隱身彈丸沒有消除2條銅彈帶和閉氣環(huán)槽對(duì)雷達(dá)波的強(qiáng)散射,隱身性能不佳;

③普通殺爆彈未采取材料隱身和外形隱身技術(shù),故不具備隱身性能。