“金屬風暴”武器的耦合膛壓測試彈設計

張培忠,商 飛,杭 宇,張 巖,解文凱,寧金貴

(1.中國人民解放軍63863部隊,吉林 白城 137001;2.南京理工大學 機械工程學院,江蘇 南京 210094;3.西安衛星測控中心,陜西 西安 710042)

“金屬風暴”武器由澳大利亞金屬風暴公司研發,其單根發射管內預先裝填幾發彈藥,各發彈藥頭尾相連排成一串,形成串聯發射方式,利用電底火依次發射各發彈。該武器可以是單管武器或多管武器,用100根發射管組合在一起形成多層堆棧結構,武器系統射速可高達每分鐘100萬發。

由于“金屬風暴”武器系統是堆棧發射結構,單根身管內每發彈的內彈道有所不同,相鄰兩發彈的發射間隔時間小于膛內時期或者后效期,前一發彈發射產生的火藥氣體壓力作用于后續發射的彈丸前部,后續發射的彈丸改變了相鄰兩發彈之間火藥氣體的壓力分布,后續發射彈的火藥氣體能量間接作用于前一發彈丸,而且每發彈的膛內行程不同,各發彈的內彈道參數相互耦合,形成了有別于普通火炮和自動武器的內彈道過程。目前,已有大量文獻報道了耦合內彈道的形成機理及其數理描述方法,并基于每種數理描述方法給出了對應的數值計算和仿真實例,但是,目前尚未檢索到關于耦合內彈道測試技術的報道。為了給“金屬風暴”武器研發、設計和試驗提供數據,需要研制耦合膛壓測試系統,用于獲取臨近彈丸之間的耦合膛壓值,為計算和修正耦合內彈道參數提供依據,指導該類武器研發、設計和試驗。

1 耦合膛壓測試彈設計

1.1 測試目的

在“金屬風暴”武器發射過程中,從第2發彈開始,每發彈丸將會受到前一發彈丸發射所產生的(或者遺留的)彈前壓力t,,以及自身發射所產生的彈底壓力d,+1(為彈丸發射順序,從前往后依次為1,2,3,…)的共同作用,在內彈道過程中出現耦合現象,如圖1所示。研發的耦合膛壓測試彈應該裝填在第2發或者以后的彈丸位置(即≥2),用于測試耦合膛壓。電底火通過螺紋固定在各發彈后的藥室內,耦合膛壓測試彈在發射控制系統的控制下與其他彈丸依序發射,獲得前一發彈發射所產生的彈前壓力,以及自身發射所產生的彈底壓力。

圖1 “金屬風暴”武器耦合內彈道原理圖

目前發展較快的高初速防空反導“金屬風暴”武器口徑為30 mm,其特點是裝發射藥多、射速高、初速大、火藥氣體的后效期長,需要針對30 mm口徑的高初速防空反導“金屬風暴”武器設計耦合膛壓測試彈丸。在耦合膛壓測試彈內安裝采集、計算、存儲、通訊等電路系統,在其發射過程中實時采集、處理、存儲各物理參量。射擊后回收耦合膛壓測試彈,并通過通信接口讀取數據,獲得耦合內彈道數據。

1.2 設計方案

用“金屬風暴”武器發射耦合膛壓測試彈時,耦合膛壓測試彈將承受瞬態高溫、高壓、高加速度過載,給研發帶來難題,主要體現在3個方面:①彈內傳感器承受高溫、高過載影響,產生附加輸出,容易導致測試結果不準確或測試精度降低。②采集、計算、存儲、通訊電路系統置于耦合膛壓測試彈內部,受30 mm彈體內部空間所限,要求電路系統體積小、性能穩定可靠。③耦合膛壓測試彈出炮口速度高,回收時受到較大的沖擊力,對彈體機械強度要求很高。只有克服上述技術難題,才能保證耦合膛壓測試彈成功獲得彈前壓力、彈底壓力以及加速度等數據。

受30 mm彈體空間所限,耦合膛壓測試彈內部的傳感器宜選用體積小、厚度薄的薄膜壓電傳感器。聚偏二氟乙烯(PVDF)是一種新型的高分子壓電材料,壓電特性強,密度低,機械強度高,加工性能好,是一種理想的壓電敏感元件,可以用于感知彈前壓力和彈底壓力。考慮到PVDF材料具有顯著的熱釋電效應,若PVDF材料直接與高溫火藥氣體接觸極易被燒蝕,或產生巨大的熱電荷輸出,導致傳感器無法正常工作,需要將其與火藥氣體完全隔離,防止被燒蝕,或者產生熱電荷輸出。設計的耦合膛壓測試彈總體方案如圖2所示。

圖2 耦合膛壓測試彈總體方案圖

耦合膛壓測試彈由彈頭、彈本體、彈帶、彈尾、彈本體前蓋、彈本體后蓋等6部分組成。2個PVDF薄膜壓電傳感器分別粘貼于彈本體的前蓋上和后蓋上。彈頭沿軸向開設有3個圓周均布螺紋孔,彈本體前蓋對應開設有通孔,彈頭通過螺釘連接至彈本體前蓋。該連接方式使彈頭與彈本體前蓋的相對轉動和徑向平動自由度被約束,但保留了軸向平動自由度,與活塞結構相似。耦合膛壓測試彈發射后,作用在彈前的壓力通過彈頭傳遞給彈前PVDF薄膜壓電傳感器;PVDF受力后發生厚度壓縮變形,并產生與變形量成比例的極化電荷,實現彈前壓力的測量。彈底壓力的測量原理類似。

彈頭和彈尾起到隔絕火藥氣體熱傳遞的作用,同時其側壁安裝有橡膠密封圈,密封圈周圍涂抹硅脂,避免火藥氣體進入彈頭和彈本體前蓋(或彈尾和彈本體后蓋)裝配縫隙內,使PVDF薄膜壓電傳感器被燒蝕。加速度傳感器置于彈本體內,通過螺栓與彈本體剛性固定,測量彈體運動加速度。采集、計算、存儲、通信電路系統安裝于彈本體內,剩余空間填充固結材料、減載材料,起到固定電路系統、減小應力過載峰值的作用。

1.3 傳感器設計

加速度傳感器選用揚州聯能公司的耐高過載壓電石英晶體加速度傳感器,其傳感器量程±50 000 g,靈敏度0.059 8 pC/。PVDF薄膜壓電傳感器選用Dynasen公司生產的薄膜壓電傳感器,其壓力敏感面尺寸為6.35 mm×6.35 mm,厚度僅為28 μm,壓力測量上限大于10 GPa。該傳感器由PVDF材料、電極、引出線與絕緣體薄膜組成,其中電極蒸鍍在大片PVF2聚合物的一側,并封裝在兩層聚酰亞胺絕緣體之間。PVDF薄膜壓電傳感器外形和結構如圖3(a)和圖3(b)所示。

圖3 PVDF薄膜壓電傳感器

1.4 電路系統設計

電路系統由信號采集調理電路、濾波電路、微控制器、AD模數轉換器、測試數據存儲器、數據通信電路、電源等模塊組成。采集、計算、存儲、通信電路系統置于彈本體的空腔內,完成信號采集、調理、存儲和通信功能,電路系統原理圖如圖4所示,制成實物如圖5所示。

圖4 電路系統原理圖

圖5 電路系統實物圖

射擊過程中彈前PVDF薄膜壓電傳感器、彈底PVDF薄膜壓電傳感器、加速度傳感器的輸出信號通過低噪聲、高強度導線送入信號調理電路,并被轉換成電壓信號,濾波電路濾除高頻干擾,AD模數轉換器將模擬電壓信號轉換成數字信號保存在存儲器中。射擊后回收耦合膛壓測試彈,被保存的測量數據通過通信傳輸電路上傳至電腦。

1.5 測試結果修正

耦合膛壓測試彈利用彈頭和彈尾隔絕火藥氣體與PVDF薄膜壓電傳感器的接觸,由彈頭和彈尾直接承受火藥氣體產生的彈前壓力和彈底壓力,分別傳遞給彈前PVDF薄膜壓電傳感器和彈底PVDF薄膜壓電傳感器。彈頭和彈尾隨同耦合膛壓測試彈作加速運動而產生了慣性力,進而引起了PVDF薄膜壓電傳感器測試彈前壓力和彈底壓力的誤差,這是系統誤差,可以進行修正。

耦合膛壓測試彈內的加速度傳感器測量彈體運動加速度,可以獲得彈頭和彈尾的慣性力:=,=。式中:為彈頭慣性力,為彈尾慣性力,為彈頭質量,為彈尾質量,為耦合膛壓測試彈的運動加速度。而耦合膛壓測試彈的彈前壓力和彈底壓力分別為

t,=-()

d,+1=+()

式中:為彈前PVDF薄膜壓電傳感器測得壓力值,為彈底PVDF薄膜壓電傳感器測得壓力值,為彈頭和彈尾的受力面積(橫截面積)。

2 試驗測試

2.1 靜態測量

制作4發耦合膛壓測試彈,利用“金屬風暴”武器射擊耦合膛壓測試彈,檢驗其性能。4發耦合膛壓測試彈分為2種,第一種是機械強度性能試驗彈2發,編號為3#、4#,如圖6(a)所示,其內部僅安裝了少部分電路系統,在射擊過程中電路系統不工作,射擊后回收檢查其機械強度,檢查其是否能夠承受“金屬風暴”武器發射過載,以及回收時沙箱對彈體的沖擊,檢驗其機械結構的強度設計是否滿足要求。第二種是測試性能試驗彈2發,編號為1#、2#,如圖6(b)所示,在其內部安裝了完整的電路系統,在射擊過程中電路系統觸發,采集、處理和存儲信息,射擊后回收,讀取測試數據,獲取“金屬風暴”武器發射過程中的彈前壓力、彈底壓力和加速度數據,檢驗彈內電路系統是否具備了測試功能。

圖6 耦合膛壓測試彈

首先對耦合膛壓測試彈進行靜態測量,獲得其外形尺寸和質量等參數,用于計算射擊試驗所需的裝填諸元,詳見表1。

表1 耦合膛壓測試彈的靜態參數

2.2 射擊試驗

利用“金屬風暴”武器的彈道炮進行耦合膛壓測試彈的射擊試驗。利用雷達測試彈丸初速,利用彈丸回收器(沙箱)回收耦合膛壓測試彈。試驗前先進行耦合膛壓測試彈自檢和初始化設置,例如觸發電平、延遲時間、采樣頻率等,如圖7所示。

圖7 耦合膛壓測試彈丸試驗前設置

由于是初次進行耦合膛壓測試彈的射擊試驗,為了降低試驗安全風險,本次試驗適當減少了發射藥量。本次試驗成功實現了耦合膛壓測試彈的回收,如圖8所示。

圖8 回收的耦合膛壓測試彈

耦合膛壓測試彈的彈體外觀檢查和初速測試結果見表2所示。

表2 耦合膛壓測試彈的外觀檢查和初速結果

分別利用1#、2#耦合膛壓測試彈測試了彈前壓力和彈底壓力。讀取彈前PVDF壓力傳感器、彈底PVDF壓力傳感器和加速度傳感器的測試數據,其中加速度曲線如圖9和圖10所示。首先對測試數據進行10 kHz低通濾波處理,然后按照1.5節所提方法進行誤差修正,獲得彈前壓力和彈底壓力,如圖11～圖14所示。

圖9 1#測壓彈的加速度曲線

圖10 2#測壓彈的加速度曲線

圖11 1#測壓彈的彈前壓力曲線

圖12 1#測壓彈的彈底壓力曲線

圖13 2#測壓彈的彈前壓力曲線

圖14 2#測壓彈的彈底壓力曲線

結果表明:耦合膛壓測試彈具備了測試彈前壓力和彈底壓力的功能,達到了設計要求。其中,彈前壓力曲線出現的負值現象,是由于薄膜壓電傳感器在安裝時施加了預壓力,在測試過程中,當外部壓力降至較低值時,薄膜壓電傳感器出現卸載,造成測試數據出現負值。

3 結束語

由于高初速防空反導“金屬風暴”武器口徑小、裝發射藥多、射速高、初速大,每發彈射擊后留在膛內的火藥氣體需要經過較長的后效期才能降至自然環境壓力,因此后一發彈的內彈道與前一發彈的后效期耦合作用較強。為了測試臨近彈丸之間的耦合膛壓,研發了30 mm耦合膛壓測試彈,通過射擊試驗檢驗了其性能,并得出以下結論:

①30 mm耦合膛壓測試彈結構設計合理,彈體和彈帶機械強度滿足設計要求,發射和回收均可靠;

②彈頭和彈尾可以隔絕火藥氣體,有效保護薄膜壓電傳感器不被燒蝕,確保其感知壓力;

③加速度傳感器獲得彈頭和彈尾的慣性力,能夠用于修正薄膜壓電傳感器的壓力值,獲得耦合膛壓測試彈的彈前壓力和彈底壓力。