信息化炮彈抗高過載設計方法

錢立志, 蔣濱安, 郭佳暉

(陸軍炮兵防空兵學院 高過載彈藥制導控制與信息感知實驗室, 安徽 合肥 230031)

0 引言

炮彈在以往的戰爭中功勛卓越,與火炮一起贏得了戰爭之神的美譽。如今,隨著戰爭理念的進步以及科學技術的發展,炮彈也逐步邁向信息化。然而炮彈體積小、過載大、轉速高等特點制約了其功能的拓展。20世紀70—80年代,“銅斑蛇”和“紅土地”激光末制導炮彈的相繼問世,驗證了炮彈精確制導的可行性,這不僅是炮彈信息化的開端,也是炮彈抗高過載工程實踐的開端[1]。

國內在信息化炮彈研制領域起步較晚,但是發展迅速。自20世紀90年代開始,由我軍炮兵的作戰任務為牽引,對炮彈提出了偵察、精確打擊、干擾、封控等多種功能需求,推動了國內信息化炮彈的自主研發進程,也牽引著炮彈抗高過載領域取得突破性進展。隨著我國軍工科技近十幾年的高速發展,炮彈的概念已遠超傳統范疇,完成了從單一毀傷單元向新型運載平臺的跨越式發展。

目前,我軍炮兵部隊已經裝備了以快速偵察、精確打擊、有源干擾以及區域封控為核心功能的各類信息化炮彈。然而炮彈體積小、過載大、轉速高等固有屬性,對其設計研發提出了嚴苛挑戰,而解決抗高過載問題是實現其他功能的基礎。本文試圖揭示信息化炮彈抗高過載問題的本質,并闡明抗高過載的關鍵技術和設計流程。

1 信息化炮彈抗高過載問題的提出與內涵

信息化炮彈抗高過載問題的出現,是因為現代戰爭中,炮彈除了毀傷目標外,還需搭載各類功能器件以完成多種作戰任務,為防止器件受到過載影響而發生失效,彈載器件抗高過載的需求便孕育而生。其本質內涵包括以下4個特征:

1)耦合性。抗高過載設計通常需要根據應力水平和響應激勵來優化炮彈結構組成和材料性能,而變更的結構和材料又會反過來影響應力水平和響應激勵,造成問題耦合迭代。例如,采用增加壁厚的方式來提高彈尾強度,會導致彈丸質心后移,進而影響其靜穩定度。

2)全局性。抗過載設計不能僅僅聚焦在某一個器/部件和其接觸的受力關系上,還需關注全局過載過程和變化。例如,某彈由多個不同材料的艙段組成,每個艙段均滿足發射過載要求,但由于各材料的過載響應不同導致艙段間產生縫隙,從而引發彈丸漏氣解體。

3)針對性。常見的抗過載思路是優化彈上結構和材料,提高部件失效極限,進而提高其抗過載能力。值得注意的是,抗高過載問題的目標并不是保持彈上所有的結構和材料完好,而是保證彈載任務設備可以正常發揮功能,顯然,彈上部件功能失效和結構失效并不完全等價。例如,用于連接彈丸艙段的徑向螺釘發生塑性變形并不一定會導致彈丸解體。

4)偶然性。新型炮彈全壽命周期包括倉儲、運輸、維護、使用、銷毀等環節,時間跨度十多年,可能會出現部件性能退化、材料老化、指標降低等情況,影響原有抗過載能力,過載失效的位置和閾值也存在一定的偶然性。目前,一線部隊彈藥倉儲時間較長,彈丸器件結構在長時間存儲后能否滿足抗過載要求缺乏必要的數學模型來驗證。

2 信息化炮彈抗高過載關鍵技術

2.1 過載環境建模及測量技術

過載環境是抗高過載研究的起點,針對發射過載,可以利用過載峰值×過載過程持續時間來簡單描述過載環境,用過載-時間曲線來精確計算過載影響。由于高過載環境通常伴隨著高動態,僅靠過載峰值這一變量根本無法準確描述炮彈所受的過載過程。

對于發射過載的描述,通常有兩種形式。

一種是在藥室安裝傳感器實測火炮膛壓,利用膛壓曲線描述火炮發射過載,圖1為某型火炮實測膛壓曲線[2]。

圖1 某型火炮實測膛壓曲線圖Fig.1 Measured chamber pressure curve of a certain type of artillery

另一種是在彈上安裝微傳感器實測過載加速度,利用加速度曲線描述火炮發射過載,圖2為某型彈載加速度計實測發射過載曲線[3]。

圖2 某型加速度計實測發射過載曲線圖Fig.2 Measured emission overload curve of a certain accelerometer

圖1和圖2均可用來描述火炮發射時的過載,定性來看,膛壓曲線沒有振蕩過程,而加速度計實測曲線有明顯振蕩,且反向振蕩的過載值和正向基本處于同一量級。

事實上,利用膛壓曲線和加速度曲線來描述火炮的發射過載都是正確的,差別在于測量原理和測量位置不同。膛壓測量的是火藥燃燒產生的壓力,因此不可能出現負值;而過載測量的是彈上某一位置的加速度,由于彈上存在不斷傳播的應力波,加速度計讀數會出現過載方向交替的現象。文獻[4]基于火炮發射膛壓曲線,結合應力波傳播原理,構造了針對彈載光電器件的動力學模型,可以求解彈上某一特定部件的過載響應,統一了上述兩種發射過載描述。

2.2 抗過載結構與材料技術

炮彈抗高過載能力的提升本質在于新結構的設計和新材料的應用,然而新理論新技術的應用還需要服從于功能任務和作戰條件,如平臺適配性、系統可靠性、環境適應性等。因此,彈上結構和材料領域需要軍事需求、理論模型和工程研發等多個領域結合推動發展。

2.2.1 抗高過載結構

合理設計減振結構可以有效提高彈載器件的抗過載能力。文獻[5]采用橡膠墊和碟簧組合的復合減振裝置對彈載光電任務設備進行保護,效果顯著,解決了彈載光電器件抗火炮發射過載的難題,為彈載攝像機、光電導引頭研制提供了可行的技術途徑,并成功應用于多型炮彈型號研制[6-7],其減載裝置的基本結構如圖3所示。

圖3 橡膠及碟簧減載裝置結構圖Fig.3 Structural diagram of rubber and disc spring load shedding device

司朝偉等[8]通過改進微機電系統(MEMS)陀螺懸掛梁的尺寸結構,提高了其沖擊振動模態諧振頻率,以增強抗沖擊性能,重錘測試表明,該陀螺在驅動方向上的抗沖擊性能可達23 000g。劉洪[9]分析了MEMS陀螺振子特性,提出了一種錐形振子的MEMS陀螺結構,其可達10 000g以上的抗沖擊能力。褚偉航等[10]采用雙懸臂梁設計,增加了微陀螺結構的穩定性,進而提高了其抗過載能力。林日樂等[11]通過在敏感芯片開槽結構的末端設計圓弧臺階,降低了該部位在沖擊環境下受到的最大應力,提高了敏感芯片的抗沖擊性能。汪守利等[12]提出了一種基于黏彈性阻尼減振器與慣組基體隔離的方法,實現了MEMS陀螺內減振。國外在MEMS器件過載防護方面也取得了豐碩成果,值得注意的是,國外學者除了采取改造結構的抗過載設計方法以外,還注重從材料本身解決抗過載問題。例如Myers等[13]設計了一種基于碳化硅材料的線性諧振結構,通過空氣炮實驗對其進行了沖擊過載實驗,發現諧振頻率在沖擊實驗前后并無太大變化,驗證了碳化硅材料良好的抗高過載特性,其結構如圖4所示。

圖4 碳化硅諧振結構圖Fig.4 Structure diagram of silicon carbide resonance

對于彈上活動部件,如軸承、陀螺(機械)、舵(翼)展開機構、舵系統等,需要同時滿足結構支撐和相對運動兩個要求,其抗過載設計需要把握兩個原則:一是活動件不承重,二是支撐件不懸空。李杰等[14-15]、段曉敏等[16-17]、張樨等[18]、魏曉凱等[19]運用旋轉隔離及過載轉移的方法,研制了一種被動式半捷聯平臺結構(見圖5),同時設計了一種對頂半球結構(見圖6),該結構可以在半捷聯平臺受到較大過載時,起到防護作用,有效減小軸承的軸向受力,保證其正常運轉。

圖5 被動式半捷聯平臺Fig.5 Passive semi-strapdown platform

圖6 對頂半球結構圖Fig.6 Structure diagram of opposite top hemispheres

孫棟等[20]提出了在引信軸承處添加銅制緩沖墊片和改變外轉子機架的軸肩與底螺尺寸兩種抗過載設計方案,如圖7所示,該方案滿足了旋轉機架抗過載設計的需求。惠江海等[21]研究分析了沖擊環境下某旋轉型超聲電機的失效模型,得出預緊力機構是最薄弱環節,并通過空氣炮試驗,得到該型結構的失效條件。

圖7 自旋式電機旋轉機架結構圖Fig.7 Structure diagram of rotating frame of spin motor

李莉等[22]分析了折疊彈翼展開過程的動力學性能,探討了機構各參數對展開時間和沖擊過載的影響。王竟等[23]針對抗大風阻微型伺服機構中折疊彈翼進行了優化設計,如圖8所示,該結構可以保證彈翼在炮射條件下安全展開。

圖8 某型彈翼展開機構Fig.8 A wing deployment mechanism

隨著測試手段和應力波理論的發展,炮彈部件級抗過載問題已取得一定進展,文獻[24]基于黏彈性材料的非線性特性,建立并求解了加裝減載組件的彈載器件非線性動力學模型,仿真結果和試驗數據吻合度較好,并發現了過載時間累積效應[25],提出了可用于指導工程實踐的經驗公式,取得了較好效果,通過分析將抗高過載結構歸納為兩種類型[26]:一類是將彈載器件自身的強度提高,即提高彈載器件可以承受的極限過載,方法主要有對器件進行加固或封裝、選用高強度材料制作器件等;另一類是加裝減載組件,即利用減載組件的吸能特性減緩高過載環境對其造成的影響,具體有以下4種方案:

1)采用高強度材料制作器件,同時盡可能對抗過載能力弱的器件進行小型化設計,以減小體積,減輕任務設備的自身質量,提高器件抗振、抗沖擊能力。

2)提高結構穩定性。主要方法是對易損部件進行加固處理從而提高結構強度等,典型如某型干擾彈中采用的籠式結構(見圖9)和某型偵察彈中應用的加固CCD攝像機(見圖10)。

圖9 籠式結構干擾機體Fig.9 Interference machine with cage structure

圖10 加固后的彈載CCD攝像機Fig.10 Reinforced missile borne CCD camera

3)合理布局電子元器件。主要是選用符合標準、結構較牢固的電子元器件,特別是貼片器件,同時進行合理布局、可靠焊接。

4)對彈載器件進行固封。常用的固封材料有兩種:1)膠脂固封,如硅膠、環氧樹脂、低溫陶瓷等,利用封膠工藝固封的效果如圖11所示;2)發泡填充,一般采用雙組分發泡劑按一定比例混合生成帶氣孔的固態產物,利用發泡工藝固封效果如圖12[27]所示。

圖11 利用封膠工藝固封效果圖Fig.11 Effect drawing of fixation with glue sealing process

圖12 利用發泡工藝固封效果圖Fig.12 Effect drawing of fixation by foaming process

2.2.2 抗高過載材料

炮彈抗過載材料主要可以分為高分子類和金屬類。高分子類材料主要用于密封、減振和隔離,如橡膠是制作密封圈、減振墊的主要材料,而灌封材料廣泛應用于電子器件防護;金屬類材料主要用于支撐、吸能,如鎂合金、鈦合金等合金材料可用于炮彈新型支撐結構,而泡沫鋁因其具有海綿狀結構,也常用于制作吸能結構。

灌封材料以黏彈性材料為主,常用于保護彈載電子器件、電子電路和結構,對于灌封防護技術來說,灌封防護材料的作用主要有兩點:一是給嵌入其中的器件提供結構支撐;二是作為被保護組件的減振機構,吸收和耗散掉傳遞到電子器件上的機械能[28]。灌封材料本身的黏彈性效應是其能夠吸能緩沖的重要原因。文獻[29]表明,灌封防護材料的黏性適當增加能削弱電子器件的應力響應,材料黏性可作為設計材料時的主要考慮因素,而密度和彈性模量影響較小。

合金金屬材料是未來炮彈抗高過載材料發展的重點,優質的輕量金屬合金對炮彈設計意義重大。鎂合金作為質量最輕的金屬結構材料,由于比強度高、抗沖擊性能良好,是實現武器輕量化的理想材料。近年來,國內外學者陸續發現向Mg-Re合金中添加Zn等元素會產生一種新的增強相結構,即長周期堆垛有序結構[30],該構造是目前已知提高鎂合金綜合力學性能最為有效的強化結構[31]。但是該型鎂合金依然存在耐蝕性差的問題,如果采用鎂鋁復合板則可兼具鎂合金輕質和鋁合金耐蝕的性能優勢。然而,目前國內外對于金屬層狀復合材料阻尼性能的研究較少,暫時并沒有比較系統的分析方法,大多數都是總結金屬板材阻尼性能的變化規律,尤其是Al/Mg/Al三明治復合板材的阻尼機理仍需深入探索和研究[32]。泡沫金屬材料由于其有獨特的孔洞結構和功能特性,不僅廣泛應用于一般的工程領域,而且在航空航天與軍事領域具有極其重要的用途[33-34]。在壓縮變形時,由于泡孔的逐層坍塌或泡孔整體畸變和坍塌的機制而在應力-應變曲線中會有一段很長的應力平臺,其可在一個穩恒應力水平下(通過調控其孔隙參數及基體合金微觀組織使其低于彈載器件可承受的應力水平)吸收大量的過載能量,從而使得彈載器件在高過載環境下免受傷害[35-37]。

應力波理論是分析結構和材料在強動載荷作用下響應及破壞特性的基礎。王立禮等[38]提出了基于應力波理論的材料動力學研究方法。在材料損傷機理方面,有研究[39]表明,材料損傷還存在損傷門限值,門限值和材料本身屬性有關。

2.3 抗高過載試驗測試技術

2.3.1 沖擊振動試驗

沖擊試驗是最接近抗過載真實環境的模擬試驗,常見的試驗設備包括SHPB實驗裝置[40-42]、馬歇特錘、沖擊臺和空氣炮等,這類試驗裝置均存在使用局限性,以SHPB實驗裝置為例,可以總結如下:

1)被試件不能太大。徑向尺寸太大就不滿足一維應力假設,軸向尺寸太大就不滿足平衡應力狀態假設;

2)被試品結構材質不能太復雜,結構材質復雜意味著被試品應力波速不均勻,會影響試驗精度;

3)被試品不能太脆,很多脆性材料應力波還沒達到動態平衡,就已經損壞了;

4)被試品不能太軟,太軟的材料應力波速相對于輸入輸出桿(金屬)很低,難以達到應力平衡條件。

針對以上問題,大量科研人員也做了相關研究和改進,如加大壓桿直徑[43]、研制新材料壓桿[44],都在一定程度上擴展了SHPB裝置的使用范圍,不過由于應力波效應與應變率效應耦合的原因[45],沖擊試驗只能為抗過載設計提供參考。此外,SHPB裝置模擬過載時間都很短,通常在百微秒量級,對于毫秒量級的火炮發射過程模擬程度有限。

振動環境試驗可以分為隨機振動環境試驗、正弦振動環境試驗、沖擊振動環境試驗、混合振動環境試驗[46],可以滿足環境適應性、材料強度、動力學特性等測試需求。早期受限于振動環境模擬技術,振動環境模擬都由單軸振動試驗復合疊加而成,在工程實踐上已取得了不錯的應用,隨著炮彈設備的復雜性呈幾何倍數遞增,單軸振動設備已經難以滿足需求,特別對于炮彈這類細長體進行振動試驗時,單軸振動激勵容易造成位移和應力的不均勻分布[47]。因此,自20世紀60年代開始,多維振動環境理論及設備得到了快速發展[48-52]。多維振動試驗方法是環境試驗技術的一大進步。由于它具有真實模擬外場環境、避免嚴重過試驗和節省推力等優點,有著廣泛的應用前景,將來工作的重點在于試驗方式的規范化和試驗條件的標準化、測試精度的優化和評估方向。

2.3.2 模擬發射試驗

發射過載的模擬可以采用空氣炮試驗。空氣炮是一種高過載模擬發射系統,通常用于實驗室對高過載對象進行模擬實驗。它根據動力學相似原理,使用壓縮空氣代替傳統火藥燃燒產生的高壓氣體來完成對彈丸的發射[52]。由于其具有安全可靠、操作方便、載荷范圍寬以及沖擊量級高等優點,被應用于各類沖擊實驗中并且發展迅速。

國內對于空氣炮的研究起步較晚,隨著兵器行業的發展,西北核技術研究所于1982年成功研制了57 mm口徑單級壓縮空氣炮,可提供彈丸1 400 m/s的線性加速度[53]。兵器212所于20世紀八九十年代利用活塞調節進氣量研制出了85 mm和155 mm口徑空氣炮。到目前為止,國內已經設計出了功能豐富的各類空氣炮,可以為彈載器件抗高過載試驗提供有力支撐。

2.3.3 靶場試驗

任何模擬仿真實驗都無法代替靶場試驗的作用,我國兵器類靶場逐步形成了場區大、試驗領域廣、試驗測試綜合能力強的良好態勢,可以承擔各行業和兵種的武器裝備科研試驗、產品交驗試驗、外貿產品定型試驗任務及典型試驗測試任務,具備近、中、遠程武器試驗測試能力,防空反導武器試驗驗證能力,戰斗部毀傷威力試驗與評估能力以及制導導引頭半實物仿真實驗測試能力等[54]。在炮彈抗高過載方面,靶場試驗主要采用小射角回收試驗和全系統試驗兩種方法,小射角回收試驗主要針對部件級抗過載測試,對某母彈進行工程改造,將被試部件按實際裝配關系裝入母彈,并采用小射角發射,以方便回收。圖13展示了某次炮彈部件級過載試驗前后對比,通過小射角回收試驗,可以直觀研究被測部件失效情況,同時通過搭載各類型傳感器,為改進分析提供重要數據支撐。

圖13 某型制導炮彈舵系統過載試驗情況Fig.13 Overload experiment of rudder system of a guided projectile

全系統實彈試驗是在各分系統完成過載試驗后,通過整彈發射來檢驗全系統的工作狀態,需要各種武器裝備專用試驗設施及大型測控設備,包括彈道跟蹤雷達、搜索雷達、光電經緯儀、地面遙測接收系統、空中測試平臺等。

3 炮彈抗高過載設計

3.1 炮彈全設計流程

炮彈作為武器裝備,具有確定的設計流程,大體可以概括為以下4步:1)由軍方牽頭完成對武器裝備的需求分析和頂層設計,明確基本作戰需求指標,如平臺、射程、精度、威力、作戰對象、使用環境等;2)以作戰需求為依據,完善形成戰術技術指標體系和研制總要求,指導方案設計、研制進度和考核條件;3)開展關鍵性能指標的設計計算、互相制約指標之間的權衡比較、影響主要作戰能力的參數靈敏度評估,并進行系統綜合分析;4)明確氣動、導控、動力、引信和戰斗部、時序、電氣等分系統指標,逐級分配,直至設計閉環[55],設計流程如圖14所示。

圖14 炮彈全設計流程Fig.14 Whole process of shell design

炮彈抗過載設計處于全設計流程的第三個環節,需要根據總戰術技術指標要求,明確各分系統抗過載指標要求。

3.2 炮彈抗高過載設計約束

炮彈抗過載設計主要面臨兩個方面的約束:一是研制總要求的輸入性約束,主要有發射平臺、彈重、彈長、發射裝藥、使用環境等;二是分系統設計的反饋性約束,主要有彈丸固有頻率、質心位置、氣動外觀、艙段空間、部件質量、材料標準等。抗過載設計不僅要滿足研制總要求,還需考慮分系統實現的難度和可行性,約束關系如圖15所示。

圖15 抗高過載設計約束Fig.15 Constraints of anti-high-overload design

3.3 炮彈抗高過載設計流程與方法

3.3.1 設計流程

設計流程可以分為三個環節:一是基本參數設計環節,主要確定過載環境、質心位置范圍和基本氣動布局,如圖16所示;二是分系統參數設計環節,主要確定各功能艙段空間、質量、結構和材料,如圖17所示;三是試驗驗證環節,如圖18所示,包括仿真、模擬、等效和實彈試驗,對抗過載設計進行校核。

圖16 基本參數設計環節Fig.16 Design links of basic parameters

圖17 分系統參數設計環節Fig.17 Design links of subsystem parameters

圖18 試驗驗證環節Fig.18 Links of experimental verification

3.3.2 設計方法

根據作者20余年從業經驗,炮彈抗高過載方法可以概括為“本體強度加固、支撐體變形吸能、結構件破壞轉移、前沿技術交叉”四個方面。

“本體強度加固”方法,是絕大多數抗過載問題的首選方法。這是通過優化結構設計,強化支撐本體強度,提升結構的損傷閾值,從而達到抗高過載目的的方法,但這種方法會增加全彈質量,難以配平質心,容易引起過載設計耦合,有時由于約束條件限制過于嚴苛,而無法采用本方法。

“支撐體變形吸能”是一種成功應用于炮彈光電導引頭的抗高過載方法。通過加裝黏彈性材料作為減載組件,依靠其變形吸能,從而降低彈載器件的應力水平,且延緩應力峰值的到來。對于無法采用“簡單加固”且嚴格要求裝配位置的精密器件,該種方法可以取得較好的效果。

“結構件破壞轉移”是基于特定抗過載環境,適用于過載峰值特別大且核心部件的功能發揮對裝配位置不敏感的情況。如對侵徹過程中的加速度傳感器進行抗高過載防護時,過載峰值特別大、過載方向也不確定,可以采用周向過載防護措施,用破壞外部防護結構而換來核心部件的功能正常。

“前沿技術交叉”是未來解決抗過載問題的核心方法。近十年來,我國軍工行業各個研究所、高校、工廠蓬勃發展,取得了可喜的成績,但受制于各種原因,各家技術交流并不充分,存在很多重復研究的現象,技術固步自封也屢見不鮮。依托國家大的發展戰略,新材料、新結構、新測試手段、新理論模型等前沿成果若能應用于炮彈抗高過載領域研究,相信很多現在棘手的問題也會迎刃而解。

4 總結與展望

本文根據作者多年的經驗積累以及文獻查閱,總結了目前炮彈抗高過載方面存在的不足:

1)缺乏對過載環境描述的力學模型。由于載荷的不確定性和試驗測量的次數限制,難以準確描述參量的概率分布,因此尋找一種合適的模型方法來降低誤差并進行定量和定性計算至關重要;同時,多場耦合、相關性等因素對不確定性分析帶來新的挑戰,高維、高度非線性的隱式函數關系阻礙了穩健性設計的進展,進而使得模型構建及求解困難。

2)對炮彈功能過載失效機理理解不深。在明確外載約束下,計算特定結構和材料的動態響應,進而獲取損傷判據并不困難。但是材料結構的屈服損傷和器/部功能過載失效并沒有必然聯系,很明顯,對于炮彈這類一次性使用的武器裝備,功能失效問題更值得關注,然而如何從屈服損傷理論發展到過載失效研究,還有很長的路要走。

3)理論與實踐交叉不夠。目前國內在發射動力學、沖擊動力學、振動力學、材料學等多個方向都取得了令人振奮的理論成果,部分理論成果針對特定的過載失效問題,稍加修正后即可指導工程實踐,然而由于專業限制和行業壁壘,軍工行業的工程師更加信任成熟的工程產品和實踐經驗,因此很多新材料、新結構、新工藝缺乏應用驗證的機會。

4)試驗測試手段匱乏。炮彈是一次性使用且長期倉儲的裝備,解決倉儲和運輸過程中炮彈材料(如高分子材料和金屬材料等)在多種環境應力下的性能變化問題,豐富各類試驗測試手段十分必要。

為了解決上述問題,需要以工程實踐問題為牽引,加大針對炮彈過載環境的理論研究,發展新的、針對性強的力學模型,同時也要挖掘成熟理論的通用性問題;加大學科專業交叉,加強領域內校企合作,讓科研成果有更多機會應用于工程實踐。