一級(jí)氣體炮發(fā)射沖擊響應(yīng)測(cè)試分析

彭小武，馬國鷺，張浩，陳萬華，王立斌

(1.西南科技大學(xué) 制造過程測(cè)試技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，四川 綿陽 621010；2.中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000)

一級(jí)氣體炮是通過對(duì)氣體的壓縮,快速釋放壓縮氣體能量,實(shí)現(xiàn)對(duì)被發(fā)射對(duì)象(一般為彈丸)膛內(nèi)極大加速的動(dòng)高壓加載專業(yè)裝備[1],廣泛應(yīng)用在高速侵徹沖擊、模型彈射等領(lǐng)域。一級(jí)氣體炮在發(fā)射時(shí)因極速加速產(chǎn)生極強(qiáng)的后坐力,瞬時(shí)沖擊載荷對(duì)一級(jí)氣體炮支撐機(jī)構(gòu)、關(guān)聯(lián)裝置和電控系統(tǒng)等產(chǎn)生直接影響[2],在大口徑、大質(zhì)量、高速的模型彈射中尤為突出。因此,獲得一級(jí)氣體炮發(fā)射參數(shù)對(duì)沖擊響應(yīng)譜的作用影響,為一級(jí)氣體炮在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用提供基本數(shù)據(jù)支撐具有顯著意義。

目前,針對(duì)動(dòng)高壓加載裝備的沖擊響應(yīng)譜分析,更多是聚焦在一級(jí)氣體炮內(nèi)彈道理論分析和氣體炮不同發(fā)射參數(shù)對(duì)彈丸速度的影響等。譬如,林俊德等[3]研制了一種新型57 毫米氣體炮自勵(lì)式錐閥,最小開啟時(shí)間約為2 ms,提高氣體炮發(fā)射工作效率、具有更寬的彈速范圍并且極大程度上簡(jiǎn)化了氣體炮的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);王金貴等[4]結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程和絕熱過程方程并借用火炮內(nèi)彈道理論中的虛擬質(zhì)量系數(shù)表達(dá)形式推導(dǎo)了氣體炮內(nèi)彈道方程,獲得了炮口初速解析表達(dá)式,為氣體炮設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù);夏正友等[5]研發(fā)了一種新型的非火藥驅(qū)動(dòng)的氣體炮,給出了該炮的結(jié)構(gòu)原理和內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型,并通過數(shù)值模擬分析了發(fā)射參數(shù)的協(xié)調(diào)與優(yōu)化關(guān)系,指出了影響彈丸最大加速度的主要因素;李鋒等[6]提出了氣體密度新的表達(dá)方式,推導(dǎo)出了內(nèi)彈道方程,與傳統(tǒng)的經(jīng)典方程相比,該方程不受容積比的限制,有效提高了理論計(jì)算的精度,更準(zhǔn)確地揭示了炮口初速隨氣室容積的變化規(guī)律;蘇紅星等[7]以提高氣體炮彈丸初速為目的,分析了氣體炮中相關(guān)參數(shù)對(duì)彈丸速度的影響,對(duì)指導(dǎo)氣體炮的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了理論依據(jù);薄瑞峰等[8]利用氣體炮氣動(dòng)原理設(shè)計(jì)了一種能夠模擬炮膛合力沖擊載荷的試驗(yàn)裝置,分析了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)沖擊載荷的影響。諸多學(xué)者在氣體炮理論方面進(jìn)行了深入討論,但鮮有針對(duì)具體口徑的一級(jí)氣體炮發(fā)射響應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試和沖擊譜線與發(fā)射參數(shù)的關(guān)聯(lián)分析。

因此,筆者針對(duì)口徑為50 mm、發(fā)射對(duì)象(彈丸質(zhì)量)≥1.0 kg、彈射速度在0～300 m/s、工作介質(zhì)為空氣的一級(jí)氣體炮,基于動(dòng)高壓原理構(gòu)建內(nèi)彈道方程,測(cè)試不同彈丸質(zhì)量、多種出膛速度(彈射氣壓)下的沖擊響應(yīng)。通過研究不同發(fā)射壓力下炮尾端面加速度沖擊響應(yīng)與沖擊響應(yīng)功率譜,獲得發(fā)射平臺(tái)在氣體炮不同發(fā)射工況下自身的基礎(chǔ)響應(yīng)特性,為下一步氣體炮支撐機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論數(shù)據(jù);其次,分析不同發(fā)射參數(shù)對(duì)響應(yīng)譜線的作用影響,獲得特征變化規(guī)律,也為該發(fā)射參數(shù)下的一級(jí)氣體炮在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用提供基礎(chǔ)響應(yīng)特性信息。

1 一級(jí)氣體炮內(nèi)彈道模型構(gòu)建

一級(jí)氣體炮主要由高壓氣室、自勵(lì)式快開閥、彈丸裝填段、發(fā)射炮管和彈丸5個(gè)部件構(gòu)成,結(jié)構(gòu)部分由5個(gè)腔室組成,其中高壓氣室用于儲(chǔ)存高壓氣體;排氣腔用于啟閉閥芯;阻尼腔用于控制閥芯運(yùn)動(dòng)速度并緩解閥芯的振動(dòng)沖擊;緩沖腔借助腔室封閉氣體減速閥芯運(yùn)動(dòng),防止閥芯高速?zèng)_擊自勵(lì)式快開閥;彈后腔用于高壓氣室氣體泄露時(shí),起到緊急泄壓的作用避免彈丸被誤發(fā)射。如圖1所示。

圖1中P1、V1、D1分別為高壓氣室的壓力、體積和直徑;P、V、x分別為彈后腔的壓力、體積和彈后腔長(zhǎng)度;Lf、Df分別為發(fā)射炮管的長(zhǎng)度和口徑。基于動(dòng)高壓基本模型,并將內(nèi)彈道過程視為理想氣體絕熱膨脹過程,彈丸在發(fā)射炮管內(nèi)的彈道方程[4]如下：

(1)

式中：v為彈丸出膛速度;Sf為發(fā)射炮管通徑截面面積;P為彈后腔室壓力;m為彈丸質(zhì)量;φ為質(zhì)量系數(shù),描述[4]如下：

(2)

式中：K為彈丸與發(fā)射炮管內(nèi)壁的摩擦影響系數(shù),鑒于本文中彈丸材料為316L不銹鋼,發(fā)射炮管為42CrMo,基于相關(guān)文獻(xiàn)[4]取K=1.05;R為壓縮氣體常數(shù);T為絕對(duì)溫度;M為壓縮空氣的摩爾質(zhì)量,P1、V1對(duì)應(yīng)為高壓氣室壓力和容積。

彈后壓力變化可描述為

(3)

式中：x為彈丸相對(duì)初始裝彈時(shí)所在發(fā)射炮管的位置;γ為壓縮氣體絕熱指數(shù)。

聯(lián)立式(1)～(3),整理后獲得一級(jí)氣體炮彈丸出射速度的方程如下：

(4)

取高壓氣室容積V1=24 L,發(fā)射炮管長(zhǎng)度Lf=4 m,炮管口徑Df=50 mm,獲得彈丸質(zhì)量(0.9～1.4 kg)和高壓氣室壓力(0～15 MPa)對(duì)出膛速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,如圖2所示。當(dāng)彈丸質(zhì)量為1.05 kg,發(fā)射壓力分別為5、7和10 MPa時(shí),彈丸出膛速度分別對(duì)應(yīng)203.32、227.75和253.22 m/s。

2 一級(jí)氣體炮發(fā)射響應(yīng)測(cè)試試驗(yàn)

基于上述構(gòu)建的內(nèi)彈道模型,搭建一級(jí)氣體炮發(fā)射系統(tǒng)的試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái),主要由高壓氣室、快開閥結(jié)構(gòu)、彈丸裝填部位、發(fā)射炮管、彈丸、高壓供氣系統(tǒng)和工控系統(tǒng)等部件構(gòu)成,如圖3所示。

一級(jí)氣體炮發(fā)射試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)最大發(fā)射壓力15 MPa,炮管口徑50 mm,長(zhǎng)度4 m,彈丸裝填區(qū)能夠適應(yīng)長(zhǎng)度為160 mm、質(zhì)量為1.05 kg的彈丸。在氣體炮發(fā)射的過程中,主要是沿軸線方向(氣流方向)的后坐力沖擊。尾部的加速度響應(yīng)能夠較好地反映彈丸在發(fā)射過程中的整個(gè)沖擊歷程,故在炮管尾部(高壓氣室端面)位置粘貼加速度傳感器以獲得彈丸發(fā)射過程中炮管的加速度時(shí)間曲線,采用激光對(duì)射傳感器獲得彈丸出口速度。整個(gè)炮身與支架平臺(tái)采用固定連接,預(yù)發(fā)射時(shí)將炮身調(diào)整成水平姿態(tài)。搭建的一級(jí)氣體炮測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)如圖4所示。

一級(jí)氣體炮在水平狀態(tài),發(fā)射參數(shù)按照內(nèi)彈道的計(jì)算結(jié)果為載荷輸入,對(duì)1.05 kg彈丸分別以5、7、10 MPa進(jìn)行發(fā)射測(cè)試,加速度傳感器的采樣頻率為10 kHz,獲得炮尾端面加速度時(shí)間響應(yīng)曲線。通過炮口測(cè)速系統(tǒng)獲得該彈丸在5、7和10 MPa發(fā)射壓力下的實(shí)際出膛速度對(duì)應(yīng)為198.03、224.81和249.75 m/s,內(nèi)彈道模型計(jì)算的出膛速度與實(shí)際發(fā)射試驗(yàn)測(cè)試獲得的出膛速度基本吻合,平均偏差為1.75%,驗(yàn)證了內(nèi)彈道模型的可靠性。

3 一級(jí)氣體炮發(fā)射沖擊響應(yīng)分析

3.1 沖擊響應(yīng)時(shí)域分析

對(duì)一級(jí)氣體炮在5、7、10 MPa發(fā)射壓力下的炮尾端面加速度時(shí)間響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分析處理[9～10],1.05 kg彈丸在不同發(fā)射壓力下的加速度時(shí)間100 ms內(nèi)的響應(yīng)曲線如圖5所示。從圖可知,1.05 kg彈丸在出膛速度198.03、224.81、249.75 m/s時(shí),對(duì)應(yīng)的動(dòng)量分別為207.93、236.05和262.24 kg·m/s,在彈丸出射各動(dòng)量下對(duì)應(yīng)的加速度峰值為16.67g、16.86g和27.15g,在出現(xiàn)峰值的20 ms后,振蕩衰減至峰值的7.62%、7.35%和1.29%;加速度峰值與彈丸出射動(dòng)量呈線性對(duì)應(yīng)關(guān)系,為分析彈丸在炮膛中加速以及出膛過程的動(dòng)能變化趨勢(shì)提供參考依據(jù),同時(shí)加速度峰值衰減時(shí)間間接反應(yīng)了一級(jí)氣體炮發(fā)射結(jié)構(gòu)的阻尼特性,受動(dòng)量影響幅度較小。

3.2 沖擊響應(yīng)功率譜分析

對(duì)采集的1.05 kg彈丸在不同出膛速度下的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù),截取時(shí)域長(zhǎng)度為100 ms的數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行功率譜分析,如圖6所示。

頻譜密度主要分布在400～460 Hz、732～742 Hz、1 015～1 035 Hz和1 083～1 416 Hz四個(gè)頻段,沖擊響應(yīng)譜線幅值隨彈丸出膛速度呈線性增大,頻譜區(qū)域分布寬度則線性變窄。

3.3 沖擊響應(yīng)短時(shí)頻譜特征提取

采用短時(shí)傅里葉變換(Short time Fourier transform,簡(jiǎn)稱STFT)對(duì)試驗(yàn)采集的炮尾加速度信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析[11],為確保STFT獲得較好的時(shí)頻聚集性[12],選取窗長(zhǎng)為128,獲得一級(jí)氣體炮沖擊響應(yīng)譜線的時(shí)變特征,如圖7所示。

隨著出膛速度增大,沖擊響應(yīng)時(shí)間由50 ms縮短至40 ms。其中,出膛速度為198.03 m/s時(shí)的高頻成分頻率分布在410～1 500 Hz,其對(duì)應(yīng)的時(shí)間范圍為20～70 ms,在58.8 ms時(shí)受到?jīng)_擊最大;出膛速度為249.75 m/s時(shí)的高頻成分頻率分布在400～1 100 Hz,其對(duì)應(yīng)的時(shí)間范圍為20～60 ms,在46.9 ms時(shí)受到?jīng)_擊最大,彈丸出膛速度對(duì)頻譜能量密度分布高頻時(shí)變集中特性更加顯著。

4 結(jié)論

通過對(duì)構(gòu)建的一級(jí)氣體炮彈道模型分析,搭建的口徑為50 mm、彈丸質(zhì)量大于1 kg的一級(jí)氣體炮發(fā)射平臺(tái),在不同壓力下進(jìn)行發(fā)射試驗(yàn)測(cè)試,獲得了加速度沖擊響應(yīng),基于時(shí)域、頻域和時(shí)頻的分析,得到結(jié)論如下：

1)構(gòu)建的內(nèi)彈道方程能準(zhǔn)確描述彈丸質(zhì)量、壓力等參數(shù)和出膛速度的關(guān)系,為一級(jí)氣體炮的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

2)頻譜密度主要分布在400～460 Hz、732～742 Hz、1 015～1 035 Hz和1 083～1 416 Hz四個(gè)頻段,沖擊響應(yīng)譜線幅值隨彈丸出膛速度呈線性增大,頻譜區(qū)域分布寬度則線性變窄。

3)彈丸出膛速度對(duì)頻譜能量密度分布高頻時(shí)變集中特性更加顯著。該研究為氣動(dòng)發(fā)射在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用中的設(shè)計(jì)、沖擊評(píng)估提供最基本的響應(yīng)譜線,解決了氣體炮在實(shí)際工程應(yīng)用中參考數(shù)據(jù)不足的問題,減少了相關(guān)氣動(dòng)武器研發(fā)的成本。