一級氣體炮發射沖擊響應測試分析

彭小武，馬國鷺，張浩，陳萬華，王立斌

(1.西南科技大學 制造過程測試技術教育部重點試驗室，四川 綿陽 621010；2.中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽 621000)

一級氣體炮是通過對氣體的壓縮,快速釋放壓縮氣體能量,實現對被發射對象(一般為彈丸)膛內極大加速的動高壓加載專業裝備[1],廣泛應用在高速侵徹沖擊、模型彈射等領域。一級氣體炮在發射時因極速加速產生極強的后坐力,瞬時沖擊載荷對一級氣體炮支撐機構、關聯裝置和電控系統等產生直接影響[2],在大口徑、大質量、高速的模型彈射中尤為突出。因此,獲得一級氣體炮發射參數對沖擊響應譜的作用影響,為一級氣體炮在相關領域應用提供基本數據支撐具有顯著意義。

目前,針對動高壓加載裝備的沖擊響應譜分析,更多是聚焦在一級氣體炮內彈道理論分析和氣體炮不同發射參數對彈丸速度的影響等。譬如,林俊德等[3]研制了一種新型57 毫米氣體炮自勵式錐閥,最小開啟時間約為2 ms,提高氣體炮發射工作效率、具有更寬的彈速范圍并且極大程度上簡化了氣體炮的結構設計;王金貴等[4]結合理想氣體狀態方程和絕熱過程方程并借用火炮內彈道理論中的虛擬質量系數表達形式推導了氣體炮內彈道方程,獲得了炮口初速解析表達式,為氣體炮設計提供了理論依據;夏正友等[5]研發了一種新型的非火藥驅動的氣體炮,給出了該炮的結構原理和內彈道數學模型,并通過數值模擬分析了發射參數的協調與優化關系,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方式,推導出了內彈道方程,與傳統的經典方程相比,該方程不受容積比的限制,有效提高了理論計算的精度,更準確地揭示了炮口初速隨氣室容積的變化規律;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參數對彈丸速度的影響,對指導氣體炮的設計與優化提供了理論依據;薄瑞峰等[8]利用氣體炮氣動原理設計了一種能夠模擬炮膛合力沖擊載荷的試驗裝置,分析了設計參數對沖擊載荷的影響。諸多學者在氣體炮理論方面進行了深入討論,但鮮有針對具體口徑的一級氣體炮發射響應進行試驗測試和沖擊譜線與發射參數的關聯分析。

因此,筆者針對口徑為50 mm、發射對象(彈丸質量)≥1.0 kg、彈射速度在0～300 m/s、工作介質為空氣的一級氣體炮,基于動高壓原理構建內彈道方程,測試不同彈丸質量、多種出膛速度(彈射氣壓)下的沖擊響應。通過研究不同發射壓力下炮尾端面加速度沖擊響應與沖擊響應功率譜,獲得發射平臺在氣體炮不同發射工況下自身的基礎響應特性,為下一步氣體炮支撐機構的設計及優化提供理論數據;其次,分析不同發射參數對響應譜線的作用影響,獲得特征變化規律,也為該發射參數下的一級氣體炮在相關領域應用提供基礎響應特性信息。

1 一級氣體炮內彈道模型構建

一級氣體炮主要由高壓氣室、自勵式快開閥、彈丸裝填段、發射炮管和彈丸5個部件構成,結構部分由5個腔室組成,其中高壓氣室用于儲存高壓氣體;排氣腔用于啟閉閥芯;阻尼腔用于控制閥芯運動速度并緩解閥芯的振動沖擊;緩沖腔借助腔室封閉氣體減速閥芯運動,防止閥芯高速沖擊自勵式快開閥;彈后腔用于高壓氣室氣體泄露時,起到緊急泄壓的作用避免彈丸被誤發射。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、體積和彈后腔長度;Lf、Df分別為發射炮管的長度和口徑。基于動高壓基本模型,并將內彈道過程視為理想氣體絕熱膨脹過程,彈丸在發射炮管內的彈道方程[4]如下：

(1)

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

(2)

式中：K為彈丸與發射炮管內壁的摩擦影響系數,鑒于本文中彈丸材料為316L不銹鋼,發射炮管為42CrMo,基于相關文獻[4]取K=1.05;R為壓縮氣體常數;T為絕對溫度;M為壓縮空氣的摩爾質量,P1、V1對應為高壓氣室壓力和容積。

彈后壓力變化可描述為

(3)

式中：x為彈丸相對初始裝彈時所在發射炮管的位置;γ為壓縮氣體絕熱指數。

聯立式(1)～(3),整理后獲得一級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,發射炮管長度Lf=4 m,炮管口徑Df=50 mm,獲得彈丸質量(0.9～1.4 kg)和高壓氣室壓力(0～15 MPa)對出膛速度的對應關系,如圖2所示。當彈丸質量為1.05 kg,發射壓力分別為5、7和10 MPa時,彈丸出膛速度分別對應203.32、227.75和253.22 m/s。

2 一級氣體炮發射響應測試試驗

基于上述構建的內彈道模型,搭建一級氣體炮發射系統的試驗測試平臺,主要由高壓氣室、快開閥結構、彈丸裝填部位、發射炮管、彈丸、高壓供氣系統和工控系統等部件構成,如圖3所示。

一級氣體炮發射試驗測試系統最大發射壓力15 MPa,炮管口徑50 mm,長度4 m,彈丸裝填區能夠適應長度為160 mm、質量為1.05 kg的彈丸。在氣體炮發射的過程中,主要是沿軸線方向(氣流方向)的后坐力沖擊。尾部的加速度響應能夠較好地反映彈丸在發射過程中的整個沖擊歷程,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射過程中炮管的加速度時間曲線,采用激光對射傳感器獲得彈丸出口速度。整個炮身與支架平臺采用固定連接,預發射時將炮身調整成水平姿態。搭建的一級氣體炮測試系統平臺如圖4所示。

一級氣體炮在水平狀態,發射參數按照內彈道的計算結果為載荷輸入,對1.05 kg彈丸分別以5、7、10 MPa進行發射測試,加速度傳感器的采樣頻率為10 kHz,獲得炮尾端面加速度時間響應曲線。通過炮口測速系統獲得該彈丸在5、7和10 MPa發射壓力下的實際出膛速度對應為198.03、224.81和249.75 m/s,內彈道模型計算的出膛速度與實際發射試驗測試獲得的出膛速度基本吻合,平均偏差為1.75%,驗證了內彈道模型的可靠性。

3 一級氣體炮發射沖擊響應分析

3.1 沖擊響應時域分析

對一級氣體炮在5、7、10 MPa發射壓力下的炮尾端面加速度時間響應信號進行分析處理[9～10],1.05 kg彈丸在不同發射壓力下的加速度時間100 ms內的響應曲線如圖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,對應的動量分別為207.93、236.05和262.24 kg·m/s,在彈丸出射各動量下對應的加速度峰值為16.67g、16.86g和27.15g,在出現峰值的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量呈線性對應關系,為分析彈丸在炮膛中加速以及出膛過程的動能變化趨勢提供參考依據,同時加速度峰值衰減時間間接反應了一級氣體炮發射結構的阻尼特性,受動量影響幅度較小。

3.2 沖擊響應功率譜分析

對采集的1.05 kg彈丸在不同出膛速度下的加速度響應數據,截取時域長度為100 ms的數據對其進行功率譜分析,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四個頻段,沖擊響應譜線幅值隨彈丸出膛速度呈線性增大,頻譜區域分布寬度則線性變窄。

3.3 沖擊響應短時頻譜特征提取

采用短時傅里葉變換(Short time Fourier transform,簡稱STFT)對試驗采集的炮尾加速度信號進行時頻分析[11],為確保STFT獲得較好的時頻聚集性[12],選取窗長為128,獲得一級氣體炮沖擊響應譜線的時變特征,如圖7所示。

隨著出膛速度增大,沖擊響應時間由50 ms縮短至40 ms。其中,出膛速度為198.03 m/s時的高頻成分頻率分布在410～1 500 Hz,其對應的時間范圍為20～70 ms,在58.8 ms時受到沖擊最大;出膛速度為249.75 m/s時的高頻成分頻率分布在400～1 100 Hz,其對應的時間范圍為20～60 ms,在46.9 ms時受到沖擊最大,彈丸出膛速度對頻譜能量密度分布高頻時變集中特性更加顯著。

4 結論

通過對構建的一級氣體炮彈道模型分析,搭建的口徑為50 mm、彈丸質量大于1 kg的一級氣體炮發射平臺,在不同壓力下進行發射試驗測試,獲得了加速度沖擊響應,基于時域、頻域和時頻的分析,得到結論如下：

1)構建的內彈道方程能準確描述彈丸質量、壓力等參數和出膛速度的關系,為一級氣體炮的結構設計提供了理論依據。

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四個頻段,沖擊響應譜線幅值隨彈丸出膛速度呈線性增大,頻譜區域分布寬度則線性變窄。

3)彈丸出膛速度對頻譜能量密度分布高頻時變集中特性更加顯著。該研究為氣動發射在相關領域應用中的設計、沖擊評估提供最基本的響應譜線,解決了氣體炮在實際工程應用中參考數據不足的問題,減少了相關氣動武器研發的成本。