具有二次加速功能的三药室发射装置实验研究

伍俊，肖玲，庄铁栓，赵骞

（总参谋部工程兵科研三所，河南洛阳471023）

具有二次加速功能的三药室发射装置实验研究

伍俊，肖玲，庄铁栓，赵骞

（总参谋部工程兵科研三所，河南洛阳471023）

提高初速是身管武器技术永恒的研究主题。提出了一种具有二次加速功能的三药室发射装置工作原理，对其发射进行了实验研究。该装置特点是在身管上离主药室一定长度的水平位置，增加两个辅助药室，弹丸通过辅助药室入口处时，弹后高温、高压火药燃气点燃辅助药室装药，辅助装药燃烧产生的气体可减缓弹后空间压力下降，使弹底维持较高压力，达到弹丸二次增速目的。发射实验结果表明，该装置在不显著增加膛压的情况下，比单药室发射时平均初速提高15%左右，对工程防护终点弹道效应实验研究具有参考价值。

兵器科学与技术；二次加速；三药室；辅助药室；发射装置；终点效应

0 引言

由于高初速发射装置在实战中具有不容置疑的优越性以及在终点弹道效应实验研究中的重要性，世界各国一直以来都在探索研究提高弹丸发射速度的途径、方法及其实验技术。从早期的轻气炮，到后来的电磁炮、电热化学炮，及近来新出现的冲压加速火炮等，目前已经发展了一系列新的加速手段［1-4］。尽管上述手段各有优点，但受当前基础条件、经费及技术应用成熟度等原因的影响，在短期内将其技术应用到实战和工程毁伤终点效应冲击侵彻实验研究中仍存在一定的困难。

根据内弹道理论，当采用常规方法（增加药量、提高装填密度等）来提高弹丸底部压力时，不可避免地也增大了膛底的压力，给火炮安全造成威胁；同时随着弹丸速度提高，膛底和弹底之间压力梯度也越来越大，使得弹底的增压效率不很高，宏观表象就是膛底压力增加了较大幅度，而弹丸速度并未同步大幅增加。此外，当火炮身管增加到一定长度时，其对初速增量的贡献率就会变得极低。根据内弹道程序模拟结果，采用常规方法在不大幅提高膛压的条件下，要使火炮炮口威力系数有较大幅度的增加，难度极大。即便是能够将膛压提高到相当高的水平，由此造成的严重代价（包括安全及寿命）是得不偿失的［5-6］。

在注意到上述问题后，一些有效的方法便应运而生。一是采用随行装药的方法，使一部分装药随同弹丸一起运动，在恰当的时机点燃随行装药，及时弥补弹底的压降，从而提高弹丸初速。但由于目前高燃速火药技术、精确点火技术和随行技术尚不完善，故随行装药方法在相当长的时期还处于研究阶段，难以投入实用［7-9］。另外一种退而求其次的办法是采用辅助药室，在火炮身管的适当位置加装辅助药室，当弹丸运动到该位置时，快速点燃发射药，在一定程度上改变膛内火药燃气压力分布规律，尽量提高弹底压力并延缓其下降速度，该方法虽不如随行装药技术效率高，但相关原理实验证明有一定效果［10-12］。已有的研究结果表明，在身管上附加装药能够较大幅度提高炮口初速，初速增幅可达8.4%［13］。因此，本文提出的采用加装双辅助药室，来增加身管内膛压曲线充满度，是现阶段提高弹道发射装置初速最有效和最直接的方法，可以最大程度地满足工程防护终点效应实验的迫切需求。

1 三药室发射装置工作原理

该发射装置有一个主药室，位于整个火炮尾部，有两个辅助药室，位于主药室前方朝向炮口的位置上，两个辅助药室对称分布于内膛中心线两侧，呈水平并联关系，两个辅助药室与主药室沿炮膛轴线分布呈串联关系，3个药室间整体上呈混联关系。此外，由于增加了辅助药室，使得该发射装置身管长度显著增加，为方便加工，将装置分为整体药室发射段和滑膛身管段两部分，用联结法兰进行连接，法兰之间加火药燃气密封圈进行闭气。如图1所示。

图1 三药室发射装置结构示意图Fig.1 Structural representation of the three-powder chamber launch device

其内弹道过程可分为两个阶段，即主药室工作阶段和辅助药室工作阶段。在主药室工作阶段，其内弹道与常规火炮完全一样。当底火击发后，迅速引燃点火药包，进而点燃主装药，在燃气压力大于启动压力之后，弹丸开始运动。在火药燃烧造成压力上升趋势大于弹丸运动后药室容积增加造成压力下降趋势时，膛底和弹底压力都不断增加，此时弹丸速度增加量不断加大；在达到最大压力之后，压力开始下降，速度增加量开始逐渐减小。由于此时弹丸速度绝对数值已经较大，燃气膨胀速度不能及时跟上弹丸，从而使燃气对弹丸的加速效应逐渐降低。当弹丸尾部运动到辅助药室口部时，弹后高温、高压火药燃气进入到辅助药室，自动点燃辅助装药，当辅助药室内压力大于膛内的压力时，辅助药室内火药燃气从辅助药室口部喷出，使膛内的压力迅速增加，弹底压力得以提高，弹丸速度增量加大，从而达到进一步加速的目的。一般在多药室发射装置压力曲线中，会出现两个膛内压力峰值，第1个峰值是由主药室火药燃烧形成的，第2个峰值是由辅助药室火药燃烧形成的。为了避免两个压力峰值叠加造成事故，辅助药室点火时间应当控制在主药室多孔火药燃烧分裂点之后，主火药燃烧完毕之前。由于多药室发射装置压力曲线下的面积比常规火炮大一些，火药对弹丸所做的功也要多一些，弹丸初速会相应增大。因此，本文提出的三药室发射装置最大的特点是在膛压不增加或仅有小幅增加的情况下，弹丸初速有较大幅度增加，比单药室火炮单纯通过增加药量、增大装填密度或提高火药力等方法来提高初速，其效率和安全程度要高得多。

2 装置的主要设计参数选择

根据装置的工作原理，在设计选择主要参数时，可以将发射过程分为3个阶段:1）点燃主装药，膛内压力随着主装药的燃烧逐渐升高，当达到弹丸的启动压力后，弹丸开始运动，此时辅助药室内的火药尚未点燃，这一阶段与常规单药室发射过程相同；2）当弹底经过辅助药室的进气孔时，由于压力差，膛内高温高压的燃气流入辅助药室，使辅助药室的火药逐渐升温并最终点燃；3）辅助药室内的火药开始燃烧，当辅助药室内压力高于膛内时，开始向膛内补充能量，进入辅助加能阶段，直至弹丸出炮口。

在发射3个阶段中，第1阶段装置设计需要考虑的影响因素主要有:主药室的装药量、装填密度与弧厚的影响。而主药室最大装药量和装填密度一般由装置的发射直径来控制，由于本实验装置身管发射直径选择的是30 mm，根据现有同类型装备火炮的标准药筒来选择，最大装药量不超过350 g，本装置选择的实验发射药量在280～330 g之间。而根据相关理论分析，主药室的装药弧厚越大，火药气体释放速率慢，压力上升慢，弹丸初速就越小。因此在选择主装药弧厚时，在可能的情况下，应尽可能选择弧厚相对较薄的火药。处于初始设计和安全考虑，本装置实验在选择主装药时采用的是4/7或5/7单基标准发射药。

对发射过程第2阶段而言，装置设计需要考虑的关键因素，就是辅助药室位置的选择。一般来讲，辅助药室离主药室越近，弹丸初速和第2峰值压力就越大，但并不是越近越好，考虑到装置安全和所能承受的最大膛压的要求，一般选择膛内出现最大压力后的某个位置，存在一个合理值。选择的原则是即要避免两个压力峰值叠加，又要最大限度地及时补充能量。一般来讲，要避免两个压力峰值可能的叠加，辅助药室点火时间应当控制在主药室多孔火药燃烧分裂点之后，主火药燃烧完毕之前。根据计算，主药室多孔火药燃烧分裂点时间一般为1.1 ms，完全燃烧完毕需要4～5 ms，因此，理论上辅助药室合理位置的选择可以是在距膛底0.5～2 m之间，本实验装置基于最大膛压要求和安全性考虑，将装置辅助药室设计位置定为距离膛底1 m.当然，最合理值的确定还需要采用两相流内弹道理论分析后综合选定为宜。

相对于发射过程的第3阶段，装置设计需要考虑的因素有:辅助药室的出口角度、直径和药量的选择等，其中最关键影响因素是辅助药室的出口角度。受主身管直径的制约，辅助药室出口直径的选择一般不能大于主身管的直径，否则由于该处身管强度被消弱太多而无法保证其安全性。由于该装置主身管直径采用30 mm，可供选择的辅助药室的直径有25 mm、20 mm、15 mm，而25 mm口径的双管高炮是我国目前现役装备，其药筒和药品的型号可直接选用，因此，本装置辅助药室出口直径选为25 mm，装药量根据标准25 mm药筒要求，不大于230 g.而辅助药室出口角度选择，通过相关理论分析可知，辅助药室出口喷射角度越小，弹丸初速就会越大。这主要是由于角度较小时，燃气射流方向沿着身管方向，有助于提高弹底压力，从而提高初速。但从装置便于加工和使用安装的角度考虑，该角度还不能太小，因为角度太小刀具等无法固定加工；另外从用螺纹旋紧安装辅助药室尾盖的使用要求来考虑，角度太小也很难操作。综合以上几点要求，本装置将辅助药室出口喷射角度设计为40°～50°之间为宜。

3 发射实验结果及分析

3.1 实验条件及测试结果

在实验中，采用区截装置测出弹丸飞行时间间隔，计算出两靶间距与时间间隔比值，此值即是弹丸在此区间的平均速度，并以此速度来近似代替弹丸炮口初速，在内弹道实验规程中，该近似代替是允许的。装置膛内压力测试采用美国PCB公司生产的压电型弹道压力传感器，共分为4个测点，如图2所示。1号点监测主药室口部最大压力，布置位置位于主药室坡膛口部；2号点监测辅助药室口部最大压力与辅助药室点火前后膛内的压力差，布置位置位于辅助药室入口处；3、4号点监测身管法兰连接处前后位置，其中:3号检测点位于法兰连接前，距离2号检测点950 mm；4号检测点位于法兰连接后，距离3号检测点950 mm.弹丸（含弹托）外形见图3.

图2 压力测点位置Fig.2 The position of press test

实验中进行了两种工况共计9发模拟弹丸射击，其中主药室单独工作射击工况3发，主药室和辅助药室共同工作6发，实验数据结果见表1所示。

图3 实验弹丸（含弹托）外形Fig.3 Appearance of test projectile（including sabot）

3.2 主药室单独工作时膛内压力分布规律

1）第1发膛内各点压力测试波形见图4～图7所示。

装置身管上1号、2号、3号、4号测压孔压力峰值为307.2 MPa、194.3 MPa、94.5 MPa、43.6 MPa.

2）第3发膛内各点压力测试波形见图8～图11所示。

装置身管上1号、2号、3号、4号测压孔压力峰值342.3 MPa、199.5 MPa、99.4 MPa、48.9 MPa.

表1 发射实验条件及测试结果Tab.1 Test conditions and test results

图4 第1发1号测压点压力-时间曲线Fig.4 Pressure-time curve of measuring point 1#for the first projectile

图5 第1发2号测压点压力-时间曲线Fig.5 Pressure-time curve of measuring point 2#for the first projectile

观察表1实验情况和上述压力波形，不难发现，在主药室单独工作的工况下，增加装药量会使得膛底压力和速度都增加，如在弹丸质量相同的情况下（第1发和第2发），当药量增加为10%左右时，压力增加幅度（28%左右）远大于速度增加幅度（6%左右），且随着弹丸运动弹底压力下降非常迅速。第1发、第3发实验的4号测压孔压力峰值都在45 MPa左右，说明单纯依靠增加主药室装药量来提高弹丸初速有很大局限性。

3.3 主、辅药室同时工作膛内压力分布规律

1）第4发膛内各点压力测试波形见图12～图15所示。

1号测压孔压力时间曲线共有4个压力峰值，第1个为300.8 MPa，第2个为167.5 MPa，第3个为219.1 MPa，第4个为164.6 MPa；2号测压孔压力峰值有3个，第1个为205.7 MPa，第2个为225.9 MPa，第3个为191.8 MPa；3号测压孔压力峰值有两个，第1个为127.3 MPa，第2个为119.8 MPa；4号测压孔压力峰值有一个，数值为85.9 MPa.

图6 第1发3号测压点压力-时间曲线Fig.6 Pressure-time curve of measuring point 3#for the first projectile

图7 第1发4号测压点压力-时间曲线Fig.7 Pressure-time curve of measuring point 4#for the first projectile

图8 第3发1号测压点压力-时间曲线Fig.8 Pressure-time curve of measuring point 1#for the third projectile

图10 第3发3号测压点压力-时间曲线Fig.10 Pressure-time curve of measuring point 3#for the third projectile

图11 第3发4号测压点压力-时间曲线Fig.11 Pressure-time curve of measuring point 4#for the third projectile

2）第6发膛内各点压力测试波形见图16～图19所示。

1号测压点压力峰值有3个，第1个为324.8 MPa，第2个为257.8 MPa，第3个为283.2 MPa； 2号测压点压力峰值有3个，第1个为208.1 MPa，第2个为253.3 MPa，第3个为273.5 MPa；3号测压点压力峰值有两个，第1个为148.0 MPa，第2个为145.9 MPa；4号测压点压力峰值有一个，数值为119.4 MPa.

图12 第4发1号测压点压力-时间曲线Fig.12 Pressure-time curve of measuring point 1#for the forth projectile

图13 第4发2号测压点压力-时间曲线Fig.13 Pressure-time curve ofmeasuring point 2#for the forth projectile

图14 第4发3号测压点压力-时间曲线Fig.14 Pressure-time curve of measuring point 3#for the forth projectile

图15 第4发4号测压点压力-时间曲线Fig.15 Pressure-time curve of measuring point 4#for the forth projectile

图16 第6发1号测压点压力-时间曲线Fig.16 Pressure-time curve ofmeasuring point 1#for the sixth projectile

图17 第6发2号测压点压力-时间曲线Fig.17 Pressure-time curve of measuring point 2#for the sixth projectile

第4、6发压力曲线与第1、3发有明显不同。在1号测压孔压力曲线中，第1个压力峰值由主药室发射药燃烧形成，特点是峰值前后过渡光滑，无压力突变；第2个压力峰值由于辅助药室发射药燃气进入到主膛内，形成压力波，当此波向主药室膛底方向传播并达到1号测压孔时，出现明显压力上升，但随着弹丸向前高速运动，此值又快速下降；由于第3个压力峰值出现时间与第2个压力峰值相隔较近，从作用时间上来分析，当压力波到达膛底并反射加强反向再一次传播到1号测压孔时，会形成第3个明显的压力波峰。2号测压孔第1个压力波峰是由于弹丸经过2号测压孔后，弹后火药燃气突然作用于传感器，表现为一个上升沿较为陡峭的压力突变，实际上是气体突然作用形成的，而不是像爆炸时产生空气冲击波，二者有本质区别，此压力可以认为是辅助药室点火压力；第2个压力峰值是由于辅助药室的火药燃气进入到主膛内向弹底方向流动形成的，由于此气体流入使得弹底压力较无辅助装药的射击工况有大幅度提高，从而才有可能较大程度提高弹丸速度；第3个压力峰值是由流向膛底反射加强并反向传播到2号测压孔的气体流动形成的，此峰值压力可以进一步延缓弹后气体压力降低，有利于提高弹丸速度。严格地讲，3号测压孔也应当有3个压力峰值，第1个是主药室燃气流动形成，第2个是辅助药室燃气加入形成，第3个是膛底反射压力形成，但是第1个压力峰值很不明显，刚形成不久，即被随后而来的辅助装药燃气赶上，二者的间隔极其短暂，不难推断出来，在弹丸经过3号测压孔不远的位置，辅助药室燃气就赶上了主装药燃气并同时作用于弹丸底部，共同推动弹丸高速向前运动。4号测压孔只有一个压力峰值，且此值比同等弹丸质量、同等主装药量的主药室单独工作的射击工况下4号测压孔压力大得多，说明当弹丸运动到4号测压孔之前的位置时，由辅助药室向弹底方向流动的火药燃气已经追赶上弹丸，使得弹底压力明显上升，上述测试数据证明了辅助药室作用是明显的，对提高发射初速效果显著。

图18 第6发3号测压点压力-时间曲线Fig.18 Pressure-time curve of measuring point 3#for the sixth projectile

图19 第6发4号测压点压力-时间曲线Fig.19 Pressure-time curves of measuring point 4#for the sixth projectile

4 结论

1）以上发射实验结果表明，该装置在增加双辅助药室发射时内弹道性能稳定，对提高发射初速效果明显，弹丸在膛内运动时最大膛压满足要求，未见有异常的压力波动，速度和压力变化规律一致。

朴素之美（吴语） .......................................................................................................................................... 5-48

2）辅助药室作用效果显著，实验第4发与第1发弹丸质量、主装药量几乎相同，第4发仅多出160 g辅助装药，导致其弹丸初速比第1发高16.45%，炮口动能高36.62%，而最大压力却并无显著差别；第6发与第3发弹丸质量和主装药量亦相近，第6发多出180 g辅助装药，导致其初速较第3发高14.68%，炮口动能高33.97%，最大压力也并无显著变化。这就明确显示，在不显著增加膛内最大压力的情况下，通过增加辅助装药的手段，可以较大幅度地增加炮口动能和初速。

3）该装置较同口径单药室火炮弹丸初速增加平均在15%左右，炮口动能增加量为35%左右，发射弹丸质量在350～400 g之间，具备了承担小口径高速弹丸侵彻和工程防护终点效应实验研究的能力。

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Experimental Research on Three-powder Chamber Launch Device with Secondary Acceleration Function

WU Jun，XIAO Ling，ZHUANG Tie-shuan，ZHAO Qian
（The Thired Engineering Scientific Research Institute，the Headquarters of the PLA General Staff，Luoyan 471023，Henan，China）

How to increase initial velocity is an eternal subject matter for tube weapon technology.An operating principle is put forward for three-powder chamber launch device with secondary acceleration function，and the launch test is made.The characteristic of the device is that two accessory powder chambers are added on the barrel，which are at a distance from the primary powder chamber.When a projectile passes through the entrance of accessory powder chambers，the charges in the accessory powder chambers are ignited by high-heat and high-compressed power gas.The gas generated by accessory power burning can slow up the space pressure and keep the projectile base at high pressure，achieving the objective of secondary acceleration.The interior ballistic analysis and launch test result show that the initial velocity is increased by 15%in the case of indistinctively increased chamber pressure.

ordnance science and technology；secondary acceleration；three-powder chamber；accessory powder chamber；launch device；terminus effect

TJ012.1

A

1000-1093（2015）11-2045-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.11.005

2014-04-14

国家自然科学基金项目（51578543）

伍俊（1963—），男，高级工程师。E-mail:wujun61489@sina.com.