金属延期管抛离过程研究

马永忠

(武警工程大学装备工程学院,西安 710086)

金属延期管抛离过程研究

马永忠

(武警工程大学装备工程学院,西安 710086)

为了减少非致命弹药爆炸产生的金属破片数量,设计了金属延期管抛离结构,根据点火药燃烧特点和结构作用原理,分析了抛离过程,建立了抛离弹道模型,得到了延期管内点火药气体压强变化和延期管速度变化规律,并利用高速摄影对试验过程的影像分析，结果表明仿真所得最大速度与实际测试值的误差仅为0.5 m/s,说明数学模型合理,为延期管抛离结构的设计与优化提供了理论指导。

延期管;抛离;内弹道;建模仿真

0 引言

某型子母式非致命弹药使用塑料作为子弹弹体材料,通过静爆试验,发现在爆炸后金属延期管并未碎裂。因此,为避免弹药爆炸时产生金属破片,开发了金属延期管抛离技术。延期管抛离技术是利用火焰延期管点火过程中产生的高压火药气体,将延期管推离弹体的一种抛撒技术,是为避免非致命弹药爆炸产生金属破片而提出的一种新技术。点火药在延期管药室内燃烧,火药气体通过延期管的喷孔流入子弹盖内管底部,形成高压气体,推动延期管运动,延期管被抛离,同时火药气体引燃点火药片,既保证了弹药内部装药顺利点燃,又避免产生金属破片,提高了弹药的使用安全性。

目前国内尚无对延期管抛离技术的研究报道,类似的研究主要集中在子母弹开仓抛撒技术的研究。如黄蓓等[1]建立了子母弹活塞式抛撒弹道模型;王帅等[2]研究子母弹内燃式气囊抛撒的内弹道过程,建立了内弹道模型。这些抛撒技术的研究重点是提高弹药杀伤性方面的研究。

1 作用原理

子弹延期管抛离系统主要包括火焰延期管、子弹盖以及点火药片。延期管抛离过程主要包括点火药点燃、延期管底膜破裂、延期管抛离以及点火药片被点燃等多种化学物理现象。图1为结构设计图。

图1 延期管装配结构图

图1中:1-子弹盖;2-火焰延期管;3-延期管内传火孔;4-延期管药室,内装延期药和点火药;5-延期管喷孔;6-传火孔;7-点火药片。

整个抛离可以分为3个阶段:第一阶段为延期管中点火药被点燃到延期管喷孔喷出气体,该阶段中延期药引燃点火药,点火药在延期管内燃烧,产生高温高压的火药气体;第二阶段为延期管喷孔喷出火药气体到延期管运动前,该阶段中火药气体通过延期管喷孔流入内管底部,迅速形成高温高压气体,并与延期管内气压相同,整个过程时间短、速度快;第三阶段为延期管开始运动到延期管离开子弹盖,该阶段高温高压气体推动延期管运动,同时从延期管内传火孔流出。

2 抛离过程弹道模型

2.1 假设条件

文中主要研究延期管在弹顶内管中运动情况。由于管内空间较小,整个抛离过程时间短,在分析过程中,采用以下假设:

1)不考虑延期药所产生的气体,且火药燃烧过程瞬间完成,此过程中不发生气体流出,并在火焰延期管内形成点火药压力,火药气体冲破延期管喷孔时所消耗的能量忽略不计。

2)将点火药气体视为理想气体,火药气体冲破延期管喷孔后,所有的气体充满延期管药室和子弹盖内管,该过程中不存在气体流出内管的现象。

3)延期管抛离过程中出现点火药气体流出的现象,气体流动为等熵流动,整个过程中的热散失、气体膨胀做功、延期管运动摩擦功等形式的次要功,采用次要功计算系数进行修正。

2.2 抛离过程弹道模型

根据假设条件和作用原理,分阶段建立数学模型,计算气体压强变化情况和延期管运动情况。

1)第一阶段

基于延期管中点火药药量较小、3#小粒黑药燃速度快等因素考虑,可认为点火药燃烧到延期管喷孔喷出气体的整个过程是瞬间结束。因此,这一时期点火药为定容燃烧,初始时刻设定为t=0,根据内弹道火药定容状态方程,延期管内点火药压力为[3]

综上所述，凝固性血胸患者采用单操作孔胸腔镜下经皮肾镜术式治疗手术创伤小、术后恢复快，治疗效果优于传统胸腔闭式引流术联合尿激酶的治疗方式，值得在凝固性血胸患者的临床治疗中推广应用。

(1)

式中:p为延期管内火药气体压力;f为点火药力,取290 J/g[4];V为延期管内药室体积;α为点火药气体余容,取1 cm3/g;w为点火药质量,w=0.1 g。

2)第二阶段

延期管喷孔喷出火药气体,通过裂孔流向子弹盖内管,根据理想气体状态方程,引入流量η,建立点火药气体状态方程,则延期管内点火药气体状态方程为:

p[V-αw(1-η)]=wf(1-η)

(2)

子弹盖内管空隙中气体状态方程为:

p1(V1-αwη)=wfη

(3)

式中:p1为子弹盖内管空隙中气体压强;V1为子弹盖内管空隙的体积。

根据假设,火药气体流入子弹盖内管的过程为等熵流动,则气体流量为[5]:

(4)

式中:SΔ为去除传火孔之外延期管内管截面积;φ1为流量消耗系数;k为点火药气体的比热比,k=1.23[6]。

对式(2)中p求导,得:

(5)

对式(3)中p1求导,得:

(6)

为简化计算,第二阶段结束的标志也可以理解为p=p1。

3)第三阶段

第三阶段是从延期管开始运动到延期管离开子弹盖,该过程中主要考虑延期管运动、点火药气体从延期管喷孔和内传火孔流出以及次要功等方面。

①延期管运动方程。推动延期管运动的动力来源主要是火药气体,其压力远远大于大气压。因此,此方程不考虑大气压对延期管的影响。于是,运动方程为:

(7)

式中:S′为火药气体作用在延期管上的有效面积;mp为延期管质量;φ为次要功系数,取1.119。

②能量守恒方程。根据能量守恒定理,考虑到火药气体流出子弹盖内管以及延期管动能、次要功等,列出延期管能量守恒方程:

(8)

③流量方程。参考迫击炮火药气体流出方程,计算延期管抛离过程中点火药气体流出量,得到流量方程:

(9)

(10)

3 仿真分析

采用Matlab软件对上述模型进行编程计算,时间步长t=ns,点火药质量为0.1 g,延期管质量为0.8 g,长度为21 mm,延期管药室体积为211.26 mm3,子弹盖直径7 mm,内管深度为22 mm,子弹盖质量40 g。仿真计算得到的延期管药室气体压强、子弹盖内管气体压强、延期管运动速度曲线分别如图2～图4所示。

图2 延期管药室气体压强变化曲线

图3 弹顶内管气体压强变化曲线

图4 延期管运动速度变化曲线

由仿真结果可知,延期管中点火药瞬时燃完,延期管在0 s时刻达到最大压强pmax=2.665×108Pa,点火药燃尽后,形成高温高压气体通过延期管喷孔迅速充满延期管后部狭小的空间。因此,p1在5.52×10-5s时间迅速增大,而p在这一阶段气体压强的下降时间短、不明显。弹顶内管经过1.1×10-7s后,与延期管药室压强相等,达到p1max=2.605×108Pa,当p=p1时,延期管开始运动,由于火药气体从延期管内传火孔中流出,和p1下降迅速。延期管经过3.48 ms,达到最大速度vmax=30.26 m/s。

4 试验研究

利用高速摄影仪对延期管抛离过程进行拍摄,逐帧分析延期管位移变化,计算延期管速度变化情况。图5为延期管被点燃、抛出以及点火药片发火过程图。

图5 延期管抛离试验试件测试图

图6试验得到的延期管抛离最大速度为v试max=29.76 m/s。

图6 延期管运动速度理论计算曲线图与试验曲线图

如图6所示,对比仿真计算与试验测试结果,发现仿真计算得到的延期管运动速度曲线比高速摄影测试得到的运动速度曲线收敛快,但是延期管最大运动速度的计算误差仅为Δv=0.5 m/s,表明模型能够比较准确的计算出延期管抛离所达到的最大速度。

5 结论

通过建立延期管抛离内弹道模型,并利用仿真软件进行计算,得到了延期管运动速度变化曲线;通过对高速摄影影像的分析,得到了延期管运动速度变化试验值结果。对比分析可知,仿真计算所得延期管抛离速度与高速摄影测试值的吻合度较好,其中延期管最大抛离速度与实际测试值的差仅为0.5 m/s,该模型对延期管抛离结构设计、控制延期管飞行速度、调整延期管内点火药装药量有重要指导意义。

[1] 黄蓓, 王浩, 陶如意. 带导向管的子母弹活塞式抛撒弹道建模及数值仿真 [J]. 兵工学报, 2009, 30(12): 1584-1589.

[2] 王帅, 陶如意, 王浩, 等. 子母弹内燃式气囊抛撒内弹道建模及数值仿真 [J]. 弹道学报, 2009, 21(3): 57-60.

[3] 江坤, 王浩, 郭锦炎, 等. 拉杆活塞式发射装置内弹道建模与仿真 [J]. 弹道学报, 2011, 23(1): 13-17.

[4] 钱林方, 火炮弹道学 [M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2009: 37-58.

[5] 翁春生, 王浩. 计算内弹道学 [M]. 北京: 国防工业出版社, 2006: 1-62.

[6] 金志明. 枪炮内弹道学 [M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2004, 10: 40-66.

Research on the Process of Metal Extension Tube Stripping

MA Yongzhong

(School of Equipment Engineering, Engineering University of China Armed Police Force, Xi’an 710086, China)

In order to reduce the number of metal fragment produced by non lethal ammunition explosion, the cast structure of metal extension tube was designed. Based on the burning characteristics of the ignition composition and the structural action principle, the stripping process was analyzed and the stripping trajectory model was established. The change laws of the gas pressure and the velocity of the extension tube were obtained, and the model was verified by high speed photography. The results showed that the error between the maximum speed and the actual speed was only 0.5 m/s. It was proved that the mathematical model was reasonable and it provided theoretical guidance for the design and optimization of the structure of the extension tube stripping.

extension tube; stripping; interior ballistics; modeling and simulation

2016-03-22

武警部队装备科研基金(WK2013-X1)资助

马永忠(1970-),男,山西清徐人,教授,硕士研究生导师,研究方向:警用装备与非致命武器研发。

TJ012

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