火炸药学报    2017, Vol. 40 Issue (6): 1-6   DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2017.06.001
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引用本文  

王琼林, 李强, 苟兵旺, 张江波, 贾永杰. 大口径火炮发射过程炮架振动的主动抑制技术[J]. 火炸药学报, 2017, 40(6): 1-6. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2017.06.001
WANG Qiong-lin, LI Qiang, GOU Bing-wang, ZHANG Jiang-bo, JIA Yong-jie. Active Suppression Technology of Gun Mount Vibration during Firing of Large Caliber Gun[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2017, 40(6): 1-6. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2017.06.001

基金项目

海军装备部型号研制项目

作者简介

王琼林(1966-), 男, 研究员, 博导, 从事发射药及装药技术、发射装药综合治理技术研究。E-mail:wangqionglin359@126.com

文章历史

收稿日期:2017-09-30
修回日期:2017-11-01
大口径火炮发射过程炮架振动的主动抑制技术
王琼林, 李强, 苟兵旺, 张江波, 贾永杰     
西安近代化学研究所, 陕西 西安 710065
摘要: 为了主动抑制大口径火炮发射过程中的炮架振动,提出了一种基于炮架振动加速度测试的炮架振动评价方法;分析了影响火炮发射过程中炮架振动的发射药及装药因素,开展了发射过程炮架振动试验研究,在此基础上提出了一种三基发射药及装药方案,并通过试验与单基药装药方案进行了对比。结果表明,采用三基药装药方案使炮架振动加速度降低了22.1%,炮口无二次火焰;炮架振动评价方法能够有效评价火炮发射振动特性量值;控制装药膛压特性是降低炮架振动的关键技术途径;消除装药炮口二次火焰有利于显著降低炮架振动。
关键词: 大口径火炮     弹药     三基发射药     发射装药     炮架振动     主动抑制    
引言

枪炮身管武器广泛应用于陆、海、空等军兵种,其发射过程产生的冲击振动会对周边环境产生一定影响,如造成枪炮及临近区域设施设备损坏、使用可靠性降低、打击精度下降等负面效应,实际工作中急需能有效抑制这些负面效应的方法。

国内外已有枪炮发射过程冲击振动方面的研究,主要集中在发射过程冲击振动的被动防护技术上。梁传建等[1]通过分析反后坐装置结构布置对炮口振动的影响,研究了小口径火炮发射过程中炮管振动加固以减小炮管抖动、提高射击密集度;衡刚等[2]开展了火炮振动与射击密集度试验方法研究,研究了火炮发射过程中发射筒振动加固以减小发射管抖动、减小弹药落点散布等。实际中经常会遇到另一类发射过程振动问题,解决此类问题,本质上需要优化发射药及装药性能[3-5],属于发射过程振动主动抑制技术范畴。

本研究针对大口径火炮发射过程炮架振动主动抑制技术问题,围绕研究发射药及装药优化和试验验证,提出了火炮发射过程炮架振动的评估方法,研究了火炮发射过程炮架振动的变化规律,实施了基于发射药及装药优化设计的主动抑制技术措施,进行了试验验证,取得了良好效果。

1 火炮发射过程振动评估方法研究

大口径火炮发射过程冲击振动过大,容易引起火炮系统部件掉落、部件损坏而导致发射故障。此类机械性损坏现象,主要表现为炮架振动过大,即火炮发射过程产生了过大的振动机械波,并传播到火炮平台,引起平台上临近设施部件共振,共振能量达到一定限度,就会导致这些部件的机械性损坏。

通过记录火炮发射过程中炮架不同测点和方向上的加速度变化曲线,可以大致了解火炮发射过程振动机械波的能量。记录的典型加速度曲线如图 1所示。

图 1 大口径火炮发射过程中某测点和方向上测得的典型加速度曲线 Figure 1 A typical acceleration curve measured at one tested point and a direction during firing of large caliber gun

图 1可以看出,典型曲线包含了起始峰(峰值较低)、主峰(峰值最高)、衰减峰(不断衰减直至消失)等多组振动峰,其多组振动峰持续时间约数十毫秒到数百毫秒。

据文献[4-5]报道,某测点处振动加速度均方值与其振动能量密度成正比。利用这个原理,可采用测试炮架上振动加速度曲线,然后计算振动加速度均方值的方法来表征火炮发射过程振动机械波能量密度大小。以一条振动加速度曲线为例,通过公式(1)来计算加速度均方值A

$ A{\rm{ = }}\int_0^T {{a^2}{\rm{d}}t} $ (1)

式中:A为振动加速度均方值,g2a为振动加速度值,g;T为振动加速度最大波峰前后的一段时间,ms。

时间T的确定方法如下:先确定一条振动加速度曲线的主峰点,向主峰点前延长时间T1,向主峰点后延长时间T2TT1T2之和。T1T2的选取,与火炮平台及周边环境有关,原则上应全部包含一次发射产生的多组振动峰。

通过对某种发射装药一组多发、一发多个测点测向的所有加速度均方值进行求和,可以用来衡量一种发射装药炮架振动能量密度相对值的大小,见计算公式(2):

$ H = A_1^1 + A_1^2 \cdots A_n^1 + A_n^2 $ (2)

式中:n为测点总数;H为所有测点和测向的加速度均方值之和,g;A11A12An1An2为测点1到测点n的方向1(地面垂直)和方向2(炮管轴向)的加速度均方值,g2

采用上述方法,测试大口径火炮发射装药炮架振动,测试结果见表 1

表1 大口径火炮发射过程炮架振动测试结果 Table 1 Testing results of gun mount vibration in the launching process of large caliber gun

表 1中数据可以看出,序号3、4均方值分别为2.31、4.17,后者是前者的1.8倍,说明该发射装药射击过程炮架振动能量大小跳动较大。

综上所述,发射过程振动机械波之所以能够产生机械损坏,主要原因是振动机械波能量过大。因此,为了评价火炮发射过程炮架振动产生损坏效应,应重点评价炮架振动机械波能量密度大小,即先测试炮架振动加速度曲线、再计算加速度均方值来评价炮架振动大小。

2 火炮发射过程炮架振动基础研究 2.1 火炮发射振源分析

通常机械振动的源头(即振源)是不平衡力[6-7]。对大口径火炮而言,能够产生不平衡力的发射过程主要有弹药装填入膛、发射药点火及燃烧波(压力波)传播、弹丸膛内运动、炮管后坐、反后坐装置联动、炮口排气、炮口闪光等过程,简要分析如下:

(1) 弹药装填入膛过程,包含弹药提升、装入弹鼓、装填入膛等分过程。正常情况下这些分过程产生的振动均较小,不足以对火炮临近区域设施部件产生机械性损坏。

(2) 发射药点火及燃烧波(压力波)传播过程,包含底火击发、传火药燃烧、发射药点火、发射药燃烧波传播等分过程。其中,若出现发射药燃烧波传播不对称,有较大膛内压力波,会导致炮管内壁受力不对称而运动方向和受力失常,增大炮架振动,如图 2所示。

图 2 燃烧波传播对称性对炮架振动的影响示意图 Figure 2 Illustration of influences of combustion wave propagation symmetry on the gun mount vibration

(3) 弹丸膛内运动过程,包含弹丸挤进膛线、弹丸旋转和加速运动、弹丸速度持续增大等分过程。其中,如弹丸结构不正确、炮管结构不正确导致弹丸膛内运动与炮管内壁相互作用不平稳,均会增大炮架振动。正常情况下不会出现这种情况。

(4) 炮管后坐过程,包含弹丸沿身管向炮口运动、炮管沿身管向炮尾运动等分过程。其中,如因炮管与外部连接机构不正确导致炮管与外部滑轨机构相互作用不平稳,将增大炮架振动。正常情况下不会出现这种情况。

(5) 反后坐装置联动过程,包含炮管后坐带动反后坐装置运动,反后坐装置内部排油消耗后坐能量,联动过程机械波沿炮架向武器平台传播等。其中,如因出现反后坐装置运动失常,后坐能量消耗量小,后坐能量将大部分转化为振动机械波能,将增大炮架振动。不同膛压曲线及其产生的炮管后坐冲击力如图 3所示。一种情况是膛压曲线前端陡度过大、炮管后坐冲击力(速度)过大,如图 3(a)(b)中曲线1所示,反后坐装置来不及反应而运动失常;另一种情况是膛压曲线陡度过小、炮管后坐冲击力(速度)过小,如图 3(a)(b)中曲线3所示,反后坐装置未启动反应而运动失常。这两种情况下,膛压曲线特性与反后坐装置特性不匹配,不同炮管后坐冲击力影响反后坐装置运动和炮架振动能量传播图如图 4所示。如图 4(a)所示,反后坐装置运动失常,后坐能量消耗不足;如图 4(b)所示,增大了炮架振动机械波能量和炮架振动。

图 3 不同膛压曲线及其产生的炮管后坐冲击力 Figure 3 Different bore pressure curves and therecoil shock force of gun barrel
图 4 不同炮管后坐冲击力影响反后坐装置运动和炮架振动能量传播图 Figure 4 Different recoil shock forces of gun barrel affect the movement of count-recoil device and the energy spreading of gun mount vibration

(6) 炮口排气过程,包含高压燃气排出炮口、在空气中产生冲击波超压、冲击波传播等分过程[8-10]。其中,因炮口压力过大而炮口冲击波超压增大,传播、加载到火炮及邻近区域,将增大炮架振动。

(7) 炮口闪光过程,包含炮口燃气排出炮口、排出燃气与空气混合、混合气体被点燃而快速燃烧释放大量热量、产生较强冲击波等分过程。其中,如炮口二次火焰过大,将快速释放出大量的能量(理论估算与发射药在膛内释放的化学能相当),形成强烈冲击波,冲击波超压传播、加载到火炮及邻近区域,增大炮架振动。

可以看出,火炮发射过程容易产生不平衡力的过程及异常原因有:(1)发射药燃烧波传播过程,原因有燃烧波传播不对称,有较大膛内压力波等;(2)反后坐装置联动过程,原因有膛压曲线冲击力特性与反后坐装置反应特性不匹配,如出现膛压曲线冲击力过大(或反后坐装置后坐反应滞后),或者膛压曲线冲击力过小(或反后坐装置不反应);(3)炮口排气过程,原因有炮口压力过大等;(4)炮口闪光过程,原因有炮口火焰过大等。

2.2 小口径火炮发射过程炮架振动模拟试验研究

采用的30 mm火炮发射过程炮架振动模拟试验装置,其反后坐装置为强力弹簧和液压系统,炮管固定在弹性炮架上,弹性炮架固定在地面基础上;紧邻炮管中部、炮架中后部分别布置了两个振动加速度测点,每个测点可以测试炮管轴向、垂向两个方向上的振动加速度,如图 5所示。

图 5 30 mm火炮发射过程炮架振动试验装置 Figure 5 Gun mount vibration testing device in the launching process of 30 mm caliber gun

30 mm火炮试验弹采用了制式30 mm榴弹弹丸(砂弹)、药筒(含底火)等部件,采用了7孔粒状单樟药或新型低爆温三基发射药。通过改变发射药品种及其装药量,可以调节装药燃烧波传播特性、膛压曲线特性、炮口压力特性、炮口闪光特性等。

炮架振动曲线测试系统由振动加速度传感器、电荷放大器、数据采集器组成。其中,加速度传感器测量范围为0~7 000 g,频率范围为1~15 kHz;信号调理器线性度为±1.0%(满量程),频率范围为1 Hz~100 kHz。测试过程中使用的仪器设备有加速度传感器、电荷放大器、GENESIS数据采集系统、加速度传感器安装座及转接头、低噪声电缆等,测试系统框图如图 6所示。

图 6 炮架振动测试系统框图 Figure 6 Illustration of the testing system of gun mount vibration

采用压力传感器测试膛内压力;采用常规靶线法测试弹丸初速。

通过30 mm火炮发射过程炮架振动试验,主要得到以下规律:

(1) 膛压曲线特性显著影响炮架振动是主要发射振源,二者在时间、幅值上基本同步(见图 7)。

图 7 30 mm火炮膛压曲线、炮口火焰、炮口压力对炮架振动加速度的影响 Figure 7 The influence of bore pressure curve, muzzle flash, muzzle pressure of 30 mm gun on the gun mount acceleration

(2) 炮口火焰明显影响炮架振动,是重要发射振源,影响程度接近膛压曲线的影响(见图 7)。

(3) 炮口压力对发射过程振动有一定影响(见图 7)。

(4) 膛压峰值冲击力过大或过小,均显著增大炮架振动,并呈现碗状曲线分布(见图 8碗状曲线)。此规律与膛压曲线对反后坐装置的作用有关。在左边碗沿上,膛压曲线后坐冲击力不足,反后坐装置未启动反应而运动失常;在右边碗沿上,膛压曲线后坐冲击力过大,反后坐装置来不及反应而运动失常。这两种情况的反后坐装置运动失常,造成后坐能量消耗不足,增大了炮架振动。

图 8 30 mm火炮膛压峰值冲击力对炮架振动的影响 Figure 8 The influence of bore pressure peak value shock force of 30 mm gun on gun mount vibration

(5) 火炮发射过程后坐长度的增长,炮架振动有降低的趋势。此规律可用能量观点来解释,即随火炮后坐长度越大,被火炮反后坐装置吸收和消耗的后坐能量越多,则余下被转化为炮架振动机械波的能量越小,因此炮架振动降低,如图 9所示。

图 9 30 mm火炮发射过程后坐长度与炮架振动的关联性 Figure 9 The asssociation of recoil length and gun mount vibration in the launching process of 30 mm gun

(6) 发射药燃烧特性不同,低振动膛压区间不同。结果表明,对比初始缓燃的7孔粒状单樟药,采用初始速燃的7孔粒状新型低爆温三基药后,火炮低炮架振动区域起始膛压更低。这种规律与后者膛压曲线峰值前端陡度较大,力学冲击力较大,有利于在较低膛压峰值条件下获得较高冲击力而进入低振动区域有关,如图 10所示。

图 10 发射药初始燃速对低振动膛压区间的影响 Figure 10 The influence of the initial burning rate of gun propellants on the bore pressure district of low vibration
3 大口径火炮炮架振动主动抑制试验验证 3.1 试验方案

大口径火炮采用的振动测试系统与30mm火炮发射过程炮架振动试验的测试系统相同。在火炮基座不同部位安装了多个振动加速度测点,每个测点可以测试火炮轴向及垂向两个方向上的振动加速度。同时测量膛压曲线,炮口火焰现象。试验分别采用了单基发射药装药和三基发射药装药方案,通过改变发射药品号,调整装药量,调节装药膛压燃烧压力曲线,从而调节火炮射击过程冲击力特性,降低发射振动。

3.2 炮架振动主动抵制效果分析

大口径火炮发射过程炮架振动测试结果见表 2

表2 大口径火炮发射过程炮架振动测试结果 Table 2 The testing results of gun mount vibration in in the launching process of large caliber gun

对两种发射装药进行了大口径火炮炮架振动试验,实测振动加速度曲线如图 11所示。由图 11可知,对单基药装药,三基药装药炮架振动加速度均降低了22.1%以上。

图 11 两种发射装药实测振动加速度曲线 Figure 11 The vibration acceleration curves of two gun propellant charges

通过试验研究,完成了大口径火炮发射过程炮架振动特性检测,得出以下规律:

(1) 发射装药膛内燃烧过程显著影响炮架振动大小。振动测试数据显示,采用三基发射药装药,通过对装药膛内燃烧过程进行优化设计,在保持弹丸初速不变、内弹道性能满足要求的条件下,火炮发射过程炮架振动显著降低。表明通过发射装药调整,优化膛内燃烧压力时间-曲线,匹配火炮系统结构,可有效降低火炮发射振动。

(2) 炮口火焰明显影响炮架振动大小。试验结果显示,当出现炮口火焰,特别是较大的炮口二次火焰时,火炮炮架振动数值大幅度提高。

4 结论

(1) 通过分析火炮发射过程炮架振动过大导致的机械性损坏形式及主要原因,结合炮架振动机械波测试,提出的基于炮架振动加速度测试的炮架振动评价方法,能够有效评价火炮发射振动特性量值。

(2) 通过分析火炮发射过程炮架振动影响因素,以及火炮炮架振动试验,认为控制装药膛压特性是降低炮架振动的关键技术途径。

(3) 消除装药炮口二次火焰有利于显著降低振动。

(4) 研究结果证明,通过发射药及装药优化设计,可以主动抑制火炮发射过程炮架振动,为主动抑制各种火炮发射振动提供了新思路。


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Active Suppression Technology of Gun Mount Vibration during Firing of Large Caliber Gun
WANG Qiong-lin, LI Qiang, GOU Bing-wang, ZHANG Jiang-bo, JIA Yong-jie     
Xi'an Modern Chemistry Research Institute, Xi'an 710065, China
Abstract: To actively suppress the vibration of gun mount during firing of large caliber gun, an assessment method of the gun mount vibration based on vibration acceleration test was presented. The factors affecting the gun propellant and charge of gun mount vibration in the firing process of gun were analyzed and gun mount vibration tests in the firing process were performed. Based on this work, a tri-base gun propellant and charge scheme were put forward and a comparison test with single-base gun propellant charge scheme was carried out. The results show that the acceleration of gun mount vibration for tri-base gun propellant charge scheme decreases by 22.1%. The gun muzzle has no secondary flame. The vibration assessment method can be used to effectively assess the characteristic values of gun launching vibration. Controlling the bore pressure characteristics of charge is the key technology approach to reduce the vibrication of gun mount. Eliminating the secondary flame of gun muzzle is beneficial to significantly reduce the gun mount vibration.
Key words: large caliber gun     ammunition     tri-base gun propellant     propellant charge     gun mount vibration     active suppression