具有二次加速功能的三藥室發射裝置實驗研究

伍俊，肖玲，莊鐵栓，趙騫

（總參謀部工程兵科研三所，河南洛陽471023）

具有二次加速功能的三藥室發射裝置實驗研究

伍俊，肖玲，莊鐵栓，趙騫

（總參謀部工程兵科研三所，河南洛陽471023）

提高初速是身管武器技術永恒的研究主題。提出了一種具有二次加速功能的三藥室發射裝置工作原理，對其發射進行了實驗研究。該裝置特點是在身管上離主藥室一定長度的水平位置，增加兩個輔助藥室，彈丸通過輔助藥室入口處時，彈后高溫、高壓火藥燃氣點燃輔助藥室裝藥，輔助裝藥燃燒產生的氣體可減緩彈后空間壓力下降，使彈底維持較高壓力，達到彈丸二次增速目的。發射實驗結果表明，該裝置在不顯著增加膛壓的情況下，比單藥室發射時平均初速提高15%左右，對工程防護終點彈道效應實驗研究具有參考價值。

兵器科學與技術；二次加速；三藥室；輔助藥室；發射裝置；終點效應

0 引言

由于高初速發射裝置在實戰中具有不容置疑的優越性以及在終點彈道效應實驗研究中的重要性，世界各國一直以來都在探索研究提高彈丸發射速度的途徑、方法及其實驗技術。從早期的輕氣炮，到后來的電磁炮、電熱化學炮，及近來新出現的沖壓加速火炮等，目前已經發展了一系列新的加速手段［1-4］。盡管上述手段各有優點，但受當前基礎條件、經費及技術應用成熟度等原因的影響，在短期內將其技術應用到實戰和工程毀傷終點效應沖擊侵徹實驗研究中仍存在一定的困難。

根據內彈道理論，當采用常規方法（增加藥量、提高裝填密度等）來提高彈丸底部壓力時，不可避免地也增大了膛底的壓力，給火炮安全造成威脅；同時隨著彈丸速度提高，膛底和彈底之間壓力梯度也越來越大，使得彈底的增壓效率不很高，宏觀表象就是膛底壓力增加了較大幅度，而彈丸速度并未同步大幅增加。此外，當火炮身管增加到一定長度時，其對初速增量的貢獻率就會變得極低。根據內彈道程序模擬結果，采用常規方法在不大幅提高膛壓的條件下，要使火炮炮口威力系數有較大幅度的增加，難度極大。即便是能夠將膛壓提高到相當高的水平，由此造成的嚴重代價（包括安全及壽命）是得不償失的［5-6］。

在注意到上述問題后，一些有效的方法便應運而生。一是采用隨行裝藥的方法，使一部分裝藥隨同彈丸一起運動，在恰當的時機點燃隨行裝藥，及時彌補彈底的壓降，從而提高彈丸初速。但由于目前高燃速火藥技術、精確點火技術和隨行技術尚不完善，故隨行裝藥方法在相當長的時期還處于研究階段，難以投入實用［7-9］。另外一種退而求其次的辦法是采用輔助藥室，在火炮身管的適當位置加裝輔助藥室，當彈丸運動到該位置時，快速點燃發射藥，在一定程度上改變膛內火藥燃氣壓力分布規律，盡量提高彈底壓力并延緩其下降速度，該方法雖不如隨行裝藥技術效率高，但相關原理實驗證明有一定效果［10-12］。已有的研究結果表明，在身管上附加裝藥能夠較大幅度提高炮口初速，初速增幅可達8.4%［13］。因此，本文提出的采用加裝雙輔助藥室，來增加身管內膛壓曲線充滿度，是現階段提高彈道發射裝置初速最有效和最直接的方法，可以最大程度地滿足工程防護終點效應實驗的迫切需求。

1 三藥室發射裝置工作原理

該發射裝置有一個主藥室，位于整個火炮尾部，有兩個輔助藥室，位于主藥室前方朝向炮口的位置上，兩個輔助藥室對稱分布于內膛中心線兩側，呈水平并聯關系，兩個輔助藥室與主藥室沿炮膛軸線分布呈串聯關系，3個藥室間整體上呈混聯關系。此外，由于增加了輔助藥室，使得該發射裝置身管長度顯著增加，為方便加工，將裝置分為整體藥室發射段和滑膛身管段兩部分，用聯結法蘭進行連接，法蘭之間加火藥燃氣密封圈進行閉氣。如圖1所示。

圖1 三藥室發射裝置結構示意圖Fig.1 Structural representation of the three-powder chamber launch device

其內彈道過程可分為兩個階段，即主藥室工作階段和輔助藥室工作階段。在主藥室工作階段，其內彈道與常規火炮完全一樣。當底火擊發后，迅速引燃點火藥包，進而點燃主裝藥，在燃氣壓力大于啟動壓力之后，彈丸開始運動。在火藥燃燒造成壓力上升趨勢大于彈丸運動后藥室容積增加造成壓力下降趨勢時，膛底和彈底壓力都不斷增加，此時彈丸速度增加量不斷加大；在達到最大壓力之后，壓力開始下降，速度增加量開始逐漸減小。由于此時彈丸速度絕對數值已經較大，燃氣膨脹速度不能及時跟上彈丸，從而使燃氣對彈丸的加速效應逐漸降低。當彈丸尾部運動到輔助藥室口部時，彈后高溫、高壓火藥燃氣進入到輔助藥室，自動點燃輔助裝藥，當輔助藥室內壓力大于膛內的壓力時，輔助藥室內火藥燃氣從輔助藥室口部噴出，使膛內的壓力迅速增加，彈底壓力得以提高，彈丸速度增量加大，從而達到進一步加速的目的。一般在多藥室發射裝置壓力曲線中，會出現兩個膛內壓力峰值，第1個峰值是由主藥室火藥燃燒形成的，第2個峰值是由輔助藥室火藥燃燒形成的。為了避免兩個壓力峰值疊加造成事故，輔助藥室點火時間應當控制在主藥室多孔火藥燃燒分裂點之后，主火藥燃燒完畢之前。由于多藥室發射裝置壓力曲線下的面積比常規火炮大一些，火藥對彈丸所做的功也要多一些，彈丸初速會相應增大。因此，本文提出的三藥室發射裝置最大的特點是在膛壓不增加或僅有小幅增加的情況下，彈丸初速有較大幅度增加，比單藥室火炮單純通過增加藥量、增大裝填密度或提高火藥力等方法來提高初速，其效率和安全程度要高得多。

2 裝置的主要設計參數選擇

根據裝置的工作原理，在設計選擇主要參數時，可以將發射過程分為3個階段:1）點燃主裝藥，膛內壓力隨著主裝藥的燃燒逐漸升高，當達到彈丸的啟動壓力后，彈丸開始運動，此時輔助藥室內的火藥尚未點燃，這一階段與常規單藥室發射過程相同；2）當彈底經過輔助藥室的進氣孔時，由于壓力差，膛內高溫高壓的燃氣流入輔助藥室，使輔助藥室的火藥逐漸升溫并最終點燃；3）輔助藥室內的火藥開始燃燒，當輔助藥室內壓力高于膛內時，開始向膛內補充能量，進入輔助加能階段，直至彈丸出炮口。

在發射3個階段中，第1階段裝置設計需要考慮的影響因素主要有:主藥室的裝藥量、裝填密度與弧厚的影響。而主藥室最大裝藥量和裝填密度一般由裝置的發射直徑來控制，由于本實驗裝置身管發射直徑選擇的是30 mm，根據現有同類型裝備火炮的標準藥筒來選擇，最大裝藥量不超過350 g，本裝置選擇的實驗發射藥量在280～330 g之間。而根據相關理論分析，主藥室的裝藥弧厚越大，火藥氣體釋放速率慢，壓力上升慢，彈丸初速就越小。因此在選擇主裝藥弧厚時，在可能的情況下，應盡可能選擇弧厚相對較薄的火藥。處于初始設計和安全考慮，本裝置實驗在選擇主裝藥時采用的是4/7或5/7單基標準發射藥。

對發射過程第2階段而言，裝置設計需要考慮的關鍵因素，就是輔助藥室位置的選擇。一般來講，輔助藥室離主藥室越近，彈丸初速和第2峰值壓力就越大，但并不是越近越好，考慮到裝置安全和所能承受的最大膛壓的要求，一般選擇膛內出現最大壓力后的某個位置，存在一個合理值。選擇的原則是即要避免兩個壓力峰值疊加，又要最大限度地及時補充能量。一般來講，要避免兩個壓力峰值可能的疊加，輔助藥室點火時間應當控制在主藥室多孔火藥燃燒分裂點之后，主火藥燃燒完畢之前。根據計算，主藥室多孔火藥燃燒分裂點時間一般為1.1 ms，完全燃燒完畢需要4～5 ms，因此，理論上輔助藥室合理位置的選擇可以是在距膛底0.5～2 m之間，本實驗裝置基于最大膛壓要求和安全性考慮，將裝置輔助藥室設計位置定為距離膛底1 m.當然，最合理值的確定還需要采用兩相流內彈道理論分析后綜合選定為宜。

相對于發射過程的第3階段，裝置設計需要考慮的因素有:輔助藥室的出口角度、直徑和藥量的選擇等，其中最關鍵影響因素是輔助藥室的出口角度。受主身管直徑的制約，輔助藥室出口直徑的選擇一般不能大于主身管的直徑，否則由于該處身管強度被消弱太多而無法保證其安全性。由于該裝置主身管直徑采用30 mm，可供選擇的輔助藥室的直徑有25 mm、20 mm、15 mm，而25 mm口徑的雙管高炮是我國目前現役裝備，其藥筒和藥品的型號可直接選用，因此，本裝置輔助藥室出口直徑選為25 mm，裝藥量根據標準25 mm藥筒要求，不大于230 g.而輔助藥室出口角度選擇，通過相關理論分析可知，輔助藥室出口噴射角度越小，彈丸初速就會越大。這主要是由于角度較小時，燃氣射流方向沿著身管方向，有助于提高彈底壓力，從而提高初速。但從裝置便于加工和使用安裝的角度考慮，該角度還不能太小，因為角度太小刀具等無法固定加工；另外從用螺紋旋緊安裝輔助藥室尾蓋的使用要求來考慮，角度太小也很難操作。綜合以上幾點要求，本裝置將輔助藥室出口噴射角度設計為40°～50°之間為宜。

3 發射實驗結果及分析

3.1 實驗條件及測試結果

在實驗中，采用區截裝置測出彈丸飛行時間間隔，計算出兩靶間距與時間間隔比值，此值即是彈丸在此區間的平均速度，并以此速度來近似代替彈丸炮口初速，在內彈道實驗規程中，該近似代替是允許的。裝置膛內壓力測試采用美國PCB公司生產的壓電型彈道壓力傳感器，共分為4個測點，如圖2所示。1號點監測主藥室口部最大壓力，布置位置位于主藥室坡膛口部；2號點監測輔助藥室口部最大壓力與輔助藥室點火前后膛內的壓力差，布置位置位于輔助藥室入口處；3、4號點監測身管法蘭連接處前后位置，其中:3號檢測點位于法蘭連接前，距離2號檢測點950 mm；4號檢測點位于法蘭連接后，距離3號檢測點950 mm.彈丸（含彈托）外形見圖3.

圖2 壓力測點位置Fig.2 The position of press test

實驗中進行了兩種工況共計9發模擬彈丸射擊，其中主藥室單獨工作射擊工況3發，主藥室和輔助藥室共同工作6發，實驗數據結果見表1所示。

圖3 實驗彈丸（含彈托）外形Fig.3 Appearance of test projectile（including sabot）

3.2 主藥室單獨工作時膛內壓力分布規律

1）第1發膛內各點壓力測試波形見圖4～圖7所示。

裝置身管上1號、2號、3號、4號測壓孔壓力峰值為307.2 MPa、194.3 MPa、94.5 MPa、43.6 MPa.

2）第3發膛內各點壓力測試波形見圖8～圖11所示。

裝置身管上1號、2號、3號、4號測壓孔壓力峰值342.3 MPa、199.5 MPa、99.4 MPa、48.9 MPa.

表1 發射實驗條件及測試結果Tab.1 Test conditions and test results

圖4 第1發1號測壓點壓力-時間曲線Fig.4 Pressure-time curve of measuring point 1#for the first projectile

圖5 第1發2號測壓點壓力-時間曲線Fig.5 Pressure-time curve of measuring point 2#for the first projectile

觀察表1實驗情況和上述壓力波形，不難發現，在主藥室單獨工作的工況下，增加裝藥量會使得膛底壓力和速度都增加，如在彈丸質量相同的情況下（第1發和第2發），當藥量增加為10%左右時，壓力增加幅度（28%左右）遠大于速度增加幅度（6%左右），且隨著彈丸運動彈底壓力下降非常迅速。第1發、第3發實驗的4號測壓孔壓力峰值都在45 MPa左右，說明單純依靠增加主藥室裝藥量來提高彈丸初速有很大局限性。

3.3 主、輔藥室同時工作膛內壓力分布規律

1）第4發膛內各點壓力測試波形見圖12～圖15所示。

1號測壓孔壓力時間曲線共有4個壓力峰值，第1個為300.8 MPa，第2個為167.5 MPa，第3個為219.1 MPa，第4個為164.6 MPa；2號測壓孔壓力峰值有3個，第1個為205.7 MPa，第2個為225.9 MPa，第3個為191.8 MPa；3號測壓孔壓力峰值有兩個，第1個為127.3 MPa，第2個為119.8 MPa；4號測壓孔壓力峰值有一個，數值為85.9 MPa.

圖6 第1發3號測壓點壓力-時間曲線Fig.6 Pressure-time curve of measuring point 3#for the first projectile

圖7 第1發4號測壓點壓力-時間曲線Fig.7 Pressure-time curve of measuring point 4#for the first projectile

圖8 第3發1號測壓點壓力-時間曲線Fig.8 Pressure-time curve of measuring point 1#for the third projectile

圖10 第3發3號測壓點壓力-時間曲線Fig.10 Pressure-time curve of measuring point 3#for the third projectile

圖11 第3發4號測壓點壓力-時間曲線Fig.11 Pressure-time curve of measuring point 4#for the third projectile

2）第6發膛內各點壓力測試波形見圖16～圖19所示。

1號測壓點壓力峰值有3個，第1個為324.8 MPa，第2個為257.8 MPa，第3個為283.2 MPa； 2號測壓點壓力峰值有3個，第1個為208.1 MPa，第2個為253.3 MPa，第3個為273.5 MPa；3號測壓點壓力峰值有兩個，第1個為148.0 MPa，第2個為145.9 MPa；4號測壓點壓力峰值有一個，數值為119.4 MPa.

圖12 第4發1號測壓點壓力-時間曲線Fig.12 Pressure-time curve of measuring point 1#for the forth projectile

圖13 第4發2號測壓點壓力-時間曲線Fig.13 Pressure-time curve ofmeasuring point 2#for the forth projectile

圖14 第4發3號測壓點壓力-時間曲線Fig.14 Pressure-time curve of measuring point 3#for the forth projectile

圖15 第4發4號測壓點壓力-時間曲線Fig.15 Pressure-time curve of measuring point 4#for the forth projectile

圖16 第6發1號測壓點壓力-時間曲線Fig.16 Pressure-time curve ofmeasuring point 1#for the sixth projectile

圖17 第6發2號測壓點壓力-時間曲線Fig.17 Pressure-time curve of measuring point 2#for the sixth projectile

第4、6發壓力曲線與第1、3發有明顯不同。在1號測壓孔壓力曲線中，第1個壓力峰值由主藥室發射藥燃燒形成，特點是峰值前后過渡光滑，無壓力突變；第2個壓力峰值由于輔助藥室發射藥燃氣進入到主膛內，形成壓力波，當此波向主藥室膛底方向傳播并達到1號測壓孔時，出現明顯壓力上升，但隨著彈丸向前高速運動，此值又快速下降；由于第3個壓力峰值出現時間與第2個壓力峰值相隔較近，從作用時間上來分析，當壓力波到達膛底并反射加強反向再一次傳播到1號測壓孔時，會形成第3個明顯的壓力波峰。2號測壓孔第1個壓力波峰是由于彈丸經過2號測壓孔后，彈后火藥燃氣突然作用于傳感器，表現為一個上升沿較為陡峭的壓力突變，實際上是氣體突然作用形成的，而不是像爆炸時產生空氣沖擊波，二者有本質區別，此壓力可以認為是輔助藥室點火壓力；第2個壓力峰值是由于輔助藥室的火藥燃氣進入到主膛內向彈底方向流動形成的，由于此氣體流入使得彈底壓力較無輔助裝藥的射擊工況有大幅度提高，從而才有可能較大程度提高彈丸速度；第3個壓力峰值是由流向膛底反射加強并反向傳播到2號測壓孔的氣體流動形成的，此峰值壓力可以進一步延緩彈后氣體壓力降低，有利于提高彈丸速度。嚴格地講，3號測壓孔也應當有3個壓力峰值，第1個是主藥室燃氣流動形成，第2個是輔助藥室燃氣加入形成，第3個是膛底反射壓力形成，但是第1個壓力峰值很不明顯，剛形成不久，即被隨后而來的輔助裝藥燃氣趕上，二者的間隔極其短暫，不難推斷出來，在彈丸經過3號測壓孔不遠的位置，輔助藥室燃氣就趕上了主裝藥燃氣并同時作用于彈丸底部，共同推動彈丸高速向前運動。4號測壓孔只有一個壓力峰值，且此值比同等彈丸質量、同等主裝藥量的主藥室單獨工作的射擊工況下4號測壓孔壓力大得多，說明當彈丸運動到4號測壓孔之前的位置時，由輔助藥室向彈底方向流動的火藥燃氣已經追趕上彈丸，使得彈底壓力明顯上升，上述測試數據證明了輔助藥室作用是明顯的，對提高發射初速效果顯著。

圖18 第6發3號測壓點壓力-時間曲線Fig.18 Pressure-time curve of measuring point 3#for the sixth projectile

圖19 第6發4號測壓點壓力-時間曲線Fig.19 Pressure-time curves of measuring point 4#for the sixth projectile

4 結論

1）以上發射實驗結果表明，該裝置在增加雙輔助藥室發射時內彈道性能穩定，對提高發射初速效果明顯，彈丸在膛內運動時最大膛壓滿足要求，未見有異常的壓力波動，速度和壓力變化規律一致。

樸素之美（吳語） .......................................................................................................................................... 5-48

2）輔助藥室作用效果顯著，實驗第4發與第1發彈丸質量、主裝藥量幾乎相同，第4發僅多出160 g輔助裝藥，導致其彈丸初速比第1發高16.45%，炮口動能高36.62%，而最大壓力卻并無顯著差別；第6發與第3發彈丸質量和主裝藥量亦相近，第6發多出180 g輔助裝藥，導致其初速較第3發高14.68%，炮口動能高33.97%，最大壓力也并無顯著變化。這就明確顯示，在不顯著增加膛內最大壓力的情況下，通過增加輔助裝藥的手段，可以較大幅度地增加炮口動能和初速。

3）該裝置較同口徑單藥室火炮彈丸初速增加平均在15%左右，炮口動能增加量為35%左右，發射彈丸質量在350～400 g之間，具備了承擔小口徑高速彈丸侵徹和工程防護終點效應實驗研究的能力。

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［1］ 栗保明，戴榮.電熱化學炮等離子體增強燃燒過程研究［J］.兵工學報，2003，23（3）:43-49. LI Bao-ming，DAI Rong.Research of plasma enhanced combustion for electric heat chemical cannon［J］.Acta Armamentarii，2003，23（3）:43-49.（in Chinese）

［2］ Cullis I G，Jenner D，Brant D.The design and fight performance of advanced carrier projective at hypervelocity［J］.International Journal of Impact Engineering，2006，33（1）:201-209.

［3］ Fair H D.Progress in electromagnetic launch science and technology［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2007，43（1）:93-98.

［4］ Dyvik J，Herbig J，Appleton R，et al.Recent activities in electrothermal chemical launcher technologies at BAE systems［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2007，43（1）:303-307.

［5］ 翁春生，王浩.計算內彈道學［M］.北京:國防工業出版社，2006. WENG Chun-sheng，WANG Hao.Camputational interior ballistics［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2006.（in Chinese）

［6］ 金志明，翁春生.高等內彈道學［M］.北京:高等教育出版社，2003. JIN Zhi-ming，WENG Chun-sheng.Advanced interior ballistics［M］.Beijing:Higher Education Press，2003.（in Chinese）

［7］ 張小兵，彭振偉，王力，等.串聯雙藥室火炮經典內彈道模型及數值模擬［J］.南京理工大學學報，1999，23（2）:101-104. ZHANG Xiao-bing，PENG Zhen-wei，WANG Li，et al.Interior ballistics simulation of interior ballistics of the series chamber gun［J］.Journal of Nanjing University of Science and Technology，1999，23（2）:101-104.（in Chinese）

［8］ 李海慶，張小兵，王艷.串聯雙藥室內彈道兩相流數值模擬［J］.兵工學報，2012，33（5）:513-517. LI Hai-qing，ZHANG Xiao-bing，WANG Yan.Two phase flow numerical simulation of interior ballistics of the series chamber gun［J］.Acta Armamentarii，2012，33（5）:513-517.（in Chinese）

［9］ ?omoiag P，Moldoveanu C E.Numerical research on the stability of launching devices during firing［J］.Defence Technology，2013，9（4）:242-248.

［10］ 徐誠，陸家鵬.雙藥室武器彈后壓力場的分析與計算［J］.彈道學報，1989（1）:23-38. XU Cheng，LU Jia-peng.Analysis and calculation of pressure field for double chamber［J］.Journal of Ballistics，1989（1）: 23-38.（in Chinese）

［11］ 徐誠，馬勇，傅建平，等.輔助藥室提高初速問題的實驗研究［J］.彈道學報，1993，5（1）:45-51. XU Cheng，MA Yong，FU Jian-ping，et al.Expermental research for secondary chamber increased initial velocity［J］.Journal of Ballistics，1993，5（1）:45-51.（in Chinese）

［12］ 劉國鑫，廖振強，張帆，等.雙級裝藥膛內二次發射內彈道影響因素研究［J］.兵工學報，2008，29（4）:396-400. LIU Guo-xin，LIAO Zhen-qiang，ZHANG Fan，et al.Research on the faction affecting launching performance of two-stage charge for the seconding propalsion in bore［J］.Acta Armamentarii，2008，29（4）:396-400.（in Chinese）

［13］ 張江波，楊雁，張玉成，等.某新型發射藥在身管附加裝藥中的應用研究［J］.含能材料，2010，18（2）:192-195. ZHANG Jiang-bo，YANG Yan，ZHANG Yu-cheng，et al.Application of new gun propellant in barrel additional charge［J］.Chinese Journal of Energetic Materials，2010，18（2）:192-195.（in Chinese）

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

國家自然科學基金項目（51578543）

伍?。?963—），男，高級工程師。E-mail:wujun61489@sina.com.