基于液柱平衡體的單兵筒式武器動力學特性研究

常 亞，郭保全，丁 寧，黃 通，欒成龍

(1 中北大學機電工程學院, 太原 030051；2 中北大學軍民融合協同創新研究院,太原 030051；3 火箭軍工程大學兵器發射理論與技術軍隊重點實驗室，西安 710025)

0 引言

單兵筒式武器主要用于一定距離上攻擊敵方坦克、步兵戰車、軍事器材和野戰工事等戰術任務。該武器具有輕質量、高機動性、便于攜行等優點，使其迅速成為現代步兵反坦克、反裝甲的骨干力量，在執行空降等特種作戰任務的部隊中也廣泛應用[1]。21世紀以來，由于城市反恐作戰、山地戰和兩棲戰等作戰環境在未來戰爭中的地位越來越突出，單兵筒式武器也在朝著適應新戰場環境而快速發展，特別是在有限空間內的發射能力，進一步拓展了其使用環境[2]。

目前，針對單兵筒式武器“有限空間發射”作戰性能，相關學者進行了深入研究，提出了以平衡拋射為主的多種低特征發射原理[3-4]。其中，液體平衡發射技術由于具有發射特征小、性價比高的特點，已經在國內外多種單兵筒式武器中得到應用。對液體平衡發射技術的相關研究，主要集中在內彈道和外流場上[5-8]。

以某型單兵筒式武器為研究對象，通過分析采用液體平衡發射技術的單兵筒式武器發射過程，分解了受力流程，建立了單兵筒式武器發射過程受力模型和仿真模型，分析了基于液柱平衡體的單兵筒式武器動力學特性，研究結果對單兵筒式武器有限空間發射技術的發展具有一定的參考價值。

1 發射過程概述

1.1 基本原理

采用液體平衡發射技術的單兵筒式武器主要由發射筒、彈丸、燃燒室、噴管和液柱平衡體等部分組成。液柱平衡體布置在藥筒尾端，通過隔板與發射藥燃燒室分開，其底部設置一個擋板，用以密封藥筒，阻滯平衡體移動。其結構如圖1所示。

圖1 單兵筒式武器結構示意圖

在射擊過程中，火藥燃氣推動彈丸和液柱平衡體分別向發射筒兩端移動，彈丸進入膛線部運動，液柱平衡體進入噴管部運動。因此，基于液柱平衡體的單兵筒式武器平衡發射過程按照力的傳遞過程分為5個階段：火藥燃氣推力平衡階段，膛線導轉側力和藥筒摩擦力作用階段，氣液混合擴張產生反作用力階段，氣體擴張產生反作用力階段以及炮口沖擊力與氣體擴張產生反作用力平衡階段。

1.2 受力模型

1.2.1 開始點火到彈丸與液柱平衡體同時運動

彈丸和液柱平衡體同時受到火藥燃氣推力作用，彈丸開始逐漸啟動，彈帶擠入膛線，彈丸受到擠進阻力的作用，但由于彈帶較短，擠入時間和擠入行程一般忽略不計，液柱平衡體也由于藥筒底部擋板張力的阻滯而靜止不動，彈丸擠進壓力作用在身管上，方向沿軸線向前，擋板張力經藥筒壁傳遞作用在噴管前端面上，方向沿軸線向后。即有：

Fj=Fz

(1)

式中:Fj為彈丸擠進阻力；Fz為擋板張力。

1.2.2 從彈丸開始運動到液柱平衡體進入噴管

彈丸在身管膛線引導下做軸線向前的旋轉運動，在軸線方向上受到膛線導轉側力軸向分力和火藥燃氣的共同作用。而液柱平衡體推開藥筒底部擋板的阻滯，在火藥燃氣的作用下沿軸線向后運動，與藥筒內壁面相對運動，產生摩擦阻力。膛線導轉側力軸向分力反作用在身管上，方向沿軸線向前，摩擦阻力作用在藥筒內壁面，經藥筒壁傳遞到噴管前端面，方向沿軸線向后。即

ma=Fp-Fd

(2)

mpap=Fp-Fm

(3)

Fs=Fm-Fd

(4)

式中:m和mp分別為彈丸和液柱平衡體質量；a和ap分別為彈丸和液柱平衡體加速度；Fp為火藥燃氣作用力；Fd為導轉側力軸向分力；Fm為藥筒摩擦阻力；Fs為筒式發射裝置不平衡力。

1.2.3 從液柱平衡體開始進入到完全噴出

彈丸受到膛線導轉側力軸向分力和火藥燃氣共同作用繼續向前運動，液柱平衡體受到火藥燃氣與藥筒摩擦阻力作用向后運動，在高溫燃氣作用下，液柱平衡體與燃氣逐漸發生摻混、沖刷和霧化，形成氣液混合相向外噴出。氣液混合相與藥筒內壁面產生摩擦阻力的同時，部分介質作用在噴管上，形成混合相作用下的噴管推力，噴管推力軸向分力沿軸線向前。即有：

Fs=Ff-Fd-Ft

(5)

式中Ft為噴管推力軸向分力。

1.2.4 從液柱平衡體完全噴出噴管到彈丸離開身管

彈丸繼續受到膛線導轉側力軸向分力和火藥燃氣的共同作用，由于液柱平衡體已經完全被推出噴管，液柱平衡體的摩擦阻力消失，剩下火藥燃氣對藥筒內壁面的摩擦阻力作用。此時，膛內剩余火藥燃氣經噴管擴張后繼續向后噴出，產生沿軸線向前的作用推力，筒式發射裝置總體上受到方向沿軸線向前的導轉側力軸向分力和噴管推力軸向分力以及方向沿軸線向后的火藥燃氣摩擦阻力的共同作用。即

Fs=Fm1-Fd-Ft1

(6)

式中：Fm1為燃氣沖刷產生的藥筒摩擦阻力；Ft1為火藥燃氣產生的噴管推力軸向分力。

1.2.5 從彈丸離開身管到恢復射擊前的狀態

膛內剩余燃氣從筒式發射裝置兩端流出，直至身管內部與大氣壓平衡。在炮口部，燃氣噴出后膨脹產生沿軸線向后的作用力；在噴管部形成沿軸線向前的作用力。即有：

Fs=Ft1-Fq

(7)

式中Fq為炮口部燃氣膨脹產生的作用力。

顯然，單兵筒式武器發射過程中的不平衡力主要由身管膛線部產生的導轉側力和噴管部受到的作用合力兩部分組成。

2 噴管部作用合力分析

噴管部作用合力由噴管前端面受到的藥筒作用力和噴管內壁受到的噴管推力組成。為探究噴管部作用合力變化特性，以某型筒式武器為研究對象，利用Fluent軟件建立噴管仿真模型如圖2所示，其中，P1P2為燃氣射流入口，定義為壓力入口邊界，P1P3和P3P4為簡化噴管無厚度壁面，定義為無滑絕熱壁面，P5P6P7P8為外流場入口，定義為壓力遠場邊界，P7P8為羽流流場出口，定義為壓力出口邊界，P2P8為旋轉軸。

圖2 噴管仿真模型

2.1 噴管推力

根據拉瓦爾噴管受力特點，噴管推力主要由兩部分作用力組成，即作用在收斂段的型面阻力和作用在擴張段的正推力，即有：

Ft=Ftx+Ftz

(8)

式中：Ftx為型面阻力；Ftz為擴張段正推力。

仿真得擴張段正推力和收斂段型面阻力變化如圖3所示。從A點起，液體工質開始作用在噴管收斂段，型面阻力逐漸增大，從B點起液體工質進入擴張段，擴張段正推力開始增大；C點對應時刻膛內壓力達到最大值，型面阻力出現峰值，液體工質開始離開噴管；D點對應時刻液體工質即將全部離開噴管，擴張段正推力達到最大值；到達E點對應時刻時，液體工質在大氣中得到極大擴散，對火藥燃氣密閉作用減弱，火藥燃氣流速增大，作用在收斂段型面阻力和作用在擴張段正推力也依次產生小幅度的增加，然后隨著膛內壓力的下降而逐漸減小。

圖3 液柱平衡體對噴管推力的影響

噴管尾端面的質量流速如圖4所示。結合圖3可以看出，在C點對應時刻，噴管尾端面的質量流速開始增大，并快速上升后下降，直至D點對應時刻，液體工質被全部迅速的噴出噴管；此時，噴管尾端面的質量流速仍然保持較為緩慢的下降速度，這是因為，剛噴出噴管的液體工質依然對火藥燃氣存在一定的密閉作用；直到一段時間后，液體工質在大氣中得到充足的擴散，對火藥燃氣的密閉作用減弱，火藥燃氣流速短暫增大后隨著膛內壓力減小而逐漸下降。

圖4 噴管尾端面質量流速變化規律

2.2 藥筒作用力

藥筒作用力主要是膛內流動介質與藥筒內壁的摩擦阻力經藥筒壁傳遞作用在噴管前端面上。仿真計算得藥筒內壁的摩擦阻力變化如圖5所示。

圖5 摩擦阻力變化規律

由于液體工質在筒內移動距離較短，在尾部擋板破碎之后，經過短暫距離的平直段運行后，進入噴管收斂部。此時膛內壓力仍處于上升過程中，摩擦阻力隨膛壓的增加而逐漸增大，直至液體工質進入噴管收斂部，摩擦阻力開始下降，并在液體工質對火藥燃氣密閉作用減弱，火藥燃氣流速增加之后，摩擦阻力再次增大，然后再隨膛壓的減小而逐漸減小。

噴管部作用力合力的變化規律如圖6所示。由圖6可知，由于液體工質在噴管收斂段和擴張段作用時間差的存在，使得噴管部作用力合力在作用前期呈現出“上下振蕩”的趨勢，直至液體工質對火藥燃氣密閉作用減弱之后，噴管部作用力合力逐漸呈平穩變化趨勢。同時，由于收斂半角較大，收斂段對液體工質的阻滯作用增大，且與擴張段作用時間差較大，使得噴管部作用力合力前期振蕩峰值較大，不利于射擊時穩定。

圖6 噴管部作用力合力變化規律

3 膛線部導轉側力分析

筒式武器均采用等齊膛線型式。即有：

(9)

式中:N為等齊膛線導轉側力;n為膛線條數;ρ為彈丸回轉半徑;r為彈丸半徑;pd為彈底壓力;S為發射筒截面面積;α為纏角。

膛線導轉側力隨時間變化曲線如圖7所示。由圖7可知，從F點對應時刻開始，彈丸完成擠進過程，開始進入膛線部運動；到達G點對應時刻時，液體工質開始作用在噴管部，液體工質受到的阻滯作用增強，引起膛內壓力發生變化，使得導轉側力出現小波動后繼續隨膛壓的增大而增大；到H點對應時刻，膛內壓力達到最大值，導轉側力也因此達到峰值，隨著液體工質的逐漸噴出，膛內壓力迅速下降，導轉側力也隨之迅速下降；直至M點對應時刻，液體工質全部噴出噴管。

圖7 膛線導轉側力變化規律

4 結論

通過對基于液柱平衡體的單兵筒式武器受力過程進行分析,建立了單兵筒式武器發射過程的受力模型和仿真模型，得出以下結論：

1)噴管部作用合力在射擊前期產生的作用力“上下振蕩”現象是造成筒式武器射擊不穩定的主要因素。

2)液體工質在噴管收斂段和擴張段的作用時間差是噴管部作用力合力在射擊前期呈現出“上下振蕩”的根本原因，可以從這一角度對噴管部作用力合力進行優化，以減小振蕩幅值。

3)由于射擊中期液體工質對火藥燃氣密閉作用下降，噴管部作用力合力會出現短暫的上升，然后隨著膛壓的下降而不斷減小。

4)膛線部的導轉側力在射擊前期對發射筒穩定性影響相對較小，在射擊后期，即液柱平衡體對火藥燃氣不產生影響以后，膛線部導轉側力與噴管部作用力合力近似相互抵消，共同保持射擊穩定。