0 引言
枪弹底火在受到击针一定速度的撞击后发火,产生的火焰通过传火孔进入弹壳引燃发射药,发射药快速燃烧产生大量气体,压强迅速增大,从而利用枪管内的压强和外界大气压的压强差来推动弹头在枪管内加速,弹头出膛后具有很高的速度,从而具有杀伤力[1]。底火是枪弹发射的初始击发能源,它不仅起到点火的作用,而且还起到密闭膛内高温高压气体的作用[2]。在设计要求中,底火应该具有可靠的点火能力,否则将会出现瞎火、迟发火等故障,不能完成赋予弹药的作战任务。枪弹底火的点火能力表现为多种形式输出能量综合作用的结果,枪弹底火能量释放特性涉及爆炸声强、气体压力、火焰形态、火焰温度等多个物理表征量。由于击发点火过程是在小型、封闭空间完成,击发时间在百微秒量级、点火时间在毫秒量级,其性能表征参数不易测量提取,为了对底火的点火能力进行准确的评估,研究定量测试枪弹底火能量释放特性的各表征量的试验方法十分有必要。
近几年国外的相关研究有:Frank等[3]利用密闭爆发器测量了底火发火后的最大压力,得到了底火的压力时间输出特性。目前,国内在这方面的研究有:王立新等[4]在考虑热散失修正的基础上,设计了专门的微型绝热密闭爆发器,开展了底火击发试验研究,获得了不同工况下击发底火时密闭爆发器内压力随时间的变化关系;陈明华等[5]设计了一种用于底火燃烧温度测定的密闭爆发器,并利用有限元法模拟计算了底火在密闭爆发器内燃烧温度;王来芬等[6]设计了随弹小底火性能测试装置,对炮弹进行了随弹底火性能测试,通过压力时间曲线获得最大点火压力、到达最大点火压力的时间、压力冲量等体现底火点火性能的特征量;朱跃龙[7]通过设计微型绝热密闭爆发器,对底火在高、低、常温不同底火初温下进行发火实验,研究了底火能量输出特性,得到了密闭爆发器在不同底火初温下的实验样品发火过程中的压力-时间曲线,并采用Mac Cormack 差分方法对不同温度下底火击发后膛压分布特性进行数值求解,与实验结果基本吻合;毕文辉等[8]设计了一种带活塞的爆发器,在此基础上可以模拟各种推力载荷,通过此装置可以测得压力-时间、加速度-时间曲线等,与实际情况的火工品作功十分接近。这些学者的研究主要针对底火,未考虑击针、底火、弹壳的真实装配关系和实际工况;并且进行底火试验成本高昂,还具有一定的危险性。
针对这些问题,本研究提出了一种由击针、底火、弹壳组成的击发点火系统,该系统输出的气体压力是枪弹底火能量释放特性的重要表征量,因此研究枪弹底火在不同工况下的压力响应特性对评价底火点火性能具有非常重要的参考价值。以击针和带底火截断弹壳为试验对象,利用枪械击发点火系统模拟试验装置,设计压力测试工装,保证枪械击发点火系统中击针、底火、弹壳的真实装配关系。研究底火在不同环境温度下以不同能量击发的压力响应特性;并利用有限元法计算底火在室温条件下以不同能量击发时的输出压力,将试验和计算得到的结果进行了对比。
1 枪弹底火能量释放特性试验
1.1 试验原理及测压系统
测试枪械击发点火系统输出气体压力响应的试验为密闭式试验,采用密闭爆发器试验原理。设计压力测试工装,保证枪械击发点火系统中击针、底火、弹壳的真实装配关系,并使弹壳与测试工装形成密闭容腔,密闭容腔的大小根据枪弹弹壳实际装填容积及选用压力传感器的测试量程设计。
以枪械击发点火模拟试验装置[9]为基础,构建压力测试系统。压力测试系统主要由压电式压力传感器、电荷放大器、多通道数据采集仪及信号同步触发装置组成。压力测试系统总体示意图如图1所示。
图1 压力测试系统总体示意图
Fig.1 Overall schematic diagram of pressure test system
利用枪械击发点火系统模拟试验装置,使落锤从不同高度下落以不同能量撞击击针,击针撞击底火使底火发火,底火发火后产生的火焰气体通过弹壳传火孔传播到由弹壳、测试工装组成的密闭容腔内并作用在压力传感器上,使其输出一个和压力变化相对应的电信号,经电荷放大器放大,由多通道数据采集仪处理给出p-t曲线。利用同步装置将落锤撞击击针的启动信号与压力测试模块同步,实现同步测试。
测试工装用于安装和固定击针及带底火的弹壳,可拆卸的安装在枪械模拟试验装置工作台上预留的工装安装孔中,同时可与测试系统相连。截断弹壳压力测试工装[10]如图2所示。本文参考文献[9]设定截断弹壳压力测试工装的容腔体积,密闭爆发器中气体压力与温度及气体摩尔数成正比,底火内击发药爆炸时产生的最大压力可按下列关系式计算:
P1=(T1n1/T0n0)×P0
(1)
1.击针;2.模拟枪机;3.压螺;4.带底火的截断弹壳;
5.传感器安装块;6.弹口垫圈;7.传感器
图2 截断弹壳压力测试工装
Fig.2 Pressure test tooling for the truncated cartridge case
式(1)中:P1、T1和n1表示爆炸后的最大压力、最高温度和气体摩尔数;P0、T0和n0表示爆炸前的初始压力、初始温度和气体摩尔数。结合经验,爆炸后生成的气体最高温度T1=2 034.5 K。
在298 K环境温度下,假设容腔体积为ν mL时最大压力为16 MPa,
(2)
计算可得ν=0.88 mL。
1.2 试验过程与结果分析
对枪械击发点火系统模拟试验装置的工作台面进行调平,将压力传感器一端与测压工装连接,另一端连接电荷放大器。电荷放大器另一侧连接多通道数据采集仪,多通道数据采集仪连接电脑。随后连接同步触发装置:将光电对管安装在枪械击发点火系统模拟试验装置的光电对管安装孔中,使发射端和接收端沿同一直线且处于击针尾部上方,并连接触发器。如图3所示。
图3 光电对管连接示意图
Fig.3 Photoelectric tube connection diagram
完成设备的连接与调试后,在传感器安装块中依次放入传感器垫圈、传感器、弹口密封垫圈、带底火测压截断弹壳,再将装有模拟枪机的压螺与传感器安装块连接固定,如图4所示。然后把击针放入模拟弹膛,将该测试工装放入工作台上的工装安装孔中。
图4 截断弹壳压力测试工装示意图
Fig.4 The schematic diagram of the truncated cartridge pressure test tooling
安装落锤,设置落锤下落高度,使落锤做自由落体运动,以不同的能量打击击针,对压力测试系统采集的压力响应数据进行处理,绘制压力响应曲线。进行不同环境温度工况试验前,将测试工装、击针、底火、弹壳等试验对象置放于保温箱中,设置对应温度并保温2 h。
为了了解不同击发能量、不同环境温度对底火能量释放特性的影响规律,使用250 g落锤分别在160、200、240 mm高度下落,并在室温25 ℃、高温50 ℃及低温-49 ℃三种环境温度下进行试验。每种试验工况下测试一组,每组测试10发。部分压力响应曲线对比情况如图5所示。
图5 截断弹壳底火输出压力对比曲线
Fig.5 Truncated shell primer output pressure comparison curve
击发药燃烧产生的气体压力的特征参数包括压力启动时间、峰值到达时间和压力峰值,这3个特征参数都是评判底火点火特性的重要因素。压力启动时间指的是从触发数据采集仪开始记录到压力上升的零点,压力启动时间的大小直接反映了底火发火时间的快慢。
由图5可知,不同击发能量、不同环境温度下,击发点火系统输出气体的压力启动时间、峰值到达时间有显著不同。用于击发底火的能量与气体压力峰值并无明显关系。提取压力响应曲线中压力启动时间和峰值到达时间,不同工况对压力启动时间及峰值到达时间的影响规律如图6所示。
图6 不同工况对压力启动时间及峰值到达时间的影响规律
Fig.6 The influence of different working conditions on pressure start-up time and peak arrival time
由图6可知,试验环境温度相同时,击发能量越大击发点火系统输出气体的压力启动时间和峰值到达时间越早;击发能量相同时,试验环境温度越高击发点火系统输出气体的压力启动时间和峰值到达时间越早。
2 枪弹底火能量释放特性有限元分析研究
2.1 有限元分析模型
根据各部分结构的相对位置以及装配关系,在TrueGrid中建立其三维模型,将模型导入到LS-PREPOST,以建立准确的模型。该模型由落锤、击针、模拟枪机、弹壳、底火壳、击发药、盖片和测压工装组成,如图7所示。采用非结构形式构建所有零件的网格模型,如图8所示。
1.测压工装(空气域);2.弹壳;3.纸盖片;4.击发药;5.底火壳;6.枪机;7.击针;8.击锤
图7 有限元模型
Fig.7 Finite element model
图8 各零件的三维网格模型
Fig.8 3D mesh model of each part
其中落锤、击针、模拟枪机、弹壳、底火壳和测压工装是金属材料,金属材料采用描述材料在高速冲击下物理特性的Johnson-Cook本构模型和Gruneisen状态方程,相关参数参考文献[10]。
击发药的释能机制是在枪械击发过程中,底火在击针撞击作用下发生大变形,塑性波经弹壳传至击发药并在击发药内部间隙处发生相互的叠加和反射作用,产生大量的局部“热点”,“热点”释放的能量使得击发药内部温度升高,导致更多的含能颗粒发生热分解反应。如此,随着“热点”进一步繁殖和热量的累计,击发药各处释放的能量越来越多,直至能量增大到使击发药瞬间发生完全爆轰响应[10]。击发药点火过程采用Lee-Tarver点火增长释能模型描述。
底火反应物压力和温度的状态采用JWL状态方程描述,其标准形式[11]为
(3)
式(3)中:p是爆炸产物的压力;
表示爆炸产物的相对比容;E=ρ0×e为单位初始体积爆炸产物的内能;A、B、R1、R2、w是待定参数,由实验确定。
底火的反应速率采用三项式反应速率方程[12]描述:
G1(1-F)cFdPy+G2(1-F)eFgPz
(4)
式(4)中: F为反应度;a为临界压缩度,用来限定点火界限,当压缩度小于a时击发药不点火;x为热点数量;I为冲击波强度与作用时间的函数,也是控制击发药点火的条件;b、c、e与反应速率最大值的位置有关;G1和G2为表面积与体积之比,由于冲击波具有粉碎颗粒的作用,所以是冲击波压力P的函数;d、g与热点成长的几何形状有关,当热点以球形向外燃烧时,取值为2/3,但考虑随着压力的增长,比表面积增加,反应速率增大,其值可以大于1;y、z与燃烧反应的非层流特性有关,其取值范围一般为0.8～2.0。
方程右边第一项为点火项,描述“热点”的形成以及后续的点火;第二项为增长项,描述孤立的“热点”由内或由外相对缓慢的燃烧增长过程;第三项为完成项,描述所有“热点”联结,增长过程快速完成。
击发药剂主要成分包括斯蒂芬酸铅、泰安、硝酸钡、硫化锑。由于暂时未能通过公开的文献资料获得斯蒂芬酸铅全部适用于点火与增长状态方程的相关参数,参考文献[10]在C4炸药点火增长参数的基础上进行调参,得到击发药点火与增长状态方程参数。
底火作用过程涉及击发药剂撞击引爆问题,有限元分析模型整体采用流固耦合算法,其中落锤、击针、模拟枪机、弹壳和底火壳采用Lagrange算法,击发药和空气域采用多物质ALE法,采用cm-g-μs单位制。定义边界条件包括,为落锤施加初始速度载荷,驱动其运动;弹壳侧面在击针运动方向上施加位移约束;在空气域外侧施加无反射边界条件。在击针撞击底火壳并引爆击发药剂的过程中,底火壳有可能产生较大变形并发生破坏,考虑Lagrange算法描述材料破坏为单元失效,可能发生破坏的材料均采用侵蚀模型,即材料发生破坏即删除单元。设置击针-底火壳、弹壳-盖片的侵蚀接触后,还需将底火壳与盖片定义为一个PART集并设置内部PART自接触,将击发药剂与空气定义为一个流体PART集,流体PART集与其余金属零件之间采用流固耦合算法。
2.2 计算结果与分析
有限元分析模型与枪械击发点火截断弹壳压力测试试验系统一致,设定仿真温度为25 ℃,使落锤由160、200、240 mm高度下落,提取仿真结果中测压传感器安装位置的压力响应曲线与截断弹壳测试压力响应曲线相对比,如图9、图10和图11所示。
图9 室温160 mm落高下仿真与截断弹壳测试压力曲线
Fig.9 Comparison of pressure curves between simulation and truncated cartridge case test at room temperature of 160 mm drop height
图10 室温200 mm落高下仿真与截断弹壳测试压力曲线
Fig.10 Comparison of pressure curves between simulation and truncated cartridge case test at room temperature of 200 mm drop height
图11 室温240 mm落高下仿真与截断弹壳测试压力曲线
Fig.11 Comparison of pressure curves between simulation and truncated cartridge case test at room temperature of 240 mm drop height
从压力响应曲线中提取压力启动时间、峰值到达时间、压力峰值等特征参数相对比并求得它们的误差范围,见表1。
表1 仿真与试验压力特征参数对比情况
Table 1 Comparison of simulation and test pressure characteristic parameters
落锤高度/mm压力启动时间/μs仿真试验误差/%峰值到达时间/μs仿真试验误差/%压力峰值/MPa仿真试验误差/%1604064080.495355523.0817.33417.8522.902003693369.824784902.4515.56715.3191.6224034030212.584424624.3316.89016.5032.35
对比仿真和试验的压力响应曲线,压力启动及峰值到达趋势基本一致。试验曲线中压力达到峰值后衰减趋势明显是由于实际测压工装中没有进行严格的密闭处理导致火药气体泄漏,而数值分析模型中设置其为理想密封状态故压力达到峰值后基本趋于平稳。针对压力启动时间、峰值到达时间、压力峰值等压力特征参数,有限元分析结果与试验结果均吻合较好,最大相对误差低于13%。
3 结论
本文针对底火在不同环境温度下以不同能量击发的压力响应特性进行研究。通过进行枪弹底火在不同环境温度下以不同能量击发的试验,对其输出气体压力进行测试,并利用有限元法计算底火在室温25 ℃条件下以不同能量击发的压力响应。得到主要结论如下:
1) 环境温度一定时,击发能量越大击发点火系统输出气体的压力启动时间和峰值到达时间越早;击发能量一定时,环境温度越高击发点火系统输出气体的压力启动时间和峰值到达时间越早。
2) 压力启动时间、峰值到达时间和压力峰值等压力特征参数数值分析结果与试验结果均吻合较好,最大相对误差小于13%,验证了仿真模型的正确性,可以较好地模拟枪械击发点火的响应过程。
[1] 汪正胜,沈勇.关于提高枪弹发火感度的研究[J].中国军转民,2019(11):57-60. WANG Zhengsheng,SHEN Yong.Research on improving the firing sensitivity of bullets[J].Defence Industry Conversion in China,2019 (11):57-60.
[2] 张黎明.底火及其零部件的强度分析与模拟[D].南京:南京理工大学,2004. ZHANG Liming.Strength analysis and simulation of primer and It’s parts[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2003.
[3] FRANK J,AUBREY J.Comparison of several techniques to evaluate percussion primer performance[C]//29th International Pyrotechnics Seminar.Westminster,2002:383-390.
[4] 王立新,戴涌,王加刚,等.底火初温对能量释放特性影响的实验研究[J].弹道学报,2022,34(2):106-110. WANG Lixin,DAI Yong,WANG Jiagang,et al.Experimental study on the effect of initial temperature on energy release characteristics[J].Journal of Ballistics,2022,34(2):106-110.
[5] 陈明华,马桂海,柳维旗,等.底-6乙底火药剂的燃烧温度测定与计算[J].含能材料,2006(2):129-131. CHEN Minghua,MA Guihai,LIU Weiqi,et al.Measure-ment and calculation of combustion temperature of di-6 B base propellant[J].Chinese Journal of Energetic Materials (Hanneng Cailiao),2006(2):129-131.
[6] 王来芬,万学仁,伊芳,等.随弹小底火测试装置设计和试验[J].火炸药学报,2001,24(4):52-53,57. WANG Laifen,WAN Xueren,YI Fang,et al.Design and test of small-bottom-fire test device[J].Chinese Journal of Explosives &Propellants,2001,24(4):52-53,57.
[7] 朱跃龙.底火能量释放特性及其对内弹道性能影响的研究[D].南京:南京理工大学,2014. ZHU Yuelong.Energy release characteristics of primer and its influence on interior ballistic performance[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2014.
[8] 毕文辉,严楠,付永杰.基于同时测试火工品输出多参量的爆发器设计[J].火工品,2009(1):44-45. BI Wenhui,YAN Nan,FU Yongjie.The design of bomb based on testing output parameters of initiating explosive device at one time[J].Initiators &Pyrotechnics,2009(1):44-45.
[9] 赵聪聪,魏志芳,郭向向,等.一种枪械击发点火系统模拟试验装置设计[J].兵工自动化,2022,41(4):10-13,18. ZHAO Congcong,WEI Zhifang,GUO Xiangxiang,et al.Design of a gun firing ignition system simulation test device[J].Ordnance Industry Automation,2022,41(4):10-13,18.
[10] WEI Zhifang,XIN Changfan,HOU Xiucheng,et al.Mechanical-thermal-chemical coupled modeling techniques and numerical simulation methods for the firearm igniting process[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics,(2023),48,e202200244.
[11] 汤文辉,张若棋.物态方程理论及计算概论[M].北京:高等教育出版社,2008. TANG Wenhui,ZHANG Ruoqi.Introduction to theory and computation of equations of matter[M].Beijing:Higher Education Press,2008.
[12] 刘华宁.战斗部射流冲击起爆与减敏规律研究[D].南京:南京理工大学,2016. LIU Huaning.Study on the law of jet percussion initiation and desensitization of warhead[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2016.