0 引言
目前,非致命防暴武器系统被国内外军警广泛应用与维稳处突等非军事行动中,其中非致命防暴枪及防暴弹的应用最为广泛[1-2],但目前此类非致命武器存在动能调节能力不足,易出现动能过剩或不足的情况,影响作战使用效果[3-4]。目前非致命武器调节打击单元初速的方式主要通过气动、多药室发射、电磁发射、身管结构优化等方法[5]。随着化学与材料技术的进步,应用于航空航天领域的新型推进剂,即电控固体推进剂(ECSP)[6],可以通过加载外部电能的方式,实现燃烧与熄灭,并可通过调节外部加载电能的方式实现燃烧速率的调节控制,在具有较大比冲的同时具有较高的火焰与静电顿感特性[7]。目前,主要应用在微小卫星姿态调整及小型火箭发动机及部分战术武器装备领域[8]。相较于传统身管武器的发射药,电控固体推进剂的可调控燃烧能力较强。因此,将电控固体推进剂应用于身管武器领域,作为弹丸发射药,从而实现弹丸初速的可控调节,优化非致命武器系统的打击效能。
作为一种技术可行性探索,本文创造性的提出电控固体推进剂发射装药,即电控发射药这一新概念,并利用试验验证电控发射药作为弹丸发射能源的点火与弹丸初速调节的能力与规律,研究结果对电控发射药的设计优化与非致命发射技术的工程化研究具有指导与参考意义。
1 试验装置及方法
本文通过试验研究的方法对电控发射药作为弹丸发射装药的可行性进行验证,由于电控发射药点燃需要加载一定值的电压。根据文献[9-10]研究结果,电控发射药点火燃烧应施加200 V以上的电压,因此根据试验研究需要设计试验专用发射装置,以实现试验研究需要。
1.1 试验装置系统设计
电控发射药点火过程中电极结构、材料等都会影响点火效能,目前电控发射药的点火电极结构主要有同轴电极、板状电极以及涡状电极等结构[11-12],其中加工简单,体积较小的同轴电极结构更适用于防暴弹药,因此本文试验中的弹药药室原理结构基于如图1所示同轴电极结构,试验中为增强装药的燃烧效果,增加阴极电极针数。
图1 同轴电极结构原理示意图
Fig.1 Schematic diagram of coaxial electrode structure
针对试验发射装置,设计双击针式弹道发射装置,弹道枪的两个击针尾部与击针头部分别对应电源与弹药电极结构的正极与负极,从而实现通电后点火击发的功能,同时在击针与发射装置闩体之间填充绝缘材料,防止通电后漏电短路造成安全隐患。
目前,我国武警部队及公安干警广泛装备使用97式系列18.4 mm口径滑膛防暴枪[13],因此,研究内容针对装备现状及需求,发射装置设计为18.4 mm口径的滑膛枪,采用橡胶材质钝头马鞍形弹丸,试验用弹丸壳体采用高强度硬铝材质加工,以适应射击膛压同时增加弹丸的启动压力。试验时固定在试验台架上,弹道枪及试验用弹如图2所示。
图2 弹道枪及试验用弹
Fig.2 The ballistic guns and test bullets
目前,装药配方的研究主要以硝酸羟铵基(HAN)、高氯酸盐(PP)等配方[14-18]为主,根据非致命防暴弹射击需求,在控制弹丸动能的同时装药燃烧过程不应产生有毒有害物质,且不能产生残渣或腐蚀性液体以提高武器系统使用寿命。因此,试验用药基于湖北航天化学技术研究所的研究基础,采用其提供的HAN基电控发射药作为试验用装药,装药以HAN作为主氧化剂,PVA作为粘合剂,利用化学交联法使主副氧化剂、功能助剂等混合药浆形成凝胶以提升装药的力学性能,适应身管武器使用,发射药配方如表1所示,电控发射药柱如图3所示。
表1 电控发射药配方组分
Table 1 Electronic control propellant formulation components
组分HANPVAANAPATZGY其他含量%651555352
图3 试验用电控发射药柱
Fig.3 Electrically controlled propellant column for test
1.2 测试系统及试验方法
电控发射药作为非致命武器发射能源的试验验证研究中,主要包括点火燃烧验证试验以及弹丸射击验证试验,对于点火验证试验,建立燃烧试验系统,如图4所示。将同轴电极的药室结构直接与调压电源相连接,通电后通过摄录像装置对试验过程进行记录。
图4 点火测试系统原理
Fig.4 Schematic diagram of ignition test system
而射击试验则使用18.4 mm口径滑膛弹道枪作为发射平台,如图5所示搭建射击试验系统。测试系统主要由小型天幕靶测速仪、高速摄像、调压电源等构成。使用小型天幕靶测量弹丸初速,当弹丸穿过小型天幕靶测试装置时,根据前后两个光幕反馈信号的时间差,计算得到弹丸速度并显示在天幕靶屏幕上,天幕靶的放置位置应使弹丸射入端距离弹道枪身管膛口0.5 m处。同时使用高速摄像使用后触发采集方式,记录弹丸在射击过程中的运动状态,并计算校核弹丸初速。控制系统可对调压电源进行调控,调整输出电压并下达通电射击指令。
图5 试验测试系统原理
Fig.5 Schematic diagram of the test system
2 验证试验结果
根据文献中各燃烧试验研究,本文中点火燃烧验证试验加载电压为250 V。当加载电压后,装药结构中的电控发射药开始燃烧,产生明显火焰且有烟气产生,当停止加载电压后,装药停止燃烧。电控发射药燃烧过程如图6所示。
图6 电控发射药燃烧过程
Fig.6 Combustion process of electrically controlled propellant
在弹丸射击试验时,开启摄录像设备,监控弹丸发射状态,在发射装置上加载275 V电压后下达通电点火指令,当弹丸射出后,发射装置断电,以防止剩余电控发射药在装置内持续燃烧。射击试验过程中,测速仪记录的弹丸初速为58.1 m/s。高速摄像拍摄弹丸飞行运动过程如图7所示,从图像中可知,通电击发后,电控发射药燃烧产生大量气体,燃烧所产生的气体推动弹丸发射,弹丸在飞行过程中状态平稳,经高速摄像测量校核后,弹丸初速约为59 m/s,与天幕靶测速仪测速偏差约1.5%,因此试验中可取天幕靶测速仪测出的速度做为弹丸初速。
图7 弹丸飞行高速摄像
Fig.7 High-speed shot of projectile in flight
根据试验结果,电控发射药及其试验发射装置可以实现非致命橡胶弹丸的射击。电控发射药在接通电源输入电压后可以迅速燃烧且产生大量气体,并可在膛内完成弹丸的内弹道过程,具备实现非致命弹丸的发射的能力。
3 电压输入对药室装药燃烧特性影响
经验证试验后,电控发射药在试验装置中可以做到通电点火,具备作为发射药的能力。由于电控发射药的燃烧速度可随输入电压的变化而改变,当输入电压发生变化后,电控发射药燃烧特性的变化对弹药的内弹道过程影响的研究具有重要意义,因此,对同一配方工艺制备的电控发射药进行多电压档位下的点火试验,以获取电控发射药的通电燃烧特性。
试验过程中分别改变加载在药室电极上的电压值,进行点火测试,点火时间保持一致。试验中使用摄像设备对电控发射药点火燃烧过程进行摄像记录,试验过程中加载的电压值如表2所示。试验过程中拍摄的装药燃烧图像如图8所示。
表2 电压输入值
Table 2 Voltage input values
试验组12345输入电压/V160200240280300
图8 不同电压下发射药开放燃烧情况
Fig.8 Open combustion of propellant at different voltages
当加载电压为160 V时,装药无明显火焰及烟气产生,只能观测到装药内部产生少量断续出现的亮点,随着电压的增加,火焰与烟气逐渐明显,当电压升高至300 V时,燃烧最为迅猛,出现刺眼白光。试验现象表明:随着加载电压的增加,电控发射药的燃烧效果逐渐增强。燃烧试验前后,使用高精度电子称分别对含装药的药室质量进行测量,分析燃烧过程中,电控发射药的质量损耗与输入电压的关系。不同电压下,燃烧试验消耗的电控发射药质量如表3所示,根据试验结果可知,随着加载电压的增加,燃烧所消耗的装药质量随之增加。因此,根据试验结果可进行推测,电控发射弹药在高加载电压下将获得更高的弹丸初速。因此,将对不同加载电压下,弹丸的射击初速进行试验测试研究。
表3 试验后装药燃烧的质量损失
Table 3 Mass loss of charge combustion after test
编号减少质量/g质量占比/%160约为002000.89.72401.816.52802.720.23003.927.8
4 电压输入对弹丸初速影响
电控发射药具备通过改变输入电能从而改变燃烧速率的特性,因此对于有可控动能需求的非致命武器系统,可利用电控发射药的这种燃烧特性,从而实现发射初始动能的可控可调。因此在点火射击验证试验后,改变加载在弹道枪上的电压,对电压影响电控发射药发射弹丸的能力及规律进行试验研究。
试验过程中输入弹道枪的电压值按如表4所示。对点火后各电压下弹丸的初速经测量后如图9所示。
表4 电压输入值
Table 4 Voltage input values
序号12345输入电压/V255265275285295
图9 测速仪测试结果
Fig.9 Test results of tachometer
通过射击试验验证,在不同加载电压下,弹丸的初速会发生变化。因此对各档电压值下的射击试验增加试验样本量,获得电压的变化对电控发射药对弹丸初速的影响趋势,试验中弹丸初速经测量如表5所示。
表5 弹丸测速值
Table 5 Velocity measurement value of projectile
电压/V弹丸初速/(m·s-1)12345平均值25541.340.539.843.743.541.7626548.351.552.050.849.750.4627559.260.565.856.658.960.2028578.371.569.375.867.172.4029566.952.454.864.462.660.22
由表5中的试验数据可知,改变弹药的点火电压后,各电压档位下弹丸的平均初速发生显著变化,存在8～12 m/s的速度档位区分。相较于传统发射药,电控发射药可以实现在不改变发射装置结构及装药量的条件下,仅通过改变点火电压即可实现弹丸发射初速的多档可控调节。
根据表5中数据绘制如图10所示弹丸平均初速与电压值的变化曲线。由弹丸平均初速变化曲线可知,随着输入电压的增加,弹丸平均初速也随之增加,且在285 V时弹丸的平均速度达到各组弹丸平均初速度的峰值,但输入电压过高时,弹丸初速出现衰减,而对于非致命单兵武器系统而言,过高的输入电压存在一定的安全隐患,且增加单兵发射系统设计与制造难度。
图10 输入电压与弹丸平均初速变化关系
Fig.10 Relation between input voltage and projectile average muzzle velocity
根据表4中试验结果,在相同的输入电压下,弹丸初速度存在一定的跳差。弹丸初速跳差的极值与加载电压之间的关系如表6与图11所示,初速跳差的极值与加载电压之间呈现线性增加关系。随着加载电压的增加,弹丸的初速之间的跳差增大。因此过高的加载电压,会导致弹丸初速一致性关系变差,从而影响作战效能。
表6 弹丸初速度的极差值
Table 6 Range of projectile muzzle velocity
电压值/V速度跳差/(m·s)电压值/V速度跳差/(m·s)2553.928511.22653.729514.52759.2
图11 输入电压与弹丸初速跳差极值关系
Fig.11 Relation between input voltage and initial velocity difference of projectile
5 结论
本文通过试验对新型电控发射药替代传统发射火药,以实现非致命武器的可控打击能力的可行性进行研究。通过燃烧试验以及射击试验验证,得到结论如下:
1) 同轴电极结构下,电控发射药可以实现通电燃烧与点火调节能力且具备在发射装置中,实现通电后弹丸发射的能力。
2) 改变加载电压,在开放环境下,加载电压的增加能够增强电控发射药的燃烧;发射药装填在弹药结构中时,击发点火电压的增加使弹丸初速呈现增加后下降的变化趋势。
3) 在不同电压档位下,弹丸的平均初速具有显著的区分,电控发射药具备在相同装药条件下,实现不同档位发射速度调节的能力。但过高电压会降低弹丸的发射初速以及一致性。
4) 电控发射药与传统发射药相比,相同的弹丸初速下,点火系统复杂,发射用药量较多,弹丸初速一致性有待提高。
本文研究结果为可控变威力的非致命武器及其发射药提供了一种崭新的可行的研究方向,针对装药目前不足之处,未来的改进空间极大,研究内容也为进一步研究提供参考。
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