Analysis of internal ballistic load environment and simulation verification methodology for fuzes of high-angle artillery ammunition

LIU Liwen; CAI Canwei; SUN Zhangyi

doi:10.3969/j.issn.1673-3819.2025.01.016

Command Control and Simulation ›› 2025, Vol. 47 ›› Issue (1) : 119-123. DOI: 10.3969/j.issn.1673-3819.2025.01.016

Analysis of internal ballistic load environment and simulation verification methodology for fuzes of high-angle artillery ammunition

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Abstract

The fuze is the critical actuating component that enables high-angle artillery ammunition to achieve its terminal effects. Its performance directly impacts the coordination between the artillery ammunition and the firing system, thereby determining the probability of destruction of aerial targets by the high-angle artillery ammunition, and to a significant extent influencing the outcome of the war. This paper analyzes the primary loading conditions experienced by the fuze of high-angle artillery ammunition within the gun barrel, and discusses the methods of performance simulation and experimental verification. The analysis and research presented in this paper can provide valuable reference and inspiration for the structural design and performance simulation of high-angle artillery ammunition fuzes in the future.

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high-angle artillery ammunition fuze; internal ballistic load environment; performance simulation

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LIU Liwen , CAI Canwei , SUN Zhangyi. Analysis of internal ballistic load environment and simulation verification methodology for fuzes of high-angle artillery ammunition. Command Control and Simulation. 2025, 47(1): 119-123 https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-3819.2025.01.016

引信是高炮弹药武器系统的重要组成部分,是高炮弹药武器系统发挥终端效应的最终执行装置,其性能直接决定了武器系统作战的效能,一定程度上影响着战争的走势^[1]。性能完善、质量可靠的引信能保证战斗部对目标实施有效毁伤,起作战效能“倍增器”的作用;反之会导致弹药在遇到目标时发生早炸、迟炸或者瞎火的现象,不仅贻误战机,还可能对己方造成损伤^[2]。高炮射击时,膛内温度很高(一般在3 000 ℃)、膛压很大(可达250 MPa~ 470 MPa)、弹丸出炮口瞬间初速很快(可以达到600 m/s~1 000 m/s),因此,要使高炮弹药引信可靠地完成既定功能,研究人员在进行结构设计时,需要认真分析其面临的复杂膛内环境,并就设计的引信进行性能仿真和实验验证,以满足使用要求,高质量完成作战任务。

1 高炮弹药引信在膛内主要受力分析

高炮弹药从发射到最后作用,会受到很多力的影响,就引信而言,在发射阶段,其内部零件所受到的力主要有后坐力、离心力和切线惯性力。对此,《引信概论》^[1]《引信机构学》^[3]《基于电磁驱动的引信发射后座与旋转双环境模拟技术研究》^[4]《大口径炮弹引信发射环境模拟试验系统设计与仿真》^[5]《基于电磁直线驱动的引信发射环境动态模拟技术研究》^[6]等文献就发射阶段引信的受力情况进行了分析。

1.1 后坐力

后坐力是以载体为参考坐标系来研究引信零件相对于载体的运动而引入的一个惯性力。高炮弹丸在膛内的直线运动是由火药气体压力推动弹丸而产生的,引信零件相对弹丸受到的后坐力为

F_s=

\frac{m_{y} π D^{2}}{4 Φ m_{d}}

·P

(1)

式中,m_y为引信零件的质量(kg);m_d为弹丸的质量(kg);D为弹丸的直径(m);P为膛压(pa);Φ为虚拟系数,通常Φ≥1,可由火炮和内弹道设计提供,也可以按下式计算

Φ=Φ₀+

\frac{1}{3}

\frac{m_{f}}{m_{d}}

(2)

式中,Φ₀由火炮决定的常数;m_f是发射药的质量(kg)。各种火炮的Φ₀值见表1。

Tab.1 Φ₀ values of various guns

表1 各种火炮的Φ₀值

炮种	Φ₀
炮种	线膛	滑膛
大功率加农炮(身管长度大于40倍口径)	1.03	1.01
一般加农炮	1.04-1.05	1.02-1.03
榴弹炮	1.06	1.04
无后坐力炮	1.02	1
迫击炮	—	1

对于一般的火炮、弹丸和发射装药,引信零件受到的后坐力与膛压成正比,膛压达到最大值时,后坐力也达到最大值,然后逐渐减小。出炮口后,后坐力随膛压的迅速降低而迅速减小直至为零。

由式(1)可知,对应于最大膛压的最大后坐力为

F_s_max=

\frac{m_{y} π D^{2}}{4 Φ m_{d}}

·P_max=

\frac{G_{y} π D^{2}}{4 Φ G_{d}}

·P_max

(3)

式中,F_s_max为最大后坐力(N); P_max为最大膛压(Pa);G_y为引信零件的重力(N);G_d为弹丸的重力(N);

对于一般的火炮、弹丸和发射装药,D、m_d、P_max均一定,此时F_s_max与引信零件的重力成正比,一般用K₁表示。即

K₁=

\frac{F_{m a x}}{G_{y}}

\frac{m_{y} {(\frac{d v}{d t})}_{m a x}}{m_{y} g}

\frac{{(\frac{d v}{d t})}_{m a x}}{g}

(4)

K₁为发射时引信零件受到的最大后坐力与该零件重力的比值,无量纲,其物理意义是发射时引信零件受到的最大后坐力是该零件重力的K₁倍,或所受最大轴向加速度为重力加速度的K₁倍。中、大口径火炮的K₁值通常为1 000~30 000,小口径火炮的K₁值可达30 000~110 000,有的可达128 000。

后坐力是引信解除保险的重要环境力之一,同时也是可能造成引信爆炸元件自炸及零件破坏的主要环境力,研究人员在进行引信设计时,应重点加以研究。

1.2 离心力

离心力是载体做旋转运动时,质心偏离载体转轴的引信零件受到的与向心加速度方向相反的惯性力,其表达式为

F_c=m_yrω²

(5)

式中,F_c为引信零件受到的离心力(N);m_y为引信零件的质量(kg);r为引信零件质心距转轴的偏心距(m);ω为载体旋转的角速度(rad/s)。

多数火炮是缠角不变的等齐膛线,弹丸在等齐膛线内运动,其旋转角速度(ω)按如下公式计算:

ω=2πN=

\frac{2 π}{η d}

(6)

式中,N为弹丸每秒钟的转数;v为弹丸速度,单位为m/s;η为火炮膛线缠度,无量纲;d为火炮口径,单位为m。

从式(6)可以看出,弹丸在膛内的旋转角速度与弹丸速度之间有固定的比例关系,并随缠度η而异。结合(5)(6)可得

F_c=m_yrω²=m_yr

{(\frac{2 π}{η d})}^{2}

v²

(7)

在炮口处,v=v_m、ω=ω_m,弹丸转速达到最大值N=N_m,引信零件受到的最大离心力为

F_c_max=m_yr

{(\frac{2 π}{η d})}^{2} {v_{m}}^{2}

(8)

式中,F_c_max为引信零件受到的最大离心力(N);v_m为炮口处的弹丸速度(m/s);N_max为弹丸每秒钟的最大转速(rad/s)。

研究人员通常用最大离心过载系数(K₂)来描述离心力。最大离心过载系数是指质心偏离载体转轴单位长度的引信零件受到的最大离心力与该零件重力的比值,表达式为

K₂=

\frac{F_{c m a x}}{G_{y} \cdot r}

(9)

结合式(8)可得

K₂=

\frac{1}{g} {(\frac{2 π}{η d})}^{2} {v_{m}}^{2}

(10)

K₂值的单位统一为cm^-1,对于给定的武器弹药系统,K₂的值为常数。通常小口径炮弹的K₂值为10 000~160 000,中、大口径的旋转炮弹的K₂值为2 000~10 000,微旋弹的K₂值仅有几十。

在引信设计中,研究人员通常利用离心力作为引信机构的原动力,如离心保险机构的解除保险。但对偏心配置的轴向运动引信零件,研究人员在设计时应考虑离心力所引起的摩擦力的影响。

1.3 切线力

切线惯性力是指质心偏离载体转轴的引信零件受到的与切线加速度方向相反的惯性力,其表达式为

F_t=m_yr

\frac{d ω}{d t}

(11)

式中,m_y为引信零件的质量,单位为kg;r为引信零件质心距转轴的偏心距,单位为m;

\frac{d ω}{d t}

为载体旋转角加速度,单位为rad/s²。

结合公式(6),在线膛炮的膛内

\frac{d ω}{d t}

\frac{2 π}{η} \frac{d v}{d t}

(12)

因而有

F_t=r

\frac{2 π}{η}

F_S

(13)

公式(13)表明,线膛炮内的切线惯性力与后坐力之间有一定的比例关系,这一比例关系与偏心距r及火炮缠度η有关。通常,η=(20~30)D,r<D/2,易得

F_t<(0.10~0.15)F_S

(14)

由此可知,线膛炮弹发射时,引信零件在膛内所受到的切线惯性力仅为后坐力的10%~15%。在后效期,可视弹丸旋转角速度不变而忽略切线惯性力。在外弹道上,空气阻力使弹丸转速渐减,引信零件仍经受切线惯性力,方向与弹丸在膛内运动时相反,但量值很小,也可以不予考虑。由于此力较小,通常不易用作引信解除保险的环境力。

1.4 其他发射环境

除了上述分析的力学环境,在发射过程中,引信在膛内还会受到热环境、电磁环境、静电环境等复杂环境的影响。

(1)热环境。炮弹在发射过程中,由于发射药气体与炮管的对流放热作用,发射药气体的部分热量会传给炮管,加上射击时炮弹与炮管的机械摩擦发热,使炮管的温度不断升高。例如,某型高炮单发射击后身管内壁温度在0.000 149 s内从293.15 K上升到近631.54 K,若在600 rds/min的情况下进行12发长点射,则内壁温度可达近900 K^[7]。炮管温度一方面影响炮管的寿命^[8],同时也会对炮弹引信的正常工作产生影响,比如弹丸装填后没有立即发射,由于膛内温度很高且弹丸在膛内停留时间较长,引信中的起爆元件就会受到膛内热的作用而发火,使弹丸早炸。

(2)电磁环境。电磁环境在空间中无处不在,对很多事物都会产生一定的影响^[9-12]。对于现代引信来说,电磁环境的出现可能会影响引信的相关性能,甚至出现灾难事故。高炮弹药发射过程中,由于膛内温度的急剧升高,将产生一定的等离子体,这些等离子体将破坏引信电子部件的正常工作,甚至有可能电起爆元件而引起发火。

(3)静电环境。静电在生活中处处可见^[13-14],它的存在不光对人体有影响^[15],对电子元器件和设备,也会带来十分严重的危害。高炮弹药在发射的过程中,由于弹体与炮膛之间剧烈的摩擦,弹体表面会迅速产生大量的静电,这些静电可能会破坏引信电子部件的正常工作,比如起爆元件受静电干扰提前发火,发生早炸的现象。

2 性能仿真与验证方法

引信样机在进行生产定型前,须要依据既定的标准、采取一定的方法,对样机进行一系列的试验,包括性能仿真、实验室试验和外场试验等,而后根据试验结果,进行进一步修改完善,满足要求后方能进行生产定型。

2.1 性能仿真

随着计算机等技术的高速发展,引信性能仿真的研究手段越来越多^[16-18],但针对高炮弹药引信的性能仿真(比如流体分析、磁场分析、温度分析、强度分析等方面的性能),目前研究还较少。结合高炮发射弹药时的高过载、高旋转特性,研究人员在进行高炮弹药引信性能仿真试验时,主要是进行强度方面的仿真,可使用SolidWorks、SpaceClaim、Hypermesh、LS-PrePos、LS-DYNA、HyperView等软件综合进行仿真,具体方法和流程如图1所示。

Fig.1 Strength simulation flow chart

图1 强度仿真流程图

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2.2 实验室试验

引信的实验室试验也叫静止试验,是指在实验室条件下,用非射击方法对引信或其零部件的某些性能进行检查或测试的各种试验^[1]。依据引信实验室试验的相关定,在实验室对引信样机进行静止试验,模拟引信在整个生命周期中可能经历的力学、电磁等环境条件如表2所示。

Tab.2 Laboratory test content

表2 实验室试验内容

序号	1	2	3	4	5	6	7	8
试验内容	震动试验	磕碰试验	12 m跌落试验	1.5 m跌落试验	运输振动试验	湿度试验	高低温贮存试验	热冲击试验
序号	9	10	11	12	13	14	15	…
试验内容	锤击试验	旋转试验	离心试验	隔爆安全试验	爆炸完全试验	吊弹试验	反射板试验	…

如果是复合控制引信,还要进行复合性能的试验(比如近炸/时间/触发引信的复合,测试其是否分别具备近炸、时间和触发的功能以及各自的性能)。按规定,引信样机只有经过一系列静态试验,在满足指标要求后,方能转入靶场试验环节,否则应进行相应的调整。

2.3 外场试验

引信的外场试验是相对于实验室试验而言的,是指野外试验,其中在相对固定的场地进行的试验又称为靶场试验^[1]。依据引信样机野外试验的相关规定,对高炮弹药引信样机进行靶场试验的主要内容如表3所示。

Tab.3 Field test content

表3 外场试验内容

序号	1	2	3	4	5	6	7
试验内容	炮弹引信解除保险距离试验	解除保险可靠性试验	空炸时间试验	发射安全性试验	灵敏度与钝感度试验	瞬发度试验	发火性试验
序号	8	9	10	11	12	13	…
试验内容	甲弹引信对钢板发火性试验	自毁时间试验	对地近炸性能试验	对空目标近炸性能试验	最小攻击距离试验	抗干扰试验	…

3 结束语

通过本文的分析可以发现,高炮射击时,其引信会受到后坐力、离心力、切线惯性力等复杂环境力的影响,同时还面临着热环境、电磁环境以及静电环境,这些复杂环境会对引信的正常工作产生很大的影响。因此,在进行高炮弹药引信的结构设计时,应充分考虑引信面临的上述复杂环境,并进行必要的性能仿真(可使用SolidWorks、SpaceClaim、Hypermesh、LS-PrePos、LS-DYNA、HyperView等软件进行)和静态、动态实验验证,根据试验结果,进行进一步修改完善,以便研制的引信能够适配各种作战环境,高质量完成既定作战任务,切实起到作战效能“倍增器”的作用。

References

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1 高炮弹药引信在膛内主要受力分析
1.1 后坐力
Tab.1 Φ0 values of various guns
1.2 离心力
1.3 切线力
1.4 其他发射环境
2 性能仿真与验证方法
2.1 性能仿真
Fig.1 Strength simulation flow chart
2.2 实验室试验
Tab.2 Laboratory test content
2.3 外场试验
Tab.3 Field test content
3 结束语
References

Received	Revised	Published
2024-01-12	2024-07-10	2025-01-20
Online
2025-01-20

序号	1	2	3	4	5	6	7	8
试验内容	震动试验	磕碰试验	12 m跌落试验	1.5 m跌落试验	运输振动试验	湿度试验	高低温贮存试验	热冲击试验
序号	9	10	11	12	13	14	15	…
试验内容	锤击试验	旋转试验	离心试验	隔爆安全试验	爆炸完全试验	吊弹试验	反射板试验	…

序号	1	2	3	4	5	6	7
试验内容	炮弹引信解除保险距离试验	解除保险可靠性试验	空炸时间试验	发射安全性试验	灵敏度与钝感度试验	瞬发度试验	发火性试验
序号	8	9	10	11	12	13	…
试验内容	甲弹引信对钢板发火性试验	自毁时间试验	对地近炸性能试验	对空目标近炸性能试验	最小攻击距离试验	抗干扰试验	…

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1 高炮弹药引信在膛内主要受力分析

1.1 后坐力

Tab.1 Φ₀ values of various guns

1.2 离心力

1.3 切线力

1.4 其他发射环境

2 性能仿真与验证方法

2.1 性能仿真

Fig.1 Strength simulation flow chart

2.2 实验室试验

Tab.2 Laboratory test content

2.3 外场试验

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1 高炮弹药引信在膛内主要受力分析

1.1 后坐力

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1.2 离心力

1.3 切线力

1.4 其他发射环境

2 性能仿真与验证方法

2.1 性能仿真

Fig.1 Strength simulation flow chart

2.2 实验室试验

Tab.2 Laboratory test content

2.3 外场试验

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