CN110765407B - 一种片状多层发射装药内弹道特性参数的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发射药技术领域，具体涉及一种片状多层发射装药内弹道特性参数的计算方法。本发明采用燃速比的方法表征多层发射药的燃烧渐增性，解决了多层发射药燃烧渐增性仅能定性表示无法定量表征的问题。本发明采用过渡层渐变函数的方法，优化了多层发射药内弹道计算，使得经过一次内弹道循环就可以获得片状多层发射药的内弹道特性参数。采用由外层向内层方向的同一坐标方式，使发射药在燃烧过程的特性参数全部转变为与该坐标为变量的单一关系，能够定量表征多层发射药的燃烧渐增性，适用于任意多层复杂结构的发射药。

Description

一种片状多层发射装药内弹道特性参数的计算方法

技术领域

本发明涉及发射药技术领域，具体涉及一种片状多层发射装药内弹道特性参数的计算方法。

背景技术

片状多层发射药是由至少三层不同组分的发射药燃烧层组成，每一层具有不同的燃烧速度，经过物理挤压的方式结合在一起，具有一定强度、几何外形的复合式发射药。该类发射药具有较高的燃烧渐增性，同时发射药具有较高的装填密度，对比粒状散装发射药，装填密度能够提高25％以上，最高可以达到1.25g/cm³以上。应用多层发射药高燃烧渐增性的特性，可以在保持最大膛压不变的条件下提高炮口动能15％-50％，因此，该类技术的研究具有重大意义。

现在多层发射药内弹道性能参数的计算方法主要是分层考虑，内弹道计算过程中按每一层进行计算，每一层均作为独立的发射药，有其全部的表征参数，每计算一层发射药的燃烧层则需进行一次完整的内弹道循环，在表征发射药的燃烧渐增性时，只能通过密闭爆发器试验测试的燃烧曲线表示。然而，现有计算方法存在如下问题：(一)采用密闭爆发器试验测试的燃烧曲线来表示多层发射药的燃烧渐增性，由于只能测试到压力时间曲线，并不能很好表征出该类发射药燃烧过程的特征，仅仅能获得些定性的数据无法进行定量；(二)在发射药的燃烧过程中不考虑缓燃层与速燃层边界的影响，由于边界处在经过物理挤压和化学渗透后已经形成了一种具有渐变特性的新材料，因此，现有方法无法较好的表征片状多层发射药的燃烧特性；(三)采用按每一层作为独立的发射药的方法进行内弹道计算，两层时进行两次内弹道循环，计算程序上增加为两种发射药，随着层数增加，计算量和工作量将大幅增加，并不能适合较多层数的发射药内弹道计算。

从目前检索的技术资料中，尚未见具有能够定量描述片状多层发射药燃烧渐增性的大小，快速高效计算出片状多层发射药内弹道性能的计算方法的公开报道。

发明内容

本发明主要为解决现有技术无法定量表征，无法适用于任意多层复杂结构的发射药的计算问题，提供一种片状多层发射装药内弹道特性参数的计算方法。

为解决上述问题，本发明采用了下列技术方案：

一种片状多层发射装药内弹道特性参数的计算方法，包括以下步骤：

步骤1：确定片状发射药层数；

步骤2：给定发射药对应坐标下的特性参数；

步骤3：建立燃速比关系式；

步骤4：在给定压力求出燃速比作为燃烧渐增性评价参数；

步骤5：计算片状多层发射药燃速方程；

步骤6：计算弹丸运动方程；

步骤7：计算能量平衡方程；

步骤8：通过以上计算步骤，经过一次内弹道循环即可求出片状多层发射药的内弹道特性参数。

采用发射药的燃速比能够较好的描述片状多层发射药的燃烧渐增性，建立了包含燃速比的片状多层发射药燃速方程，采用过渡层渐变函数的方法能够大大优化片状多层发射药内弹道计算，使得经过一次内弹道循环就可以获得片状多层发射药的内弹道特性参数。

进一步地，所述步骤2中的给定发射药对应坐标下的特性参数具体方法为：

片状多层发射药由外层向内层的方向为x的正向，x表示发射药以燃烧的厚度，发射药不同层的特性与x的关系为

其中

ρ为发射药的密度，ρ₁为第一层的密度，ρ_g为过渡层的密度，ρ₂为第三层的密度，u为发射药的燃速，u₁为第一层的燃速，u_g为过渡层的燃速，u₂为第三层的燃速，x₁为第一层结束时的坐标，x₂为过渡层结束时的坐标,x_t为发射药总的厚度的坐标。增加了过渡层密度ρ_g、过渡层燃速u_g和过渡层结束时的坐标x₂，可使燃烧过程完整，燃烧过程具有连续性。

再进一步地，所述步骤3中的建立燃速比关系式具体方法为：

片状多层发射药内外层燃速关系式采用指数的形式u＝AP^ν，A为燃速系数，v为燃速压力指数，与步骤2中所对应的第一层燃速系数为A₁，燃速压力指数为v₁，第三层燃速系数为A₂，燃速压力指数为v₂，过渡层的燃速关系根据步骤2计算，第一层与第三层的燃速比关系式为：

其中u_b为燃速比，P为压力。

更进一步地，所述步骤5中的计算片状多层发射药燃速方程具体方法为：

根据平行层燃烧定律，采用下式表示：

其中，t为燃烧时间，e₁为发射药的弧厚，且x_t＝e₁；

其中，ψ为已燃百分数，χ、λ、ξ、ξ_k为特定形状发射药的药形系数，Z为燃烧层的已燃相对厚度，Z_k为燃烧层分裂后的已燃相对厚度。

更进一步地，所述步骤6中的计算弹丸运动方程具体方法为：

其中S为火炮横截面积，m为弹丸质量，

为次要功系数，V为速度，l为弹丸行程长。

更进一步地，所述步骤7中的计算能量平衡方程具体方法为：

其中

l₀为火炮药室长度，f为火药力，ω为装药量，Δ为装填密度，δ为密度，θ为比热系数，α为余容。有效地解决了弹丸在膛内的压力P、速度V与l为弹丸行程长的连续性。

相比于现有技术，本发明能够取得有益效果为：

(一)采用燃速比的方法表征多层发射药的燃烧渐增性，解决了多层发射药燃烧渐增性仅能定性表示无法定量表征的问题。与现有技术相比，使得多层发射药的燃烧渐增性有了较好的表征方法，填补了现有技术空白。

(二)采用过渡层渐变函数的方法，优化了多层发射药内弹道计算，使得经过一次内弹道循环就可以获得片状多层发射药的内弹道特性参数。与现有技术相比，能够快速高效计算出片状多层发射药内弹道性能参数。

(三)采用由外层向内层方向的同一坐标方式，使得发射药在燃烧过程的特性参数全部转变为与该坐标为变量的单一关系，并且随着层数的增加并不增加计算的复杂度。与现有技术相比，能够适用于任意多层复杂结构的发射药。

附图说明

图1为片状多层发射装药计算流程图；

图2为ZJB配方发射药内外层爆发器p-t曲线；

图3为ZJB配方多层发射药内外层燃速比压力曲线图；

图4为硝胺配方多层发射药内外层爆发器p-t曲线；

图5为硝胺配方多层发射药内外层燃速比压力曲线图；

图6为不同燃速比的多层发射药装药内弹道p-t曲线；

图7为不同燃速比的多层发射药装药内弹道p-l曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明片状多层发射装药内弹道特性参数的计算方法，具体包括以下步骤：

(1)确定片状发射药层数

一种片状多层发射药由三层基体药组成，上层和下层为相同基体的材料，厚度0.5mm，中间为其他的基体材料，厚度为1mm，物理压实后的总厚度为2mm，呈现外直径为45mm，内直径为8mm的圆盘状。

(2)给定发射药对应坐标下的特性参数

结合具体试验数据进行说明，根据图2ZJB配方发射药内外层爆发器p-t曲线和图4硝胺配方多层发射药内外层爆发器p-t曲线。给出两种典型配方的燃速比曲线，由密闭爆发器试验得到ZJB配方多层发射药和硝胺配方多层发射药的计算数据。

(3)建立燃速比关系式

由图2的密闭爆发器曲线求得内层的燃速关系式为：

u₁＝0.064P^1.081

外层的燃速关系式为：

u₂＝0.0385P^1.046

根据内外层燃速比定义则ZJB配方多层发射药的燃速比为：

在100Mpa时，内层燃速为92cm/s，外层燃速为47cm/s，过渡层(厚度0.2mm)的燃速为：

图3为燃速比在不同压力下的曲线。

从图3中得知，ZJB配方多层发射药的内外层燃速比为1.95左右。这个结论是不同压力范围内比较的结果，所得数值是由试验而得，正确性得到了保证。因此，用该参数能够很好的表征多层发射药的燃烧渐增性。以下给出硝胺配方多层发射药的数据。

由图4密闭爆发器曲线求得内层的燃速关系式为：

u₁＝0.14P^0.945

外层的燃速关系式为：

u₂＝0.0753P^0.916

硝胺配方多层发射药燃速比u_b为：

在100Mpa时，内层燃速为108cm/s，外层燃速为51cm/s，过渡层(厚度0.2mm)的燃速为：

图4为燃速比压力曲线图。

通过图5得知，硝胺配方多层发射药的燃速比在2.1左右，具有更好的燃烧渐增性，且比ZJB配方的多层发射药燃烧渐增性值大0.15，因此，采用本发明中燃速比的方法表征多层发射药的燃烧渐增性，解决了多层发射药燃烧渐增性仅能定性表示无法定量表征的问题。

采用以上计算方法进行了验证计算，不同燃速比的多层发射药的内弹道计算结果如下：

不同燃速比的多层发射药装药内弹道计算结果表

图6、图7为计算获得的多层发射药装药内弹道特征参数曲线。

从以上计算结果及内弹道曲线图中知，在多层发射药的外层燃速不变时，改变内层发射药的燃速，燃速比变大时，初速增幅较大；燃速比变小时，初速和膛压都变小，这说明提高内层燃速能较好的提高炮口初速。当固定内层燃速不变时，改变外层燃速的大小，燃速比变大初速降低；燃速比变小初速增大，这是因为当多层发射药内层燃速确定后，增加燃速比就意味着降低外层发射药的燃速，外层发射药的燃速降低后能量也随之减小，因此在装药量不变的情况下，总能量将减少，导致初速降低。反之，燃速比减小说明外层的燃速增加，总能量增加初速增大，表中4、5发数据说明了这一情况，在内层燃速不变的情况下，燃速比为3.4时，膛压336.4Mpa，初速1343.9m/s；燃速比为1.65时，膛压474.8Mpa，初速1440.8m/s。

因此，本发明能够较好的表征多层发射药的燃烧渐增性和优化内弹道计算过程。

Claims (3)

1.一种片状多层发射装药内弹道特性参数的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：确定片状发射药层数；

步骤2：给定发射药对应坐标下的特性参数；

步骤3：建立燃速比关系式；

步骤4：在给定压力求出燃速比作为燃烧渐增性评价参数；

步骤5：计算片状多层发射药燃速方程；

步骤6：计算弹丸运动方程；

步骤7：计算能量平衡方程；

步骤8：通过以上计算步骤，经过一次内弹道循环即可求出片状多层发射药的内弹道特性参数；

所述步骤2中的给定发射药对应坐标下的特性参数具体方法为：

片状多层发射药由外层向内层的方向为x的正向，x表示发射药以燃烧的厚度，发射药不同层的特性与x的关系为

ρ为发射药的密度，ρ₁为第一层的密度，ρ_g为过渡层的密度，ρ₂为第三层的密度，u为发射药的燃速，u₁为第一层的燃速，u_g为过渡层的燃速，u₂为第三层的燃速，x₁为第一层结束时的坐标，x₂为过渡层结束时的坐标,x_t为发射药总的厚度的坐标；

所述步骤3中的建立燃速比关系式具体方法为：

片状多层发射药内外层燃速关系式采用指数的形式u＝AP^ν，A为燃速系数，v为燃速压力指数，与步骤2中所对应的第一层燃速系数为A₁，燃速压力指数为v₁，第三层燃速系数为A₂，燃速压力指数为v₂，过渡层的燃速关系根据步骤2计算，第一层与第三层的燃速比关系式为：

其中u_b为燃素比，P为压力；

所述步骤5中的计算片状多层发射药燃速方程具体方法为：

根据平行层燃烧定律，采用下式表示：

其中，t为燃烧时间，e₁为发射药的弧厚，且x_t＝e₁；

其中，ψ为已燃百分数，χ、λ、ξ、ξ_k为特定形状发射药的药形系数，Z为燃烧层的已燃相对厚度，Z_k为燃烧层分裂后的已燃相对厚度。

2.根据权利要求1所述的一种片状多层发射装药内弹道特性参数的计算方法，其特征在于：所述步骤6中的计算弹丸运动方程具体方法为：

其中S为火炮横截面积，m为弹丸质量，

为次要功系数，V为速度，l为弹丸行程长。

3.根据权利要求1所述的一种片状多层发射装药内弹道特性参数的计算方法，其特征在于：所述步骤7中的计算能量平衡方程具体方法为：

其中

l₀为火炮药室长度，f为火药力，ω为装药量，Δ为装填密度，δ为密度，θ为比热系数，α为余容。

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