0 引言
底排火箭复合增程修正弹不同于普通弹道,其飞行特点是:弹药在发射前进行信息装订,发射后依次点燃底排装置、火箭发动机和战斗部,在弹丸飞行过程中,接收机进行定位,飞行控制器预判弹丸落点坐标位置,适时展开阻力片,实现弹道修正[1]。由于底排与火箭的复合,其外弹道飞行过程显得尤为复杂,对射程影响的因素较多。文中通过对串联式某型底排火箭复合增程修正弹的理论分析、仿真及试验,逐一排查近弹原因,研究结果对解决复合增程修正弹近弹问题具有一定的指导意义。
1 试验情况
某增程修正弹进行低温摸底试验,射击5发(不修正射击模式, 不开阻力环),出现3发射程近的现象,试验结果见表1。
表1 试验数据现场记录表(射击条件:射角30°,射程预设30 km。弹药保-40 ℃低温) |
| 序号 | 初速/ (m/s) | 落点坐标 | 雷达跟踪 | 备注 | |
|---|---|---|---|---|---|
| X/m | Z/m | ||||
| 1 | 945.1 | 24 769 | 1 973 | 雷达跟踪正常 | 射程近 |
| 2 | 939.1 | 29 854 | 2 477 | 雷达跟踪正常 | —— |
| 3 | 940.5 | 23 473 | 1 905 | 雷达跟踪正常 | 射程近 |
| 4 | 939.1 | 23 749 | 1 977 | 坐标雷达跟踪数据不全 | 射程近 |
| 5 | 942.2 | 29 515 | 2 439 | 雷达跟踪正常 | —— |
1.1 试验现场情况
a)试验第1发、第3发、第4发的射程较第2发、第5发正常弹近5~6 km(射程较正常弹近17%~20%);方向极差72 m(5发弹方向偏差正常,5发弹初速正常)。
b)射前、射后均对火炮进行了检查,炮口制退器及火炮身管内膛没有发现异常。
c)试验后,在炮口前方没有找到底排碎药,说明底排工作正常。从炮位观看,底排和火箭工作正常。
d)在炮位听弹丸飞行的声音,没有异常。
1.2 雷达跟踪情况
多普勒雷达对5发弹测量速度过程均正常,均能够在弹丸出炮口0.3 s实现对该弹径向速度的测量,测量结果如图1所示。
靶场试验反馈的雷达数据显示:第1发、第3发、第4发近弹出炮口后速度降剧烈,火箭发动机均在设定时间正常工作。
从雷达速度瀑布图上可见,第1发、第3发、第4发近弹出炮口后初始段速度回波信号噪声大,对5发弹出炮口附近时间段速度降统计如表2所示。
表2 不同时间区间内各发弹的速度降m/s |
| 时间区间 | 第1发 | 第2发 | 第3发 | 第4发 | 第5发 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0~2 s | 152.5 | 89.6 | 166.5 | 166.4 | 104.2 |
| 0~5 s | 303.9 | 189.6 | 325.2 | 322.7 | 204.9 |
| 0~10 s | 408.3 | 309.1 | 434.1 | 428.1 | 322.8 |
| 0~15 s | 479.1 | 393.3 | 500.6 | 494.8 | 406.3 |
| 2~5 s | 151.4 | 100.0 | 158.7 | 156.2 | 100.8 |
| 5~10 s | 104.4 | 119.5 | 108.9 | 105.5 | 117.8 |
| 10~15 s | 70.9 | 84.2 | 66.5 | 66.7 | 83.6 |
从表2数据可见,在0~5 s内,异常近弹(第1发、第3发、第4发)出现巨大的速度降(平均317.3 m/s),该速度降远大于正常弹(第2发、第5发)的速度降(平均197.2 m/s);而在5~10 s时间内,异常近弹速度降与正常弹差异减小。
1.3 近弹回收情况
将第3发和第4发近弹挖出,对回收的2发近弹检查发现:
a)底排装置壳体完好,未脱落;
b)战斗部与发动机连接正常;
c)弹丸导带火炮阳线印痕正常,导带工作正常;
d)弹丸上定心部、下定心部及尾部未发现火炮阳线印痕,证明弹丸在膛内挤进过程正常。
2 计算分析
2.1 飞行速度降分析
3发异常近弹2 s时的速度降分别为153 m/s、165 m/s和167 m/s,表明这3发近弹一出炮口飞行就存在巨大阻力,造成出炮口短时间内存在超大速度降,这种速度降较正常弹和以往有时底排出炮口工作性能不稳定对应的速度降有明显差异(正常弹2 s时速度降约90 m/s)。如果这3发弹出炮口 2 s的速度降对应急剧增大的阻力是由炮口附近扰动产生的章动引起,依据异常近弹出炮口后出现的急剧增大阻力系数,由文献[2]中理论计算可估算出异常弹出炮口阻力系数最大幅值处所对应的章动角约为13°~15°,正常飞行炮弹的炮口章动角要远远小于这一数值。
2.2 飞行阻力系数分析
3 原因排查分析
3.1 试验条件排查
此次试验使用新换身管火炮。本次试验(出现近弹情况)后,又进行了5发常温试验,工作正常,表明火炮机构动作正常,火炮状态良好,可排除。
射击试验前,进行地面、高空气象探测,气象条件均满足射击要求,未见异常,可排除。
3.2 弹药问题排查
3.2.1 弹丸飞行不稳定分析排查
将回收的两发近弹外观检查,导带上的阳线均匀、正常;弹丸下定心部无火炮阳线印痕。通过对火炮身管进行检查,火炮身管不存在烧蚀、磨损严重现象,故可排除弹丸膛内运动差造成的异常近弹。
取弹丸的结构和静参数偏差最大值,进行计算分析,可得出炮口初始扰动引起的最大章动角为2°~3°,不支持这3发近弹现象。
此外,根据两发回收的近弹弹体可见,弹丸表面和弹带磨损正常,弹丸上定心部、下定心部及底排壳体部没有火炮阳线印痕。试验后观察炮口制退器上没有划痕,火炮内膛未见异常,故由弹炮匹配引起炮口附近出现扰动大现象可排除。
3.2.2 弹丸外形变化排查分析
3.2.2.1 修正引信排查分析
由修正引信外形变化引起的异常近弹可有3个因素:接收装置的风帽脱落、电子头脱落及阻力环提前张开。对这3个因素进行了排查。
1)接收装置的风帽脱落
接收装置的风帽(如图5所示)采用尼龙46材料。尼龙46具有较好的抗冲击性能和较好的耐热性能,广泛用于炮弹产品。但尼龙46材料存在低温脆性问题,抗拉强度较常温大幅度下降,不排除由于结构设计缺陷造成低温强度不足,发射时,在离心力作用下产生破裂的可能。
风帽厚度为2 mm,较为轻薄。此风帽采用上、下压螺安装,上、下胶粘及凹槽等方式固定于接收装置外部。炮弹发射后,在离心力作用下,如果风帽在炮口附近出现撕裂,飞行阻力急剧变大,飞行较短时间后,接收装置的风帽整体脱落,弹丸阻力迅速减小,接近正常状态。风帽脱落后,引信表面产生2 mm的凹台,经计算此种外形变化所引起的全弹阻力增幅约7%~8%,与近弹10 s后弹道段阻力系数与正常弹阻力系数差异7%~8%正好相符,故由此种故障引发射程异常的情况不能排除。
2)电子头脱落排查
将电子头脱落后阻力系数与异常近弹阻力系数对比,如图6所示,电子头脱落前,弹头直径为14 mm,脱落后,弹头直径将变为45 mm。通过理论计算,电子头脱落后,全弹阻力系数将增加40%。考虑到电子头脱落为永久性损伤,因此在全弹道段,电子头脱落条件下的阻力系数较正常弹都将大40%左右。然而近弹在10 s后,其阻力系数与正常弹阻力系数差异在7%~8%左右,掉电子头后的阻力系数曲线和异常近弹的阻力系数曲线明显不一致。由电子头脱落引起本次近弹原因可排除。
3)阻力环提前打开和阻力环打开不一致
如果出炮口后阻力环完全张开,射程为16.6 km,该射程要远小于3发近弹的平均射程(23.8 km)。从图7假设情况阻力系数曲线可看出,阻力环出炮口完全张开的阻力系数曲线在阻力环张开后其阻力系数在后续弹道段均会产生几乎相同的阻力系数增幅。这与本次异常近弹出炮口阻力系数异常增大其值约为正常弹阻力系数2.3倍、后续阻力系数增幅7%~8%变化趋势不一致,故阻力环出炮口完全张开故障或张开一半的故障假设可以排除。
3.2.2.2 半备弹丸外形变化分析
3.2.3 底排工作异常排查分析
如果底排药柱力学性能不足,则会造成发射时底排药柱破碎,影响底排的减阻性能。两发正常飞行的弹丸其出炮口阻力系数约为0.2,即便底排不工作,其全弹阻力系数在出炮口段也仅约为0.24~0.25,而近弹出炮口阻力系数为0.46~0.48,约为正常弹的2.3倍。且近弹阻力系数在7.5 s后阻力系数趋于正常,保持较正常弹阻力系数高7%~8%直至结束,即便底排不工作,射程近2 km左右,与本次试验近5~6 km不符。同时炮口前附近未发现底排碎药。回收异常弹底排包覆完整,底排药剂燃烧充分,可证明异常弹底排工作过程正常,故由于底排药柱力学性能低引起底排减阻率低造成近弹可排除。
3.2.4 假设异常模式对应射程的仿真计算
按照30°射角计算不同假设异常模式对应射程见表3。
表3 不同假设异常模式对应射程计算表 |
| 假设异常模式 | 射程X/m | 侧偏Z/m | 结论 |
|---|---|---|---|
| 均正常 | 29 629 | 2 411.4 | —— |
| 底排不作用 | 27 557 | 2 178.9 | 射程不一致,可排除 |
| 火箭不作用 | 26 625 | 2 013.2 | 速度图显示火箭正常,可排除 |
| 火箭、底排均不作用 | 23 695 | 1 835.1 | 速度图显示火箭正常,可排除 |
| 阻力片35 s开环 | 27 724 | 2 076.6 | 阻力系数曲线变化趋势不一致,可排除 |
| 阻力片0 s开环 | 16 647 | 1 411.2 | 阻力系数曲线变化趋势不一致,可排除 |
| 导带磨平 | 31 465 | 2 512.8 | 射程不一致,可排除 |
| 底排装置脱落 | 24 009 | 1 837.1 | 回收表明底排未脱落,可排除 |
| 电子头脱落 | 23 480 | 1 833.0 | 阻力系数曲线不一致,可排除 |
| 接收机风帽异常脱落 | 23 698 | 1 835.2 | 不可排除 |
根据外弹道仿真计算,底排和火箭均不工作、电子头脱落、底排装置脱落、接收机风帽异常脱落4种失效模式的射程与近弹接近。前3种假设可通过分析速度曲线、回收近弹弹丸实物、阻力系数曲线等可以排除,而接收机风帽脱落,其仿真射程和阻力系数变化曲线与近弹接近,故不可排除。
4 故障定位
通过分析排查,仅有接收机风帽脱落故障假设计算的阻力系数曲线与3发近弹提取的阻力系数曲线相类似,射程也接近。
故引起这3发异常近弹故障的可能因素定位为:接收装置的风帽在低温时抗拉性能下降,在离心力作用下,出炮口后撕裂、张开、脱落,引起出炮口后短时间内阻力系数急剧增大,产生巨大速度降;脱落后,接收装置外形产生2 mm的凹台,引起其弹形对应的阻力系数较正常弹增幅约7%~8%,造成近弹。
