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射程是发射武器的主要性能指标,增程是重要的兵器技术。在精确命中、先敌开火、突然袭击的条件下,武器射程超过对方则有利于取得战场的主动权。从20世纪70年代开始,世界各国竞相研究发射武器增程技术,并把它作为21世纪初火炮发展的重要内容。 发射武器增程技术是增大发射武器射程的综合技术。它是在利用内弹道学、空气动力学、外弹道学、发动机原理和新型发射技术研究成果的基础上发展起来的。发射武器增程技术有多种,如表1所示。在武器设计时,很少单一使用一种增程技术,而是几种技术合理匹配、复合(如初速与弹形匹配、弹形与底排匹配等),从而使发射武器获得最大的增程效果。 主要增程技术的原理 要实现发射武器的增程,无非是使弹丸在离开炮口(导轨)时动能大一些;在飞行途中阻力小一些,最好再增加一些动能,或者几种办法综合使用。
主装药燃气携带药粒一起运动,形成典型的气固两相流动,随着膛压升高,弹丸开始运动,当管内压力上升到一定程度时,点火管开始破孔或开裂,随行装药适时点燃。由于加入了新能量,使压力曲线不降低、形成压力平台,从而增大了弹丸的初速。见图1。
液体发射药 液体发射药火炮的发射药由一般的固态变成液态,有整装式、外部动力喷射式和再生喷射式三种设计方案。目前,世界各国都重点发展再生喷射式液体发射方案。见图2。发射用的燃料最初装在贮液室中,贮液室与燃烧室之间由活塞隔开。在内弹道过程中,由点火作用推动活塞,压缩贮液室中的液体燃料;通过活塞上的喷射孔将燃料喷射到燃烧室,并使之雾化和充分燃烧,生成燃气推动弹丸运动。可以通过控制液体燃料的喷射规律,达到膛压曲线的平台效应,从而获得高初速。如美国开发的液体发射药,使现役155毫米标准榴弹炮的射程达到65千米。
冲压增程 冲压增程主要分为身管冲压增程和冲压发动机增程。身管冲压增程是在火炮射管内利用冲压装置,使弹丸获得很高的初速。冲压发动机增程弹则是在弹丸从膛内发射出去后,利用冲压发动机获得高初速。见图3。在高速飞行中,空气由弹丸头部的进气口进入弹丸内膛的喷射器,然后进入燃烧室,空气流过燃烧的燃料表面,氧气与燃料充分作用,燃气流经喷管加速,以很高的速度从喷管喷出。这种很大的后喷动量,使弹丸得到高初速。据报道,美国已利用120毫米冲压加速器进行了增加弹丸初速的试验。
新型发射技术 新型发技术大体上分为电磁发射、电热发射、电热,化学发射三种类型。 电磁发射技术也称电磁炮。它是利用电磁力推动弹丸,原理如图4所示。发射时,电流由一条导轨流经电枢,再由另一条导轨流回,从而构成闭合回路。强大的电流流经两平行导轨时,在两导轨间产生强大的磁场,这个磁场与流经电枢的电流相互作用,产生强大的电磁力。该力推动电枢和置于电枢前面的弹丸沿导轨加速运动,从而获得高速度。
电热发射技术也称电热炮。它是利用燃烧室内两电极间形成高压电弧放电,使燃烧室内的工质产生等离子体、形成热压力及部分电磁力来加速弹丸。电热炮和电磁炮若要达到期望效果,对硬件的要求很高,有可能影响火炮的机动性能。因此,虽然理论问题基本上得到了解决,但真正列装还未见报道。 电热—化学混合发射技术也称电热-化学炮。它使用电能和化学能混合能源,利用电热发射技术产生高温等离子体流,使火药充分释放出大量化学能,以热压力推进弹丸运动。其原理如图5所示。两种能源的分配比例,视弹丸要求的初速而定。美国FMC公司已研制了功率9兆焦耳的120毫米电热·化学炮。
改变弹丸结构 (1)改变弹丸形状减阻 弹丸在空中飞行的空气阻力主要是“零升阻力”,由垂直弹丸表面的压力引起的波阻、空气的粘性引起的摩擦阻力、弹体后部低压区形成的底部阻力(底阻)组成。上述各阻力的阻力系数与弹丸形状有关。弹形减阻的关键是减小波阻和底阻,对波阻影响最大的是全弹长度以及弹头长度占全弹长度的比例,对底阻影响最大的是尾部长度和船尾角。因而,用改变弹丸形状的方法来减阻,就是针对以上影响因素。如155毫米低阻远程榴弹,弹丸几乎没有圆柱部分,头部占全弹长的80%。如图6所示。
(2)空心弹丸减阻
空心弹丸是相对于实心弹丸而言的超声速旋转稳定弹丸。最简单的空心弹丸就是一个中空的圆管,理论形状如图7所示。由于空心弹丸沿轴线是一个通孔,几乎所有靠近圆管前端面的空气都可以从中流过。如果设计合理,在头部、空心管和尾部都可以形成均匀的超音速流场。从理论上讲,就可以基本上消除约占总阻50%的头部激波阻力和约占总阻40%的尾部涡流阻力。这样就从根本上改善了弹丸的气动特性,从而增大有效射程、缩短飞行时间、增加对目标的能量传递。空心弹丸减阻技术已经比较成熟,但提高威力和优化弹托等方面还需要进一步发展。加拿大105毫米L7A1型坦克炮脱壳穿甲弹,就采用了空心弹丸减阻技术。 外部加能加热减阻 (1)底排增程 圆柱形弹丸的弹尾部形成低压区(即周围被气体边界包围的低压空间),造成底部阻力。如图8所示。底排增程技术根据气体热力学原理,向弹尾部的低压区排入质量、热量(即加能、加热),提高这一空间的压力,从而减小底阻、增大射程。目前,底排技术已经比较成熟,各国已有装备。如比利时155毫米榴弹炮原射程为30千米,改用底排增程弹后达到39千米,增程率为30%。我国59式130毫米加农炮采用底排增程弹,射程从27千米增加到38千米,增程率达40%。
(2)火箭增程
火箭增程弹靠火箭发动机产生的高速后喷气流对火箭产生反作用力,再加上火箭发动机出口处的压力与大气压力之间的压力差,产生向前的推力,增大火箭向前的速度从而达到增程目的。如图9所示。由于火箭弹的弹体内要装燃料,因而对战斗部的威力有一定负面影响。火箭增程技术在二战期间就已开始研究了。在各国新近研制的先进火炮系统中仍有利用,如法国射程33千米的155毫米TR1火箭增程弹,俄罗斯射程50千米的203毫米2S7火箭增程弹。 滑翔增程技术
滑翔增程弹是弹体上装有翼面的炮弹,如图10所示。增程原理是:炮弹在以一定速度飞行、保持一定攻角的情况下,能依靠弹翼产生向上的升力,使炮弹的高度降低很慢,从而飞行较远的距离、达到增大射程的目的。国外已有的滑翔增程弹有英国的XM982式155毫米复合增程弹等。 增程与射击精度 发射武器增程技术的发展受战术要求和技术水平的制约。其中,最主要的影响因素是增程与射击精度的矛盾。为提高增程发射武器的射击精度,采取了两种解决办法。 一种方法是“弹外法”,即从炮弹、火箭弹以外想办法。70年代以后,由于提高了目标探测、定位定向、气象诸元探测、射击精度诸元解算等环节的精度,得以在不影响射击精度的情况下实现增大射程,火炮和火箭炮系统增程与射击精度的矛盾初步得到解决。 另一种方法是“弹上法”,即从炮弹、火箭弹自身想办法。采用弹道修正、简易控制、末端敏感和末制导等方法,从弹上解决搜索、识别、跟踪、瞄准目标的问题,从而使增程不与射击精度发生线性关联,消除了射击精度对增大射程的限制。 增程技术的发展方向 从20世纪60年代开始,远程火炮与无控火箭以每10年约25%～30%的速度增加的,地面火炮的最大射程已达40～50千米,已研制成功的远程火箭射程可达70千米,正在研制射程150千米以上的超远程火箭炮。在未来,发射武器的射程还会进一步增大,各种复合增程技术将起主导作用,冲压增程技术、滑翔增程技术将会发展到工程应用阶段。新型发射能源将使发射武器获得更高的初速,使发射武器的射程得到大幅度提高。 |
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