设计合理的底排弹药剂配方及点火具的重要性

底排弹全称为底部排气弹，是指在弹丸尾部用螺纹连接一个底部排气装置（简称底排装置）所构成的炮弹。底排装置由底排装置壳体、底排药柱和点火具等组成。底排药柱可选用复合药剂或烟火药剂。底排弹是瑞典于20世纪60年代中期首先开始研制的。在此之后，许多国家也积极研究和发展了这种弹丸。

（1）底排增程原理

图3-36　尾流区的流动

1—扇形膨胀区；2—喉部；3—尾激波；4—尾迹驻点。

底部排气弹减阻增程原理：弹丸飞行时，弹底部形成低压区，产生底部阻力。排气装置向低压区排入质量与能量，提高底压，从而减小底阻，如图3-36所示。底部排气弹最大底阻减阻率为50%～70%，弹丸底阻与总阻的比值越高，排气弹道的减阻率越高，一般增加射程为15%～30%。与其他增程法相比，底部排气弹具有低阻弹药特性，全弹道可分为底排工作段和惯性飞行段两部分，有较高的增程效率，提高了弹丸存速，增加了撞击能，或保持存速则可减小初速，增加武器的机动性；具有结构简单、弹丸威力不降低等优点。关键技术是底排装置的发射安全和作用可靠，控制底排药柱点火和燃烧过程的一致性和稳定性等。

从这一原理可以看出，底排增程与火箭增程虽然都是向尾部区域排气，但是二者有本质的区别。前者是提高底压，减小底阻，属于减阻增程；后者是利用动量原理，提高弹丸的速度。底排的作用效果由3方面因素组成，即加入质量的效果、加入能量的作用效果和动量变化的作用效果。

（2）底排装置

底排装置旧称底喷装置，是指装于弹丸底部，使弹丸在飞行中能产生燃气，以提高底压，减小底阻，增加射程的装置。通常，弹丸在空气中高速飞行时，弹头部空气压力高，弹尾部空气压力低，产生压力差，形成底阻，使弹丸飞行速度下降，射程减小。采用底部排气装置后，在发射过程中，排气药柱被膛内火药燃气点燃，在升弧段稳定地缓慢燃烧，高温燃气进入由于弹丸高速运动所造成的弹底稀疏区，从而提高该区的压力，减小弹头部与弹底部之间的压力差，使弹底阻力大大下降（图3-37）。由于降低了弹丸在弹道上所受的空气阻力，因而射程增加。

①底排装置的设计要素。底排榴弹的底排装置设计是至关重要的。底排装置的设计要素主要有：

一是底排药剂的性能。底排药剂配方影响底排药柱的力学性能、弹道性能、生产工艺性能和勤务使用性能。底部排气弹研制过程中的大量试验证明，不同药剂配方对底排减阻效果影响较大。

二是排流参量和工作时间。底排工作时的排流参量应控制在一定的范围内。底排工作时间不宜过长，通常为弹丸全弹道飞行时间的1/4左右。

三是船尾部长度与船尾角的选取。船尾角和船尾部长度直接影响尾流区的流动状态，也就是对底压或底阻产生影响，同时影响底阻占总阻的比例。在这种情况下，底部排气的减阻效果一定受到影响。理论计算和试验证明，在一定的初速、射角、排气参数的条件下，存在减阻最大的最佳船尾角，一般为2°～3°；在船尾角减小的同时改善了弹尾部的机械强度，也提高了弹丸的稳定性。

四是底排弹底板结构参数。底部排气弹底板结构参数包括排气孔面积比、排气孔形状与位置、燃烧面积与排气孔面积比等。排气孔面积与弹底面之比被称为排气面积比。在冷排气的条件下，它对减阻效果影响较明显，但是在实际药剂工作条件下，影响不大。排气孔的形状与位置对点火过程有一定影响。药柱燃烧面积与排气面积之比，有一极限值，小于这一极限值，对减阻有一定影响。

底排挡板排气孔的结构，通常被设计为中心排气结构。这主要是针对复合剂燃烧时要求具有较高的环境压力的情况。但是当排出气体的分子动量较大时，采用这种结构会使气体产生较强的引射作用，带走一部分气体，出现旋涡，使底压降低，降低底排装置的减阻效果。而烟火剂的燃烧机理与复合剂不同，不要求较高的环境压力，所以在设计底排挡板的时候，可以增加排气孔面积，将其设计为底部均匀排气结构。两种排气结构的燃气流场如图3-38所示。

图3-37　无底排与有底排情况下的阻力系数对比曲线

1—无底排；2—有底排。

②底排装置的类型。底排装置一般采用复合药剂和烟火药剂两种底排装置结构。

一是复合药剂底排装置。复合药剂底排装置一般由钢接螺、底排药柱、点火具和底排壳体等部件组成，如图3-39所示。

图3-38　两种排气结构的燃气流场

（a）中心排气；（b）均匀排气

图3-39　复合药剂底排装置结构

1—钢接螺；2—底排药柱；3—点火具；4—底排壳体。

钢接螺的作用是将弹丸战斗部壳体与底排壳体相连接，并固定点火具。底排壳体的作用是将底排药柱径向与轴向固定，提供药剂燃烧的空间，并通过其底端的排气孔控制药剂的燃烧规律与燃气的排出流率。根据底排弹总体结构设计的需要，通常底排壳体材料采用LC4或LY12硬质铝合金。底排药柱的作用是按预先设计的燃烧面维持一定时间、一定燃烧规律的燃气生成。

复合型底排药剂燃速较低，密度较小，通常需要独立的点火具。这些特点对减阻效果和总体结构匹配设计都不太有利，但复合型药柱通常被设计为中空多瓣结构，发射时高温高压燃气充满底排装置，使其具有很好的抗高过载能力，采用中孔面和缝隙面燃烧方式。复合型底排药剂在火炮膛内由发射药的高温高压气体点燃，但在炮口附近卸压时会出现被抽灭的现象，故为了确保底排弹的最大射程密集度，需要点火具提供持续的燃气，维持底排药柱的持续燃烧。

点火具的作用是在火炮膛内和炮口附近维持一定时间的持续燃烧。其燃气应确保底排药柱全面可靠地点燃。点火具内装有由锆粉、镁粉和黑火药等混合而成的点火药剂，一经火炮发射时发射药的高温高压气体点燃后，就能维持一定时间的持续燃烧，在炮口卸压时也不会被抽灭，从而可以提供持续的燃气，维持底排药柱的持续燃烧。

二是烟火药剂底排装置。烟火药剂底排装置一般由底排药柱、挡药板和底排壳体等部件组成，如图3-40所示。(www.xing528.com)

图3-40　烟火药剂底排装置结构

1—底排壳体；2—底排药柱；3—挡药板。

烟火型底排药剂燃速高，排气流量大，密度大，不需要独立的点火具。这些特点对减阻效果和总体结构匹配设计都是有利的，但为了满足发射时抗高过载的强度要求，其药柱通常被设计为实心整体结构，并采用端面燃烧方式。

烟火药剂底排装置通常需要独立的挡药板。该挡药板采用多孔结构形式，既能有效地支撑烟火药剂，又能提供较大的通气面积。

（3）底排弹的结构组成

底排榴弹都是旋转稳定弹丸，在外形设计上主要有圆柱形和枣核形两种形式。图3-41和图3-42分别给出了圆柱形和枣核形两种形式的底排榴弹结构示意图。圆柱形底排榴弹由卵形头部、圆柱部、船尾部、定心部、弹带和底排装置组成。枣核形底排榴弹由卵形头部、船尾部、定心部、弹带和底排装置组成。

图3-41　圆柱形底排榴弹结构

1—引信；2—弹体；3—炸药；4—弹带；5—底排装置。

图3-42　枣核形底排榴弹结构

1—引信；2—定心块；3—弹体；4—炸药；5—弹带；6—闭气环；7—底排装置。

底排榴弹15%～30%的增程率主要由减小底阻得到，所以其外形结构设计必须以提高底阻占总阻的比例份额为目标。一般通过增加弹丸总长、增加卵形头部的曲率半径和长度，缩短圆柱部长度，增加船尾部长度，减小船尾部船尾角度等措施来实现。同时，底排增程效果又与弹丸飞行马赫数有极大的关系，希望在底排装置工作期间弹丸飞行马赫数大于2.5，这就要求底排榴弹的初速不低于2.5Ma。

在超声速条件下，对于一般圆柱形弹丸，底阻占总阻的30%左右。对于低阻（枣核形）远程弹，底阻占总阻的50%～60%（由于枣核形弹丸对弹丸威力发展制约较大，以及定心块加工工艺复杂等原因，该弹形不太常用）。对于圆柱形远程弹，通常底阻占总阻的40%～45%。

瑞典发展的105 mm底部排气弹的弹丸质量为18.5 kg（用铝制底排装置外壳时为17.3 kg），排气装药柱质量为0.33 kg（75%过氯酸胺和25%端羧基丁二烯），药柱呈中空圆柱形，并分为两半（药柱长57 mm，外径76 mm，内径25 mm），底螺盖上的喷气孔直径为25mm。喷气药柱的燃烧温度为3 000°左右，燃烧时间为22 s。该弹可增程25%～26%。比利时发展的155 mm底部排气弹的质量为46.7 kg，弹丸长度为950 mm，炸药装药量为8.8 kg B炸药。其最大射程达39 km，与不加排气装置相比可增程30%。

（4）底排弹的优点

与火箭增程弹相比，底排弹有下列优点：

一是底部排气弹的结构比较简单，只需要在弹底的底凹内加装排气装置即可。

二是底部排气弹可以基本上不减少弹丸的有效载荷（战斗部质量），因而不会使威力降低。

三是底部排气弹由于空气阻力减小，从而缩短了弹丸在空气中的飞行时间，这就使外界对弹丸运动的影响减小，使弹丸的散布情况得到改善。

四是由于底部排气装置的燃烧室工作压力低，因而对装置壳体的要求低。实际上，可以利用原来的底凹弹加装排气装置来实现增程，而不必采用特殊的提高强度的措施。这在技术上容易实现。

因此，底排弹可以说是一种比较实用的、性能较好的远程榴弹。目前世界各国普遍采用底排与火箭复合技术来增程。由于炮弹射程增加总是伴随着其散布范围的增大，所以在远射程榴弹中普遍采用了弹道修正技术、制导技术来提高远程榴弹的射击精度。

（5）典型底排弹

挪威北欧弹药公司与瑞典博福斯公司联合研制出一种新型155 mm全膛底排增程榴弹，从52倍口径155 mm火炮系统发射时，其射程超过40 km，其结构如图3-43所示。

图3-43　挪威155 mm全膛底排增程榴弹结构

这种新型榴弹被称为HEER Mk2（增程榴弹）或改进型HEER-FB/BB（全膛底排增程榴弹），加装引信时，弹丸全长909 mm，质量为45 kg。与增程榴弹相比，改进型HEERFB/BB具有改良的流线型外形。弹丸壳体上有双焊接弹带，能够更好地承受52倍口径火炮的膛压，并且当弹丸沿加长的身管前行时，弹带不易从弹丸壳体上脱落下去。改进型HEERFB/BB弹丸中TNT炸药的装药量增加了650 g，达到9.15 kg，并采用破片特性更好的弹丸壳体材料（AISI 437），毁伤威力提高了约50%。