火炮反后坐技术发展现状与趋势.pdf

2024年 第1期（总217期）CFHI设计与计算一重技术火炮是人类历史上很早出现的热兵器，公元13世纪在我国出现的突火枪被认为是火炮的雏形，13世纪以后，火器技术在欧洲得到快速发展。火炮在战争史上发挥重要作用1。在拿破仑时期，炮兵是最受重视的兵种之一。在第一次世界大战中，炮战是一种极其重要的作战方式。在第二次世界大战的部分战线上，平均每3 m布置一门火炮，火炮也得到“战争之神”的美誉2。1973年第四次中东战争中被毁的3 000辆坦克中的50%是被火炮命中的。上世纪90年代初爆发的海湾战争被普遍认为是一场典型的信息化战争，在这场战争中，火炮仍是夺取战争最终胜利的火力骨干。2022年初爆发的俄乌冲突已经具备智能化战争特征，而火炮仍然是交战双发非常依赖的火力打击手段。可以预见在未来战争的装备体系中，火炮仍将占据重要地位。火炮在不同时期的战争中都能发挥重要作用，离不开自身的技术发展，在火炮技术发展过程中，伴随着火炮的口径、膛压、身管长度的增加，炮膛合力及后坐力不断增大，需要质量更大的炮架承受炮膛合力或后坐力，导致火炮机动性下降。也就是说，火炮的威力和机动性是火炮发展中的一对突出矛盾，为了缓解这一矛盾，人们分别沿缓冲后坐运动和降低射击冲量两条路径出发，不断发展火炮的反后坐技术。1后坐缓冲技术后坐缓冲技术的总思路是在火炮后坐冲量确定的情况下，以弹性介质和吸能介质转化吸收后坐动能，最早出现的是弹性炮架。而在此之前，火炮发射时炮架受力大小约等于炮膛合力，火炮非常笨重。19世纪末，法国 M1897式 75 mm野战炮研制成功，该型火炮用弹性缓冲装置连接炮架和炮身。火炮发射时，炮身及后坐部分可以在炮架上沿炮膛轴线后坐运动，炮架承受的力由较短时间较大幅值的炮膛合力，缓冲为较长时间较低阻力的后坐力。装有弹性缓冲装置的炮架称为弹性炮架。弹性炮架受力大幅度减小，全炮质量同步降低，是火炮技术1.海军大连舰艇学院舰船指挥系战术教研室助教，辽宁大连11601310.3969/j.issn.1673-3355.2024.01.005摘要：从火炮后坐缓冲技术和射击冲量降低技术两条线索出发，梳理火炮反后坐技术的发展思路，介绍不同反后坐技术的特点和应用效果。关键词：反后坐；弹性炮架；后坐冲量中图分类号：TJ3文献标识码：B文章编号：1673-3355（2024）01-0005-03Development Status and Trend of Artillery Recoil Reduction TechnologyTan ZhonglinAbstract:This paper introduces the development trend of artillery recoil reduction technology from two aspects includingrecoil buffering technology and firing impulse reduction technology,and summarizes the characteristics and effects ofapplication of different recoil reduction technologies.Key words:Recoil reduction;elastic gun mount;recoil impulse火炮反后坐技术发展现状与趋势谭中林114CFHI2024年 第1期（总217期）设计与计算CFHI TECHNOLOGY上的一次飞跃。现代火炮的后坐缓冲技术仍然基于弹性炮架，但为了进一步适应战争对炮火威力和机动性的要求，火炮后坐缓冲技术从不同方向进一步发展。1.1后坐循环创新1912年，法国研制了一型2.65英寸山炮3，与一般火炮的后坐循环顺序不同，这门火炮在发射之前先将后坐部分向后拉，然后释放，使其在复进机的推动下获得向前运动的前冲速度，火炮在前冲过程中击发，以前冲动量抵消部分后坐冲量，进而降低后坐力，采用这种循环的火炮称为前冲火炮。第二次世界大战以后，美国、英国、南非均有研制中大口径前冲炮的经历，并获得部分成功，但由于前冲原理的一些技术难题难以可靠解决，采用这种原理的反后坐装置并没有成为中大口径火炮的主流。由于采用前冲原理的火炮在复进运动未停止时击发，相当于缩短了后坐复进循环时间，可以大幅提高射速，所以这种原理在追求高射速的小口径速射炮上广泛应用并获得巨大成功，例如小口径高炮、舰炮、航炮。采用这种原理的小口径火炮自动机也被称为浮动自动机。1.2后坐运动控制技术在大部分反后坐装置中，火炮的后坐动能主要转化为两大部分，一是后坐过程中复进机通过弹性介质存储一部分能量用于复进运动，二是被后坐制动器和复进节制器液压阻尼吸收。在一个流液孔面积和活塞面积不变的简单液压阻尼机构中，所产生的阻力与活塞运动速度的平方成正比，如果将这种简单的液压阻尼结构应用到反后坐装置中，会造成在后坐起始阶段后座速度大时液压阻力非常大，而随着后坐速度降低，液压阻力也快速衰减，不利于降低火炮后坐力。于是，人们从不同角度出发，寻找降低后坐力峰值的办法。（1）截流槽变化规律为降低后坐阻力的峰值，人们通常为火炮驻退机设计随后坐距离变化的流液孔。在后坐速度大的起始阶段，流液孔面积大，随着后坐距离增大，后坐速度变小，流液孔面积也逐渐变小，可以有效降低后坐力峰值，也是目前火炮反后坐装置运用最普遍的方式。由于流液孔的变化规律是根据火炮在某一特定射击条件设计的。实际应用中，受射击角度、装药量、环境温度差等因素的影响，后坐阻力的阻力峰值往往不同。从控制理论看：火炮驻退机的流液孔面积是后座行程的固定函数，无法接收后坐力的反馈，不能动态调整阻尼，是一种开环控制。上世纪后半叶，人们将现代闭环控制技术用于火炮后坐力控制。（2）液压伺服阀控制技术上世纪70年代末，美国陆军为进一步减小火炮后坐力，实现轻量化，提出一种反后坐闭环控制装置。当火炮后座时，伺服阀接收后座速度和后座阻力等参数反馈，动态控制伺服阀的开闭度，实现闭环控制4。随后在 M37式 105 mm 榴弹炮上进行试验和优化，并于1981年申报专利。1985年，美国又在 M198式 155 mm 榴弹炮上进一步试验研究，据报道可降低阻力峰值20%30%。（3）磁流变液反后坐技术20世纪40年代，人们发现将微米级的铁磁颗粒与低磁导率液体混合成的特殊悬浮液在无磁场情况下与低粘度的牛顿流体相似，在磁场作用下，其粘度会发生急剧变化，并且粘度变化随磁场强度变化的响应可达毫秒级，易于控制。这种特殊的悬浮液被称为磁流变液，这种特性被称为磁流变效应。磁流变技术推动了反后坐闭环控制技术的发展。美国结合前冲炮、航炮、舰炮等进行了一系列试验，结果表明:通过磁流变可以实现对火炮后坐运动的闭环控制，降低后坐阻尼力峰值5。（4）电流变液反后坐技术与磁流变液类似，电流变液是用固体电介质颗粒和不导电的母液混合制成的悬浮液，在外电场作用下，电流变液的粘度可在几毫秒内在自由流动状态和粘稠态之间迅速改变，并且其过程可逆可控6。电流变液出现后也被用于火炮反后坐装置的改进设计。1.3射击稳定性提高技术（1）变后坐长技术火炮在水平状态下射击时，由于炮膛轴线通常高于地面，会出现火炮绕驻锄支点向上翻转的趋势，为了抑制这种趋势，需要火炮自身具有一定重量，而在火炮重量减轻的情况下，也可以通过加大后坐行程，进一步降低后坐力，弱化这种趋势。但增大后坐长又不利于高射角的设计，由于后坐力方向改变使火炮翻转的趋势减弱甚至消失，会导致后坐部分撞击地面。也就是说：低射152024年 第1期（总217期）CFHI设计与计算一重技术角下需要较大的后座长提高射击稳定性，高射角时又要避免大后坐行程导致触地，为此发展出变后坐长技术。采用这一技术的流液孔控制阀门与火炮俯仰部分联动，低射角时流液孔变大，后坐长增加，以获得较小的后坐阻力，弱化翻转趋势7；高射角时流液孔变小，后坐长减小，保证后坐部分不撞击地面。采用变后坐长技术的火炮有美国的M198式155 mm榴弹炮。（2）曲线后坐技术曲线后坐技术是另一种提高火炮射击稳定性的技术，与传统火炮后坐部分沿炮膛轴线方向后坐不同，采用这种技术的火炮后坐部分沿向上弯曲的曲线导轨加速向上运动，产生向下的惯性力，抑制火炮的翻转趋势。英国一型155 mm轻型牵引榴弹炮采用曲线后坐技术，其重量只有同口径牵引火炮的一半，但仍能保证足够的射击稳定性8。除以上两种技术外，还有二维后坐技术，串联后坐技术，均可有效降低后坐力并保证射击稳定性，但由于结构复杂，没有得到普遍应用。2射击冲量降低技术火炮发射过程中，弹丸和火药气体获得向前的冲量，火炮后坐部分在这一过程中根据动量守恒定律获得反方向冲量。由于人们只希望弹丸获得动量，火药气体的动量则是副产品，如果能在保持弹丸动量的情况下降低火药气体向前的冲量，则可降低后座部分的向后冲量，进而降低后座动能和后坐力。按这一思路，火炮反后坐技术沿另一条路径发展。2.1炮口制退器1842年，法国人在一门火炮身管靠近炮口处加工出一组向后倾斜的侧孔，这些侧孔能使原来向前运动的部分火药气体改向侧后方运动，降低火药气体向前冲量，最终降低后坐力，这就是炮口制退器的雏形。1863年，法国人为105 mm火炮研制了正式的炮口制退器，该制退器的主体结构为36个直径6 mm，向后倾斜45的侧孔。到今天，除坦克炮、舰炮及一些特殊火炮以外，大部分火炮都配备炮口制退器，制退效率低的达到 10%20%，高的则达到40%50%。2.2无后坐力炮炮口制退器虽能有效降低后坐力，但由于降低幅度有限，并且炮口后方冲击波超压增强，影响设备和人员的安全。1914年，美国人发明了一种平衡炮，火药气体在膛内同时推动两个质量相等的弹丸向两端等速运动，以达到动量平衡的目的。平衡炮最显著的缺点是以两门普通火炮的结构实现一门火炮的作战效果。1936年，苏联公布了一种76.2 mm无后坐力炮，这种火炮通过炮闩上设计喷孔，使火药气体向后高速喷出，实现发射时的动量平衡。在第二次世界大战中，无后坐力炮由于重量轻，便携行，成为步兵克制装甲目标和工事的有效武器，得到广泛应用。但因炮闩带喷孔，导致膛压难以提高、初速不高，射程较小9。2.3膨胀波火炮膨胀波减小后坐力技术是无后坐力技术的扩展。由美国陆军于1999年提出。这种火炮发射时，在弹丸出炮口之前的某个时刻打开炮尾，高压火药气体通过喷管向后加速喷出，产生反后坐力10。此时身管膛底压强立刻下降，而弹丸底部的压强不会立即下降，直到膛底因压强下降产生的膨胀波以音速向弹底方向运动并追上弹丸才会导致弹底压强下降。因此，如能精确控制炮尾打开时间，使膨胀波在弹丸出炮口瞬间追上弹丸，弹丸初速完全不受影响，而后坐冲量可以最大幅度下降。目前，美国已在坦克炮、榴弹炮等多个口径的火炮上应用膨胀波技术，据报道，该技术可以降低75%以上后坐力。3结语随着控制技术不断发展，闭环控制反后坐技术有望突破可靠性方面的瓶颈，得到大范围的应用；在射击冲量降低技术方面，炮口制退器和无后坐力炮已经广泛应用，膨胀波技术更能对火炮带来革命性的发展。可以预料，随着威力和机动性不断上升，火炮这一古老武器在未来战争中仍会扮演重要角色。参考文献 1 谭中林.基于CFD的低冲击波炮口制退器研究D.南京理工大学,2009 2 张磊.浅谈火炮与自动武器的发展现状与趋势J.国防科技基础,2008(10)：35-37.3 张志坚.前冲式反后坐装置设计研究D.南京理工大学，2007 4 徐新奇，韩晓明，李强，梁兴旺.阀控反后坐装置设计与仿真研究J.兵器装备工程学报，2019，40（下转第20页）162024年 第1期（总217期）CFHI设计与计算一重技术向速度存在明显分层现象。轴向速度小的冰屑颗粒主要堆积在靠近螺旋轴处，轴向速度大的冰屑颗粒主要堆积在靠近孔壁和紧挨螺旋叶片处。这是因为靠近二者处，冰屑颗粒受摩擦力较大。因箱体底部存在较多闲置颗粒，故选取稳定输送状态下的两个螺距作为监控区域来量化研究冰屑颗粒的平均轴向速度，得到冰屑颗粒05 s内平均轴向速度随时间的变化曲线（见图7）。由图可知，冰屑颗粒平均轴向速度随螺旋转速的增加而增加，去除跳动颗粒后得到螺旋转速为600 r/min、550 r/min、500 r/min、450 r/min时，冰屑颗粒达到稳态的平均轴向速度分别为 1.03 m/s、0.82 m/s、0.70 m/s、0.64 m/s。且螺旋转速越高，冰屑颗粒到达稳定状态所需时间越短。在稳定输送状态下得到冰屑颗粒理论计算下的平均轴向速度与仿真模拟得出平均轴向速度（见表4）。可知在不同螺旋转速下，冰屑颗粒平均轴向速度的理论计算值与仿真分析值的相对误差在12%以内。证明本文仿真模型与数学模型的推导是合理的。5结语（1）以月球极区水冰资源获取为目的，提出使用外螺旋钻进进行钻头外采冰方法。与传统采样方式有原理性区别，具有创新性和实用性，可为后续月球水冰采集提供借鉴。（2）建立冰屑螺旋输送的受力、速度模型，得到临界转速表达式并推导出影响冰屑运移轴向速度的关键因素。（3）通过EDEM仿真，发现使用外螺旋方法采冰时，螺旋转速的增大有益于提高取冰效率。冰屑颗粒平均轴向速度的相对误差小于12%，验证数学模型与仿真研究的正确性。参考文献 1 吴言蔚,贺佳峰.月球内部水和月表水冰资源研究进展J.高校地质学报,2023.2 吴伟仁,于登云,王赤,等.月球极区探测的主要科学与技术问题研究J.深空探测学报(中英文),2020,7(03):223-231;240.3 Carpenter J,Houdou B.Establishing lunar resource viabilityJ.Space Policy,2018:52-57.4 Crawford I,Elvis M,Carpenter J.Using extraterrestrial resources forscienceJ.Astronomy and Geophysics,2016,57(4):432-436.5 Zheng Y,Yang M,Deng X,et al.Analysis of Change-5 lunar coredrilling processJ,Chinese Journal of Aeronautics,2023,36(2);292-303.6 Zou Y,Liu Y.Overview of Chang E series and the scientificobjectives and payloads for Chang E-7 missionC.51st Lunar andPlanetary Science Conference.Woodlands,Texas,2020.7 Heather D.The ESA prospect payload for LUNA 27:developmentstatus and science activitiesC.52nd Lunar and Planetary ScienceConference.2021.8 于强,王志浩,等.月球极区水冰钻取模拟试验系统研究J.航天器环境工程,2022,39(05)：455-459.9 赵刚.月壤取芯动态过程复杂力学行为及分析方法D.湖南大学,2021.10 庞勇,王国欣,等.月球浅层月壤螺旋钻具进芯机制设计J.深空探测学报(中英文),2021,8(03):252-258.11 洪嘉琳.浅层电动机械钻具设计及其冰屑螺旋输送理论研究D.吉林大学,2017.12 刘德赟,王露斯,孙启臣,等.月球极区冻土模拟月壤钻进试验研究J.科学技术与工程,2018,18(25):256-261.13 冯云杰.基于本征正交分解的垂直螺旋输送离散元仿真研究D.武汉理工大学,2020.14 张睿.冰载荷作用下船舶结构的疲劳分析D.大连理工大学,2020.DOI:10.26991/ki.gdllu.2020.002005.15 倪宝玉,魏宏宇,王军,等.冰的离散元数值模型参数分析J.中国造船,2023,64(02):36-48.收稿日期：2023-10-11图7不同转速下冰屑颗粒平均轴向速度随时间变化曲线表4理论计算与仿真分析得到的平均轴向速度螺旋转速(r/min)450500550600理论计算(m/s)0.560.620.730.95仿真分析(m/s)0.640.700.821.03相对误差(%)11.111.410.97(03)：31-33 5 臧传相.磁流变阻尼器的力学特性及其在火炮反后坐中的应用研究D.南京理工大学,2011 6 王国辉，高雷，刘云泉.基于电流变液的火炮反后坐技术研究J.装甲兵工程学院学报，2006(01)：37-39 7 李回滨.一种变后坐长火炮反后坐装置设计与优化研究D.沈（下转第3页）（上接第16页）20CFHI2024年 第1期（总217期）设计与计算CFHI TECHNOLOGY除鳞集管分为上下两排，除鳞上集管两端通过支架安装在机架上，除鳞下集管安装在机架中设置的支座上，两对除鳞集管与公共除鳞系统连接。除鳞集管上安装高压喷嘴，上、下喷嘴的喷头彼此交错，使水侧向不分散地喷射到钢带上。在本次改进设计中主要针对传统上集管升降方式，改进后使上集管由绕一点旋转上升优化为垂直升降（见图2）。图中的点A为摆杆铰链点，点B为液压缸铰链点，C是导向架，喷嘴喷射角度，摆杆和喷嘴间角度，喷嘴长度l，喷嘴距板坯上表面高度H，喷嘴距辊面高度L，中间坯厚度h。其中，l、均为固定值，设计时将hmin作为设计基准，与喷嘴喷射角共同分析计算H，计算结果为最优喷射距离。由于传统结构除鳞机液压缸的升降方向与板坯厚度变化方向有夹角，导致液压缸行程与板坯厚度变化为非线性关系，当h变化时，为了保证H不变，原除鳞机需通过液压缸将喷嘴抬起，使喷嘴喷射角会发生改变，降低水流进入氧化皮底部的效率，除鳞效果变差。改进后，在喷嘴距辊面高度相同的情况下，集管升降方向与h变化方向一致，液压缸行程与板坯变化厚度呈现线性关系（见图3），由于h变化导致除鳞效果降低的问题得到解决。4结语该除鳞机安装调试后现已投产，满足用户使用需求，除鳞效果良好。参考文献 1 武云昆,王华,言锡九.昆钢新型板带除鳞装置的改造与应用J.云南冶金,2007(1):66-69 2 陆善忠.热轧高压水除鳞系统的设计J.上海金属,2001(2)：19-22收稿日期：2023-12-18图3夹送辊液压缸与喷嘴距板坯表面关系图（a）改进前（b）改进后图2精轧除鳞机夹送辊升降机构简图阳理工大学，2018 8 何永，杨军荣，高树滋.曲线后坐火炮后坐阻力规律的分析与研究J.南京理工大学学报,1997(03)：217-220 9 谈乐斌，张相炎，管红根，等.火炮概论M.北京：北京理工大学出版社，2005 10 张帆.膨胀波火炮发射原理及其在常规结构枪炮中的应用D.南京理工大学，2008收稿日期：2023-12-18（上接第20页）3