炮口制退器研究现状及发展趋势.pdf

炮口制退器是火炮反后坐装置之一 通过后效期火药气体的冲击 能够显著减小火炮后坐动能降低火炮后坐力 有利于提高射击精度和射速等 但同时也会产生炮口冲击波、噪声等危害 按结构特点将炮口制退器分为冲击式、反作用式和冲击反作用式 种类型 总结了一种适用于多种炮口制退器制退效率的计算方法 研究了炮口制退器的国内外发展现状 对比了各国主力火炮所采用的炮口制退器的类型 并提出了炮口制退器的轻量化、高效低危害、结构优化、高性能涂层、增强数值仿真能力等发展趋势 对炮口制退器的发展具有一定的参考意义关键词:炮口制退器 制退效率 关键技术 发展趋势中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:.:大威力、远射程、高精度以及高机动性是现代火炮的重要发展方向 而大威力、大射程也意味着更大的发射载荷及更大的后坐力从而导致火炮振幅增大、质量增加、机动性能下降 作为降低火炮后坐力的重要方法之一炮口制退器能够有效减小火炮后坐动能降低火炮射击的后坐力提高射击稳定性、射击精度增强火炮机动性 根据炮口制退器的外形结构及工作原理可以将炮口制退器分为冲击式、反作用式、冲击反作用式 种类型 笔者详细分析了各种类型的炮口制退器的优缺点、适用范围等对制退器类型的选择、设计、优化提供参考火炮发射与控制学报第 卷炮口制退器的效率是衡量其性能的一个重要参数制退效率的高低直接影响着火炮后坐力的大小、射击精度、火炮射程以及炮口冲击波 笔者总结了一种通过理论计算得到制退效率的方法该方法适用于计算各种类型的炮口制退器的制退效率笔者对炮口制退器的国内外发展现状进行总结分析了目前影响炮口制退器发展的关键技术包括轻量化技术、性能优化技术、数值仿真技术、结构优化技术、高性能涂层等并对炮口制退器的发展趋势进行了总结对炮口制退器的未来发展具有一定的指导意义 炮口制退器的类型及制退效率.炮口制退器的类型目前炮口制退器的分类依据主要是其结构形式根据结构形式可以分为冲击式炮口制退器、反作用式炮口制退器、冲击反作用式炮口制退器 种类型如图 所示冲击式炮口制退器特点是腔室个数少、直径大一般有两个腔室腔室直径一般大于 倍身管口径侧孔面积大、数量少 火药气体经第 个腔室膨胀后部分从第 腔室的侧孔流出流出过程中火药燃气冲击反射挡板产生制退力 经过第 腔室膨胀后火药气体压力减小因此第 腔室结构尺寸小于第 腔室以便产生较大的制退力 相比于其他结构形式的炮口制退器冲击式炮口制退器有较高的制退效率缺点是腔室直径大反作用式炮口制退器腔室直径一般小于.倍口径具有多排侧孔侧孔一般为圆形或长条形有时为了火药气体更好地膨胀加速也设计成喷管结构 因这种炮口制退器腔室直径较小火药气体未能充分膨胀加速因此在进入侧孔之前具有较高的压力火药气体达到侧孔孔口时部分火药气体在高压作用下流入侧孔在侧孔膨胀加速后向后方喷出产生一个向前的反作用力从而减小火炮的后坐阻力 因为侧孔较小产生的制退力小为了提高制退效率反作用式制退器采用多排侧孔通过多级制退的方式来达到预期的制退效率 与冲击式炮口制退器相比制退效率低但是腔室直径小能够适应对炮口制退器直径要求较高的情况冲击反作用式炮口制退器兼具上述两种炮口制退器的特点其直径一般在.倍身管口径之间反射挡板面积较小制退效率位于两者之间目前多数火炮均使用冲击反作用式炮口制退器.制退效率炮口制退器的制退效率是衡量炮口制退器性能的重要参数 炮口制退器的作用时间在火炮发射的后效期内通过腔室、侧孔以及反射板等对后效期火药气体的流量与流速进行控制能够对炮身提供一个制退力从而减小火炮后坐力如图 所示 在后效期内炮口制退器周围的火药气体流场非常复杂具有明显的非线性特征准确计算火药气体对炮口制退器以及身管的作用力从而得到炮口制退器的制退效率对火炮的设计十分重要炮口制退器制退效率的定义 如下:()()第 期周文卿等:炮口制退器研究现状及发展趋势()式中:为不带炮口制退器的后坐动能为带炮口制退器的后坐动能为不带炮口制退器的身管质量为带炮口制退器的身管质量、分别为不带炮口制退器和带炮口制退器的身管最大后坐速度在后效期内身管的运动满足冲量定理:()()式中:为不带炮口制退器的身管在后效期开始时的身管速度为带炮口制退器的身管在后效期开始时的身管速度为后效期内不带炮口制退器的身管所受的冲量为后效期内带炮口制退器的身管所受的冲量和 的值可以由后效期内不带炮口制退器和带炮口制退器的身管所受的力对时间的积分求得:()式中:取值、分别代表不带炮口制退器和带炮口制退器的情况 为后效期时间为后效期内不同时刻的身管受力大小、的值可以由动量守恒定理求得:()()式中:为火药气体的质量为火药气体的平均速度(假设火药气体的速度在膛内线性分布)为炮弹质量、分别为不带炮口制退器和带炮口制退器时炮弹在炮口瞬间的速度联立式()()式可以得到炮口制退器的制退效率此计算方法适用于各种结构形式的炮口制退器的制退效率计算 国内外发展现状.国外发展现状随着火炮威力变大火炮质量随之增加其机动性也下降制约了火炮的发展因此克服大威力与高机动性能之间的矛盾是火炮发展的关键 炮口制退器的产生极大程度上缓解了这一矛盾大约 年法国制造出世界上第 个炮口制退器其结构简单:在炮口处开一组向身管后倾斜的孔 不仅降低了火炮后坐力还提高了射击精度同时为提高火炮射速奠定了基础随后炮口制退器广泛应用于多种火炮 由于起初炮口制退器的研究是先根据经验进行结构设计再通过实验验证然后再对结构进行优化改进 此方法的缺点是:经验设计不够准确难以应对不同的使用要求并且浪费大量的人力、物力 随着流体力学、空气动力学、计算机仿真技术等学科技术的发展设计人员开始通过模拟仿真技术研究炮口制退器 国外在炮口制退器方面的研究早、投入量大取得了不错的研究成果 图 为南非 自行火炮搭载一门 倍口径的 榴弹炮该火炮采用蘑菇状的单排双腔室冲击式炮口制退器以此降低火炮后坐力并结合使用复合增程弹打出 的射程记录最大射速达 发/图 为法国的“凯撒”卡车炮装备了一个双排四腔室冲击式炮口制退器以此来吸收火炮后坐动能极大地降低了该火炮的后坐力使其兼具良好的机动性和火力性能德国 自行榴弹炮是世界上第一个 倍口径火炮该火炮装备冲击反作用式炮口制退器具有多排侧孔炮口制退器腔室直径较小如图 所示其制退效率约为 极大地降低了后坐力缩短了后坐长度 在此基础上其普通炮弹的射程可达 增程弹的最大射程可达到 火炮发射与控制学报第 卷日本 式机动战车由 火炮与 轮式底盘组成如图 所示 该火炮加装了“胡椒瓶式”炮口制退器来降低后坐力其侧孔为圆形沿身管方向呈螺旋线布置俄罗斯 自行火炮是 倍口径的 榴弹炮 该火炮炮口安装槽式反冲炮口制退器来降低后坐力具有多排侧孔腔室直径较小 如图 所示 该火炮具有机动性高、可靠性高、射速快、射程远等优点美国 自行火炮是 系列火炮的最新款如图 所示该火炮安装单排双腔室冲击式炮口制退器以降低火炮后坐力以上各国主力火炮均装备了炮口制退器来降低火炮后坐力且类型多为冲击式、冲击反作用式炮口制退器以达到高的制退效率 因此冲击式及冲击反作用式炮口制退器对于中大口径火炮具有重要作用能够极大减轻后坐力提高射击精度、增强机动性提升火炮总体性能.国内发展现状国内在这方面起步晚但是也取得了一定的成果李鸿志院士作为中国炮口制退器方面的先驱对炮口冲击波、制退效率计算以及结构优化作出了巨大的贡献 王长武提出了自行火炮系统模块化、参数化的仿真建模方法讨论了非线性有限元动力学方程的建立及其解法 乐贵高等用 格式求解三维、可压缩流动方程组计算和分析了某火炮膛口气流现象 江坤用多岛遗传算法和多目标遗传算法对炮口制退器进行了深入的优化分析对膛口流场发展机理进行了研究优化了炮口制退器的结构 张辉利用并行计算技术对炮口流场的几种情况分别进行了数值模拟并提出了新的炮口制退器设计计算方法近年来国内对炮口制退器做了大量的研究以提高其各方面性能 年王加刚等为了降低炮弹发射时炮口制退器产生的冲击波危害设计了高效低危害炮口制退器与附加消声碗的高效低危害炮口制退器 其中高效低危害炮口制退器附加了分段多级导向筒炮口的火药燃气压力经三级泄压后迅速降低最后经过尾部通孔进一步泄压从而保证火药燃气充分膨胀做功进而达到降低噪声和冲击波的作用 附加消声碗的高效低危害炮口制退器是在多级导向筒的口部增加了消声碗进一步提高了制退效率 试验对比了 种炮口制退器的后坐位移、个点的冲击波声压、噪声试验结果表明高效低危害炮口制退器的侧向气流相比于传统炮口制退器明显减弱加装消声碗后侧向气流有所增强但明显比传统炮口制退器弱 试验测得加装消声碗后后坐位移减小了 与传统炮口制退器相比冲击波强度平均降低了.加装消声碗的高效低危害炮口制退器相对于传统炮口制退器冲击波强度平均降低了.高效低危害炮口制退器、附加消声碗的高效低危害炮口制退器的噪声分别下降了.、.年南京理工大学刘嘉鑫等以钛合金材料代替传统炮钢材料设计了一种 口径的新型的复杂结构炮口制退器 通过对不同结构、材料第 期周文卿等:炮口制退器研究现状及发展趋势的炮口制退器性能对比可以看出钛合金新型炮口制退器与传统炮钢炮口制退器相比最大应力值降低了 最大总变形量降低了 炮口制退器的质量降低 性能得到极大提升提高了火炮射击的稳定性、射击精度为了解决炮钢材料强度高但密度大而钛合金材料密度小但强度低的问题吴喜富等设计了一种由炮钢内层和钛合金外层组成的复合结构炮口制退器并基于单向流固耦合理论与瞬态动力学理论仿真分析了其强度 结果表明内层炮钢的最大应力为 外层钛合金所受的最大应力为 且内外层之间的最大剪切应力为 各应力均满足炮口制退器的强度要求并且炮口制退器的质量由 降至 该设计方法为炮口制退器的轻量化设计提供了一种思路钛合金在高温下存在耐磨性、耐氧化性、耐烧蚀不足等问题 等用 钛合金锻造制作炮口制退器然后利用电弧离子镀()设备沉积 涂层经热处理后进行射击试验 经过 发射击试验后钛合金基体及涂层界面均无裂纹和缝隙 涂层仍然有效表明该涂层具有良好的韧性、延展性及抗热性能弥补了钛合金材料性能的不足 发展趋势.轻量化炮口制退器增加了身管质量以及起落部分的重力矩增大了平衡机的负担和随动系统设计的难度容易引起火炮射击时的身管振动对火炮的射击精度、射速等产生影响 以某型炮口制退器为例采用传统炮钢材料加工的炮口制退器质量为.而采用钛合金材料后的质量仅为.减重比高达.极大地减小了由于炮口制退器质量增加带来的不利影响炮口制退器的轻量化设计能够提升火炮性能、降低有害影响.高效低危害设计炮口制退器利用高速高压的火药燃气冲击侧孔来降低后坐力然而高速高压的火药燃气通过侧孔喷射出后对周围产生冲击波等危害 通过附加消声碗等方式虽然炮口冲击波强度略有增强但是可以大大降低射击过程中冲击波对炮手的危害显著改善制退效果 通过这种类似的高效低危害设计可以进一步提高炮口制退器的效率且减小炮口冲击波、噪声等对周围的有害影响.结构优化通过结构优化可以进一步提高炮口制退器的效率、降低炮口制退器的质量以满足增强火炮威力的需求 此外在采用轻质材料比如钛合金作为炮口制退器材料时由于钛合金材料的弹性模量比炮钢小相同情况下的形变大因此需要通过结构优化来降低炮口制退器的形变量保证炮口制退器的可靠性及使用寿命 另外结构优化可提高结构工艺性、降低加工难度从而降低成本.高性能涂层为了降低由于增重带来的不利影响炮口制退器可使用轻质材料然而轻质材料存在耐磨性、耐热性、延展性差且强度低等特点 比如钛合金材料虽然密度小但是存在强度低等缺点通过在钛合金炮口制退器内表面、侧孔及挡板等添加高性能涂层在一定程度上可以弥补钛合金材料的缺点并保持炮口制退器的轻量化要求 因此研发具有耐磨性、耐热性、延展性好且强度高的涂层材料对于炮口制退器的性能提升具有重要作用.增强数值仿真能力通过模拟仿真能够对火炮的设计进行功能验证提前发现问题、找出不足有针对性地进行结构优化最大限度提高试验的成功率缩减研发周期提高效率与经济性 而当前仿真模拟与实际情况存在较大差异仿真模拟难以考虑到制造误差、空气、温度、湿度以及风速等复杂条件因此仿真模拟结果往往与试验结果差别较大 增强数值仿真能力更好地模拟实际情况缩小仿真结果与试验结果的差别对炮口制退器的研制具有重要意义 结论炮口制退器是中大口径火炮的关键装置之一能够有效降低火炮后坐动能、后坐力提高连续射击精度、射速与机动性等 冲击反作用式炮口制退器使用范围最广兼具冲击式炮口制退器和反作用式炮口制退器的优点制退效率较高且腔室直径小冲击式炮口制退器制退效率高在大口径火炮上应用较多能够满足大幅降低后坐力的需求反作用式炮口制退器制退效率低但腔室直径小适用于对炮口制退器直径要求较高的情况应用范火炮发射与控制学报第 卷围窄笔者基于炮口制退器的发展现状分析了炮口制退器的发展前景为了适应火炮远射程、大威力、高机动性的要求提出了炮口制退器轻量化、高效低危害、高寿命等发展趋势 炮口制退器的轻量化设计能够提高火炮的机动性但可能降低炮口制退器强度导致寿命下降因此轻量化设计的同时应保证强度提高使用寿命 此外高的制退效率可能导致更大的危害比如更强的冲击波以及噪声因此在提高制退效率的同时应考虑低危害化设计结构优化设计可以进一步减轻炮口制退器质量提高制退效率、降低危害比如采用轻质高性能材料以及在轻质材料表面涂抹高性能涂层等参考文献 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