埋頭彈火炮高效低危害炮口制退器的實驗研究

王加剛, 余永剛, 周良梁

(1.南京理工大學 能源與動力工程學院， 江蘇 南京 210094; 2.重慶望江工業(yè)有限公司， 重慶 400071)

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埋頭彈火炮高效低危害炮口制退器的實驗研究

王加剛1,2, 余永剛1, 周良梁1

(1.南京理工大學 能源與動力工程學院， 江蘇 南京 210094; 2.重慶望江工業(yè)有限公司， 重慶 400071)

為降低埋頭彈火炮發(fā)射過程中炮口制退器產(chǎn)生的沖擊波危害，設計了高效低危害炮口制退器的實驗裝置。通過對比射擊實驗，將新型高效低危害炮口制退器與原炮口制退器性能進行了對比。實驗結(jié)果表明：高效低危害炮口制退器能夠有效減小火藥燃氣的側(cè)向流動；同時降低流場中沖擊波的強度，炮手位置沖擊波強度減小了61.4%，大大降低了射擊過程中沖擊波對炮手的危害。在高效低危害炮口制退器基礎上使用了消聲碗，雖然炮口沖擊波強度略有增強，但制退器的制退效果得到顯著改善。

兵器科學與技術(shù)； 火炮； 炮口制退器； 高效； 低危害； 實驗研究

0 引言

火炮發(fā)射過程中會在膛內(nèi)產(chǎn)生大量高溫高壓燃氣，當彈丸出炮口時，膛口壓力高達60～80 MPa. 高溫高速燃氣在膛口形成復雜的流場，對火炮發(fā)射產(chǎn)生強烈的沖擊作用，對火炮發(fā)射的精度產(chǎn)生較大影響[1]。埋頭彈火炮又稱嵌入式彈藥，其主要特點是：彈丸縮在藥筒內(nèi)，發(fā)射藥裝填在彈丸周圍及尾部，彈藥外形呈現(xiàn)規(guī)則的圓柱狀，火炮自動機大多采用旋轉(zhuǎn)閉鎖原理，以大幅縮短其縱向長度[2]。因此戰(zhàn)車在相同條件下可以裝備口徑更大的火炮，隨著火炮口徑的增加，發(fā)射過程后坐效應增強。

炮口制退器的使用，可以控制后效期氣體流動，在炮口產(chǎn)生一個向前的沖量，為炮身提供一個制退力，減小發(fā)射過程中的擾動作用[3]。但是炮口制退裝置的使用也會形成一些危害，如發(fā)射過程會產(chǎn)生噪聲和沖擊波對射手造成身體傷害[4]。

目前，對于炮口制退器發(fā)射性能的研究主要是通過數(shù)值模擬方法進行。如Florio等[5]采用計算流體力學軟件Fluent模擬了在身管尾部增加簡單側(cè)向噴孔對炮口流場特性的影響。江坤等[6]對裝有炮口制退器的車載炮膛口沖擊流場進行數(shù)值模擬，獲得了流場波系結(jié)構(gòu)以及車身上的沖擊波作用規(guī)律。劉欣寧等[7]利用三維非定常歐拉方程，結(jié)合動網(wǎng)格技術(shù)，模擬了彈丸運動過程中炮口制退器膛口流場的變化過程。文獻[8-9]對比分析高速彈丸穿越不同炮口制退器時，流場波系結(jié)構(gòu)的變化，并進一步探討了制退器結(jié)構(gòu)對制退器效率的影響，研究結(jié)果表明多孔制退器能更有效地改善系統(tǒng)的后坐性能。王惠源等[10]采用計算流體力學(CFD)數(shù)值模擬技術(shù)對轉(zhuǎn)管機槍對有、無膛口旋轉(zhuǎn)制退裝置的膛口流場進行了數(shù)值仿真。這些研究主要關(guān)注于提高發(fā)射裝置的后坐效率，并未考慮到發(fā)射過程中產(chǎn)生的沖擊波與噪聲。

戰(zhàn)車裝備埋頭彈火炮時，火炮口徑增大，對后坐裝置后坐效率提出了更高的要求。相關(guān)研究表明炮口制退器在控制火藥燃氣減小后坐力的同時，增強了炮口壓力波，容易對武器系統(tǒng)、場地以及人員安全產(chǎn)生不利影響[11]。為了緩解這一矛盾，根據(jù)分段多級降壓原理，設計了埋頭彈火炮高效低危害炮口制退器，它通過控制炮口火藥燃氣分段多級噴出，分散噴流，使高壓火藥燃氣充分膨脹做功，從而達到降低噪聲和衰減沖擊波的目的。該項研究對提高制退器效率，降低最大后坐力，降低炮口沖擊波對炮手的危害以及提高埋頭彈火炮適裝性具有重要的軍事意義。

1 實驗系統(tǒng)設計

圖1 炮口制退器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagrams of muzzle brakes

基于炮口制退器的高效性與低危害性的要求，本文在原35 mm埋頭彈火炮炮口制退器(見圖1(a))基礎上，設計了高效低危害炮口制退器與附加消聲碗的高效低危害炮口制退器兩種新型炮口制退裝置。其中高效低危害炮口制退器通過附加分段多級導向筒(見圖1(b))，以期達到降低噪聲和沖擊波的目的。分段多級導向筒泄壓孔方案為4級降壓設計：前3級采用泄壓孔降壓，泄壓孔寬度距離炮口由L、L1、L2逐步增大，泄壓孔截面采用45°倒角設計(見圖2)，炮口的火藥燃氣壓力經(jīng)3級泄壓后迅速降低，最后再通過尾部通孔進一步泄壓，從而保證火藥燃氣充分膨脹做功，進而達到降低噪聲和沖擊波的作用。為了進一步提高制退效率，在分段多級導向筒前方附加了消聲碗(見圖1(c))，以期達到在較高制退效率情況下，降低噪聲和沖擊波對炮手的危害。分段多級導向筒與支撐環(huán)和消聲碗采用焊接連接，分段多級導向筒前方通過支撐環(huán)利用原炮口制退器外圓柱面支撐，后方通過安裝座采用抱箍的方式與炮管環(huán)形槽固定。為了解兩種新型炮口制退器的工作性能，將其與原炮口制退器進行了對比實驗分析。

圖2 分段多級導向筒Fig.2 Multistage guide cylinder

圖3為實驗現(xiàn)場示意圖，圖3中A、B、C 3點為壓力監(jiān)測點，采用聲壓傳感器監(jiān)測射擊過程中流場的壓力脈沖；D點為噪聲監(jiān)測點，使用聲級計來監(jiān)測燃氣通過制退器時產(chǎn)生的噪聲。

圖3 實驗現(xiàn)場示意圖Fig.3 Schematic diagram of experimental site

2 實驗結(jié)果與討論

針對3種制退器，采用相同的裝填條件，進行了模擬射擊實驗。圖4給出炮口流場照片，圖4(a)為傳統(tǒng)炮口制退器，圖4(b)為高效低危害炮口制退器，圖4(c)為附加消聲碗的高效低危害炮口制退器。

圖4 炮口流場形態(tài)Fig.4 Muzzle flow field

如圖4(a)所示，在火炮發(fā)射過程中，燃氣經(jīng)過傳統(tǒng)炮口制退器時，會形成較為明顯的側(cè)向氣流，這樣會在側(cè)面流場產(chǎn)生較強的沖擊作用。而使用高效低危害炮口制退器時，燃氣經(jīng)過緩沖，側(cè)向氣流的沖擊作用減弱，從圖4(b)可以看出側(cè)向氣流尺寸明顯減小。而在使用附加消聲碗的高效低危害炮口制退器時，炮口處的消聲碗抑制了部分燃氣的軸向流動，通過炮口制退器側(cè)向噴孔流出氣體增加，因此圖4(c)中側(cè)向氣流增強。

圖5～圖7分別給出了3種制退器發(fā)射過程中沖擊波曲線。

針對圖5～圖7中測量曲線進行變換處理，可以得到發(fā)射過程中監(jiān)測點的沖擊波特性參數(shù)；結(jié)合D點測得的噪聲參數(shù)，以及位移試紙測得的后坐位移，可以得到炮口制退器射擊特性參數(shù)，如表1所示。

結(jié)合圖5～圖7與表1可以看出，采用傳統(tǒng)炮口制退器時，發(fā)射過程測得A、B、C的沖擊波聲壓值分別為11.68 kPa、12.71 kPa、3.21 kPa，而D點的噪聲平均值為128.5 dB，此時最大后坐位移為31.3 mm. 在傳統(tǒng)炮口制退器附加高效低危害炮口制退器裝置后，發(fā)射過程中A、B、C測試點沖擊波聲壓強度分別為7.09 kPa、7.80 kPa、1.24 kPa，D點的噪聲平均值為127.3 dB，最大后坐位移為31.2 mm，與傳統(tǒng)炮口制退器相比，A、B、C測試點沖擊波強度分別降低了39.3%、38.6%、61.4%. 由此可以看出：在炮口安裝高效低危害炮口制退器裝置后，火藥燃氣壓力經(jīng)3級泄壓后迅速降低，最后再通過尾部通孔進一步泄壓，從而保證火藥燃氣充分膨脹做功，對沖擊波的降低效果顯著，特別是炮手位置的沖擊波降低了61.4%，大大減小了沖擊波對操作人員的危害。

圖5 傳統(tǒng)炮口制退器產(chǎn)生的沖擊波曲線Fig.5 Shock waves generated by traditional muzzle brake

圖6 高效低危害炮口制退器產(chǎn)生的沖擊波曲線Fig.6 Shock waves generated by high efficiency and low hazard muzzle brake

表1 炮口制退器射擊特性參數(shù)Tab.1 Launching characteristic parameters of muzzle brakes

圖7 附加消聲碗的高效低危害炮口制退器產(chǎn)生 的沖擊波曲線Fig.7 Shock waves generated by high efficiency and low hazard muzzle brake with silencing bowl

在高效低危害炮口制退器的基礎上，在炮口安裝消聲碗后，發(fā)射過程中A、B、C測試點測得沖擊波聲壓分別為9.30 kPa、9.75 kPa、1.48 kPa，D點噪聲平均值為126.3 dB，最大后坐位移為26.8 mm. 與高效低危害炮口制退器相比，A、B、C測試點測得的沖擊波強度分別上升了31.1%、25.0%、15.6%. 與原炮口制退器相比：A、B、C測試點沖擊波強度分別降低了20.4%、23.3%、53.9%；由于只在附加裝置前端加了消聲碗，后端未作處理，因此噪聲只降低了2.3 dB；燃氣出炮口后，部分燃氣繼續(xù)沿軸線膨脹，當燃氣撞擊到消聲碗時，燃氣與消聲碗相互作用，產(chǎn)生一個沿軸向的推力，增強了炮口制退器的制退效果，從而有效減小了火炮后坐力，最大后坐位移值減少了14.1%. 由表1可以看出：在火炮上安裝附加消聲碗的炮口制退器后，最大后坐位移減少了4.4 mm.

3 結(jié)論

本文根據(jù)35 mm埋頭彈火炮炮口流場的特點，基于火藥制退器高性能低危害的要求，設計了兩種狀態(tài)的高效低危害炮口制退器，并與原制退器進行了對比射擊實驗，得到以下結(jié)論：

1)對比射擊過程中炮口流場形態(tài)可以看出，使用高效低危害炮口制退器能夠有效抑制炮口燃氣的側(cè)向流動，降低射擊陣地被發(fā)現(xiàn)的幾率。

2)使用高效低危害炮口制退器后，大大降低了沖擊波的強度，射手位置沖擊波強度降低了61.4%，大大降低了射擊過程中沖擊波對炮手的危害。

3)在高效低危害炮口制退器基礎上，在炮口裝置上增加消聲碗，雖然炮口沖擊波強度略有增強，但沖擊波強度還是小于傳統(tǒng)炮口制退器；而消聲碗的使用進一步增強了制退器的制退效果，最大后坐位移減小了14.1%.

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Experimental Study of High Efficiency and Low HazardMuzzle Brake for CTA Gun

WANG Jia-gang1,2, YU Yong-gang1, ZHOU Liang-liang1

(1.School of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China;2.Chongqing Wangjiang Industry Co., Ltd., Chongqing 400071, China)

To reduce the hazard of shock wave induced by muzzle brake during the launching process of cased telescoped ammunition (CTA) gun, a high efficiency and low hazard muzzle brake is designed. The high efficiency and low hazard muzzle brake is compared with the traditional muzzle brake through launching experiment. The experimental result indicates that the high efficiency and low hazard muzzle brake can be used to effectively restrict the lateral flow of combustion gas, weaken the shock wave in the flow field greatly, and reduce the intensity of shock wave at the location of launcher by 61.4%, which reduces the harm of shock wave to gunner. Although the intensity of shock wave is slightly enhanced after a silencing bowl is used in the high efficiency and low hazard muzzle brake, but the recoil performance of launching system is significantly improved.

ordnance science and technology; gun； muzzle brake； high efficiency; low hazard； experimental study

2016-09-08

王加剛(1979—), 男, 博士研究生。E-mail: wjgnjust@163.com

余永剛(1963—), 男, 教授，博士生導師。E-mail: yyg801@njust.edu.cn

TJ303+.2

A

1000-1093(2017)05-1035-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.05.025