炮口制退器在輕型裝甲戰(zhàn)車上的應(yīng)用

梁洧豪， 羅建華

（陸軍裝甲兵學(xué)院演訓(xùn)中心， 北京 100072）

引言

火力是作戰(zhàn)平臺(tái)在戰(zhàn)斗中迅速而準(zhǔn)確的殲滅、毀傷或壓制目標(biāo)的能力；機(jī)動(dòng)能力是快速機(jī)動(dòng)、進(jìn)入及轉(zhuǎn)換陣地的能力[1]。提高平臺(tái)火力，作戰(zhàn)平臺(tái)的質(zhì)量和體積都會(huì)增加，從而機(jī)動(dòng)能力會(huì)下降。隨著對(duì)作戰(zhàn)平臺(tái)火力及機(jī)動(dòng)能力要求的提高，火力與機(jī)動(dòng)能力要求之間的矛盾日益尖銳。

炮口制退器的主要作用是在后效期改變火藥燃?xì)獾牧髁糠峙洚a(chǎn)生向前的沖量，給炮身提供向前的作用力，可抵消部分炮膛合力，減小后坐動(dòng)能，從而減小射擊時(shí)的后坐阻力。

后坐阻力的減小，降低了對(duì)底盤承受能力要求，底盤能進(jìn)一步輕量化，戰(zhàn)斗全重也相應(yīng)的降低，機(jī)動(dòng)能力得意提高；同時(shí)后坐阻力的減小還會(huì)增加火炮射擊時(shí)的穩(wěn)定性，這樣就有可能提高火炮的威力，以提高裝甲戰(zhàn)車作戰(zhàn)效能。

1 制退器的應(yīng)用問題

1.1 炮口制退器的作用原理

炮口制退器作為一種炮口裝置，是炮身的一個(gè)組成部分，是控制后效期火藥氣體流量分配、氣流方向和氣流速度的排氣裝置，其目的是減小后坐動(dòng)能從而降低后坐阻力、減小全炮質(zhì)量以提高火炮機(jī)動(dòng)性。炮口制退器的作用大小以效率表示，即火炮安裝炮口制退器后所減小的后坐動(dòng)能與無炮口制退器時(shí)最大后坐動(dòng)能的百分比。

炮口制退器按其作用原理可分為兩種類型，沖擊式炮口制退器和反沖擊式炮口制退器（如圖1、圖2所示）。

沖擊式炮口制退器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是有較大的開腔，腔室內(nèi)徑d 較大（DK/d＞1.3），側(cè)孔面積很大，前方有一定角度的反射擋板。

反沖擊式炮口制退器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是腔室內(nèi)徑d 較?。?.0≤DK/d≤1.3），對(duì)稱多排布置條形或分散布置圓形側(cè)孔，沒有或只有很小的前反射板。

1.2 炮口流場(chǎng)特性

膛口流場(chǎng)是非定常、多相、湍流，并有方向性和化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜流場(chǎng)。圖3 描述了四個(gè)階段的膛口流場(chǎng)[2]。

膛口流場(chǎng)的基本特性為：膛口射流為高度膨脹不足射流；高度的瞬變性（非定常）；波系結(jié)構(gòu)和相互作用的復(fù)雜性。

由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，膛口形成了膨脹不足斜切射流、多股合成射流、擋板反射的射流以及沖擊波相交與合成、沖擊波與射流相互作用等復(fù)雜情況。

1.3 炮口制退器應(yīng)用帶來的危害

1.3.1 炮口沖擊波

炮口沖擊波場(chǎng)是由膛口氣流壓縮周圍空氣產(chǎn)生（如下頁圖4 和圖5 所示）。光膛口時(shí)沿膛軸前方的沖擊波進(jìn)場(chǎng)可視作球?qū)ΨQ。加裝炮口制退器后，燃?xì)馍淞鞣謩e從中央彈孔及側(cè)孔流出，具有相互獨(dú)立的射流結(jié)構(gòu)，射流按各自的出口參數(shù)及角度流出，壓縮周圍空氣，形成各自獨(dú)立的沖擊波。射流邊界交叉時(shí)多個(gè)側(cè)孔形成一個(gè)大的激波系，射流的合成決定側(cè)孔沖擊波的方向性。炮口制退器的應(yīng)用不僅加劇了沖擊波，并導(dǎo)致劇烈的沖擊波向炮口后方傳播，人員工作區(qū)危害加大。

當(dāng)作用于人的沖擊波超壓值達(dá)到0.03 MPa 時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響炮手安全（人耳的承受能力為0.002 1 MPa），而炮手區(qū)沖擊波超壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人員損傷標(biāo)準(zhǔn)。除了對(duì)人員有危害外，炮口沖擊波還會(huì)對(duì)車身及車載設(shè)備造成很大沖擊，尤其是動(dòng)力艙蓋、前窗、大燈等車體前方部位，離炮口近、結(jié)構(gòu)表面的壓力大，受到炮口沖擊波的損害也較其他部位嚴(yán)重。

1.3.2 對(duì)火炮射擊精度的影響

滑膛炮發(fā)射尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈，彈丸在通過炮口制退器時(shí)，易受到更多的干擾，影響射擊精度。美國(guó)陸軍彈道研究所相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明，加裝炮口制退器使脫殼穿甲彈的散布增大了3 倍[3]。

炮口制退器會(huì)增大身管彎曲，引起射擊時(shí)的振動(dòng)；炮口制退器會(huì)增加炮身重量，其位于身管最前端，離耳軸遠(yuǎn)，它的重量對(duì)耳軸的不平衡力矩影響較大，會(huì)增加平衡機(jī)負(fù)擔(dān)，使隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度增大。

2 關(guān)于解決辦法的幾點(diǎn)探討

2.1 炮口制退器高效低危害技術(shù)

2.1.1 高效低沖擊波炮口制退器設(shè)計(jì)

制退器的效率取決于后效期氣流作用在炮口制退器上的總沖量。高壓燃?xì)獬浞峙蛎浬淞髁魉偬岣撸淞骶哂械膭?dòng)量也相應(yīng)的增大，作用于制退器的沖量增大，制退器效率增大；另一方面，燃?xì)馑俣确较蚺c炮膛軸線夾角減小，射流作用在制退器上沖量的軸向分量增大，后坐部分獲得的全沖量減小，制退器效率增大。

炮口沖擊波是膛口氣流壓縮周圍空氣產(chǎn)生。沖擊波大小與側(cè)孔火藥氣體相對(duì)流量、氣流傾角、氣流壓力比、氣流馬赫數(shù)等參數(shù)有關(guān)；沖擊波場(chǎng)的方向性由炮口火藥氣體射流的方向性決定。

由以上分析可以看出，雖然提高制退器效率與減小沖擊波存在著矛盾，但是他們也有共同點(diǎn)，就是調(diào)整出口處氣流參數(shù)。從結(jié)構(gòu)上講，中央彈孔直徑、腔室數(shù)量和形狀、腔室長(zhǎng)度和直徑、側(cè)孔形狀和方向、側(cè)孔數(shù)量和位置分布等結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響制退器效率和沖擊波波場(chǎng)分布。

可在保證效率的前提下，應(yīng)盡量減小炮口沖擊波超壓值。通過炮口制退器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)整腔室和噴口大小、側(cè)孔傾角、形狀、數(shù)量，控制最佳出口氣流參數(shù)，充分利用炮口剩余能量，利用大側(cè)孔流量分配比，提高效率的同時(shí)使炮口后方的沖擊波最低。

從沖擊波產(chǎn)生的機(jī)理出發(fā)，若使燃?xì)獾靡猿浞峙蛎?，出口氣流壓力低，則沖擊波會(huì)得到較好的抑制。如果使火藥燃?xì)庠谂诳谥仆似鲀?nèi)徑向分流，并使其分流氣體盡量多，在腔室內(nèi) 滯留時(shí)間長(zhǎng)，能量損耗多那么從腔室流出的氣體壓力將大大減小，則沖擊波等負(fù)效應(yīng)能得到較好的抑制。

利用炮口沖擊波的方向性及炮口沖擊波能量連續(xù)有限釋放機(jī)理，降低氣室及出口壓力，減小初速氣流偏角，利用結(jié)構(gòu)調(diào)整改變?nèi)細(xì)饬鲃?dòng)方向及速度，控制沖擊波初始陣面方向，使沖擊波場(chǎng)最大分布偏離人員和設(shè)備區(qū)域。

利用燃?xì)饬鞯哪芰?，采用?duì)吹型制退器，第一氣室氣流向前，第二及其余氣室氣流向后，從而減小炮口后方?jīng)_擊波。

提高制退器效率和降低壓力波的技術(shù)途徑并不唯一，除了通過結(jié)構(gòu)調(diào)整實(shí)現(xiàn)炮口制退器高效低危害，值得探討的途徑還有很多，可以利用機(jī)械裝置消耗轉(zhuǎn)化氣流能量、利用消聲原理及聲學(xué)理論控制炮口噪聲等措施降低危害[4]。通過正確的理論分析，采用合理的技術(shù)途徑，可實(shí)現(xiàn)炮口制退器的高效低危害。

2.1.2 減小制退器對(duì)射擊精度的影響

因炮口制退器內(nèi)的流場(chǎng)極其復(fù)雜，暫時(shí)無法通過試驗(yàn)來觀察和顯示炮口制退器內(nèi)氣流與脫殼穿甲彈的相互作用。一般認(rèn)為，炮口制退器內(nèi)的不對(duì)稱氣流和擋板的反射氣流影響彈丸的起始擾動(dòng)是造成散布增大的主要原因之一。

設(shè)計(jì)炮口制退器時(shí)充分考慮其對(duì)射擊精度的影響。保證脫殼穿甲彈在小壓力梯度下通過炮口制退器，減小腔室氣流折轉(zhuǎn)，避免反射氣流及渦流對(duì)彈體形成不均勻干擾，減小對(duì)彈道性能的干擾，提高射擊精度。可采取的技術(shù)路線包括：制退器側(cè)孔軸間距分布合理、側(cè)孔分布對(duì)稱均勻、腔室直徑在盡可能的小。

為了提高射擊精度，炮口制退器也可以設(shè)計(jì)內(nèi)膛線等其它獨(dú)特結(jié)構(gòu)。

在滿足強(qiáng)度要求的情況下，炮口制退器的尺寸和重量應(yīng)盡可能的小，以減輕平衡機(jī)負(fù)擔(dān)，減小身管震動(dòng)；對(duì)有隨動(dòng)系統(tǒng)的自行火炮，尤為重要。炮口制退器在加工制造中采用新工藝，利用新材料，提高炮口制退器的強(qiáng)度同時(shí)減小制退器縱向尺寸、降低重量。

2.2 增強(qiáng)防護(hù)

炮塔或乘員艙能為乘員提供防護(hù)，在一定程度上降低沖擊波對(duì)乘員的危害。因而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)有必要針對(duì)性的加強(qiáng)車體及炮塔，以提高其防護(hù)能力。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)膛口裝置周圍的近、遠(yuǎn)場(chǎng)膛口沖擊波進(jìn)行較好符合的數(shù)值模擬以成為現(xiàn)實(shí)。炮口沖擊波對(duì)車身及炮塔結(jié)構(gòu)作用時(shí)間在彈丸出炮口的幾毫秒后，作用時(shí)間為毫秒級(jí)。以炮口三維非定常沖擊波流場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果，來確定不同的射擊條件下的載荷邊界條件，根據(jù)流場(chǎng)計(jì)算，可以得到結(jié)構(gòu)表面隨時(shí)間變化的壓力場(chǎng)。

用有限元法對(duì)車身及炮塔等結(jié)構(gòu)的沖擊動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，提前了解結(jié)構(gòu)在炮口沖擊波作用下的應(yīng)力和變形情況，對(duì)結(jié)構(gòu)的薄弱之處及時(shí)改進(jìn)（如圖6 所示）。

結(jié)構(gòu)加強(qiáng)應(yīng)盡可能的不增加總體質(zhì)量，盡可能的應(yīng)用新結(jié)構(gòu)、新材料在增加安全性的同時(shí)不加大負(fù)荷，如薄壁炮塔可考慮在裝甲板上壓筋增加剛強(qiáng)度。

3 結(jié)語

炮口制退器應(yīng)用時(shí)應(yīng)立足于總體，綜合考慮戰(zhàn)技指標(biāo)的要求、炮口制退器的效率、沖擊波的防護(hù)等多方面因素。在新型火炮上綜合應(yīng)用先進(jìn)的高效低危害炮口制退器技術(shù)、減重技術(shù)、高新材料等眾多關(guān)鍵技術(shù)，火炮口徑、威力能滿足未來輕型裝甲戰(zhàn)車的要求，以適應(yīng)未來戰(zhàn)爭(zhēng)的需求。