炮口制退器研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

周文卿，王雙磊，鞏博瑞，郭新喜，任啟愿

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

大威力、遠射程、高精度以及高機動性是現(xiàn)代火炮的重要發(fā)展方向。而大威力、大射程也意味著更大的發(fā)射載荷及更大的后坐力,從而導致火炮振幅增大、質(zhì)量增加、機動性能下降。作為降低火炮后坐力的重要方法之一,炮口制退器能夠有效減小火炮后坐動能,降低火炮射擊的后坐力,提高射擊穩(wěn)定性、射擊精度,增強火炮機動性[1-3]。

根據(jù)炮口制退器的外形結(jié)構(gòu)及工作原理,可以將炮口制退器分為沖擊式、反作用式、沖擊反作用式3種類型[4-5]。筆者詳細分析了各種類型的炮口制退器的優(yōu)缺點、適用范圍等,對制退器類型的選擇、設(shè)計、優(yōu)化提供參考。

炮口制退器的效率是衡量其性能的一個重要參數(shù),制退效率的高低直接影響著火炮后坐力的大小、射擊精度、火炮射程以及炮口沖擊波。筆者總結(jié)了一種通過理論計算得到制退效率的方法,該方法適用于計算各種類型的炮口制退器的制退效率。

筆者對炮口制退器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進行總結(jié),分析了目前影響炮口制退器發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),包括輕量化技術(shù)[6-7]、性能優(yōu)化技術(shù)[8]、數(shù)值仿真技術(shù)[9-10]、結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)[11]、高性能涂層[12]等,并對炮口制退器的發(fā)展趨勢進行了總結(jié),對炮口制退器的未來發(fā)展具有一定的指導意義。

1 炮口制退器的類型及制退效率

1.1 炮口制退器的類型

目前炮口制退器的分類依據(jù)主要是其結(jié)構(gòu)形式,根據(jù)結(jié)構(gòu)形式可以分為沖擊式炮口制退器、反作用式炮口制退器、沖擊反作用式炮口制退器3種類型,如圖1所示。

沖擊式炮口制退器特點是腔室個數(shù)少、直徑大,一般有兩個腔室,腔室直徑一般大于2倍身管口徑,側(cè)孔面積大、數(shù)量少[13]?；鹚帤怏w經(jīng)第1個腔室膨脹后,部分從第1腔室的側(cè)孔流出,流出過程中火藥燃氣沖擊反射擋板,產(chǎn)生制退力。經(jīng)過第1腔室膨脹后,火藥氣體壓力減小,因此第2腔室結(jié)構(gòu)尺寸小于第1腔室,以便產(chǎn)生較大的制退力。相比于其他結(jié)構(gòu)形式的炮口制退器,沖擊式炮口制退器有較高的制退效率,缺點是腔室直徑大。

反作用式炮口制退器腔室直徑一般小于1.3倍口徑,具有多排側(cè)孔,側(cè)孔一般為圓形或長條形,有時為了火藥氣體更好地膨脹加速,也設(shè)計成噴管結(jié)構(gòu)。因這種炮口制退器腔室直徑較小,火藥氣體未能充分膨脹加速,因此在進入側(cè)孔之前具有較高的壓力,火藥氣體達到側(cè)孔孔口時,部分火藥氣體在高壓作用下流入側(cè)孔,在側(cè)孔膨脹加速后向后方噴出,產(chǎn)生一個向前的反作用力,從而減小火炮的后坐阻力。因為側(cè)孔較小,產(chǎn)生的制退力小,為了提高制退效率,反作用式制退器采用多排側(cè)孔,通過多級制退的方式來達到預期的制退效率。與沖擊式炮口制退器相比,制退效率低,但是腔室直徑小,能夠適應對炮口制退器直徑要求較高的情況。

沖擊反作用式炮口制退器兼具上述兩種炮口制退器的特點,其直徑一般在1.3～2.0倍身管口徑之間,反射擋板面積較小,制退效率位于兩者之間,目前多數(shù)火炮均使用沖擊反作用式炮口制退器。

1.2 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參數(shù)。炮口制退器的作用時間在火炮發(fā)射的后效期內(nèi),通過腔室、側(cè)孔以及反射板等對后效期火藥氣體的流量與流速進行控制,能夠?qū)ε谏硖峁┮粋€制退力,從而減小火炮后坐力,如圖2所示。在后效期內(nèi),炮口制退器周圍的火藥氣體流場非常復雜,具有明顯的非線性特征,準確計算火藥氣體對炮口制退器以及身管的作用力,從而得到炮口制退器的制退效率,對火炮的設(shè)計十分重要。

炮口制退器制退效率的定義[14-15]如下:

(1)

(2)

(3)

式中:E0為不帶炮口制退器的后坐動能;E1為帶炮口制退器的后坐動能;m0為不帶炮口制退器的身管質(zhì)量;m1為帶炮口制退器的身管質(zhì)量;vb0max、vb1max分別為不帶炮口制退器和帶炮口制退器的身管最大后坐速度。

在后效期內(nèi),身管的運動滿足沖量定理:

m0vb0max-m0vb0=I0,

(4)

m1vb1max-m1vb1=I1,

(5)

式中:vb0為不帶炮口制退器的身管在后效期開始時的身管速度;vb1為帶炮口制退器的身管在后效期開始時的身管速度;I0為后效期內(nèi)不帶炮口制退器的身管所受的沖量;I1為后效期內(nèi)帶炮口制退器的身管所受的沖量。

I0和I1的值可以由后效期內(nèi)不帶炮口制退器和帶炮口制退器的身管所受的力對時間的積分求得:

(6)

式中:n取值0、1,分別代表不帶炮口制退器和帶炮口制退器的情況;τ為后效期時間;Fn為后效期內(nèi)不同時刻的身管受力大小。

vb0、vb1的值可以由動量守恒定理求得:

m0vb0+ωvg+Mv0=0,

(7)

m1vb1+ωvg+Mv1=0,

(8)

式中:ω為火藥氣體的質(zhì)量;vg為火藥氣體的平均速度(假設(shè)火藥氣體的速度在膛內(nèi)線性分布);M為炮彈質(zhì)量;v0、v1分別為不帶炮口制退器和帶炮口制退器時炮彈在炮口瞬間的速度。

聯(lián)立式(1)～(8)式可以得到炮口制退器的制退效率,此計算方法適用于各種結(jié)構(gòu)形式的炮口制退器的制退效率計算。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

隨著火炮威力變大,火炮質(zhì)量隨之增加,其機動性也下降,制約了火炮的發(fā)展,因此,克服大威力與高機動性能之間的矛盾是火炮發(fā)展的關(guān)鍵。炮口制退器的產(chǎn)生,極大程度上緩解了這一矛盾[5,16]。大約1842年,法國制造出世界上第1個炮口制退器,其結(jié)構(gòu)簡單:在炮口處開一組向身管后傾斜的孔。不僅降低了火炮后坐力,還提高了射擊精度,同時為提高火炮射速奠定了基礎(chǔ),隨后炮口制退器廣泛應用于多種火炮。由于起初炮口制退器的研究是先根據(jù)經(jīng)驗進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,再通過實驗驗證,然后再對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進。此方法的缺點是:經(jīng)驗設(shè)計不夠準確,難以應對不同的使用要求,并且浪費大量的人力、物力。隨著流體力學、空氣動力學、計算機仿真技術(shù)等學科技術(shù)的發(fā)展,設(shè)計人員開始通過模擬仿真技術(shù)研究炮口制退器。國外在炮口制退器方面的研究早、投入量大,取得了不錯的研究成果[17-18]。

圖3為南非G6自行火炮,搭載一門52倍口徑的155 mm榴彈炮,該火炮采用蘑菇狀的單排雙腔室沖擊式炮口制退器,以此降低火炮后坐力,并結(jié)合使用復合增程彈打出73 km的射程記錄,最大射速達8 發(fā)/min。

圖4為法國的“凱撒”卡車炮,裝備了一個雙排四腔室沖擊式炮口制退器,以此來吸收火炮后坐動能,極大地降低了該火炮的后坐力,使其兼具良好的機動性和火力性能。

德國PZH2000自行榴彈炮是世界上第一個52倍口徑火炮,該火炮裝備沖擊反作用式炮口制退器,具有多排側(cè)孔,炮口制退器腔室直徑較小,如圖5所示,其制退效率約為48%,極大地降低了后坐力,縮短了后坐長度。在此基礎(chǔ)上,其普通炮彈的射程可達30 km,增程彈的最大射程可達到60 km。

日本13式機動戰(zhàn)車由105 mm火炮與8×8輪式底盤組成,如圖6所示。該火炮加裝了“胡椒瓶式”炮口制退器來降低后坐力,其側(cè)孔為圓形,沿身管方向呈螺旋線布置。

俄羅斯2S35自行火炮是52倍口徑的152 mm榴彈炮。該火炮炮口安裝槽式反沖炮口制退器來降低后坐力,具有多排側(cè)孔,腔室直徑較小。如圖7所示。該火炮具有機動性高、可靠性高、射速快、射程遠等優(yōu)點。

美國M109A7自行火炮是M109系列火炮的最新款,如圖8所示,該火炮安裝單排雙腔室沖擊式炮口制退器以降低火炮后坐力。

以上各國主力火炮均裝備了炮口制退器來降低火炮后坐力,且類型多為沖擊式、沖擊反作用式炮口制退器,以達到高的制退效率。因此,沖擊式及沖擊反作用式炮口制退器對于中大口徑火炮具有重要作用,能夠極大減輕后坐力,提高射擊精度、增強機動性,提升火炮總體性能。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)在這方面起步晚,但是也取得了一定的成果,李鴻志院士作為中國炮口制退器方面的先驅(qū),對炮口沖擊波、制退效率計算以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化作出了巨大的貢獻[19]。王長武提出了自行火炮系統(tǒng)模塊化、參數(shù)化的仿真建模方法,討論了非線性有限元動力學方程的建立及其解法[20]。樂貴高等用Osher格式求解三維、可壓縮流動方程組,計算和分析了某火炮膛口氣流現(xiàn)象[21]。江坤用多島遺傳算法和多目標遺傳算法對炮口制退器進行了深入的優(yōu)化分析,對膛口流場發(fā)展機理進行了研究,優(yōu)化了炮口制退器的結(jié)構(gòu)[22]。張輝利用并行計算技術(shù)對炮口流場的幾種情況分別進行了數(shù)值模擬,并提出了新的炮口制退器設(shè)計計算方法[23]。

近年來,國內(nèi)對炮口制退器做了大量的研究,以提高其各方面性能。2017年,王加剛等為了降低炮彈發(fā)射時炮口制退器產(chǎn)生的沖擊波危害,設(shè)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[24]。其中高效低危害炮口制退器附加了分段多級導向筒,炮口的火藥燃氣壓力經(jīng)三級泄壓后迅速降低,最后經(jīng)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。附加消聲碗的高效低危害炮口制退器是在多級導向筒的口部增加了消聲碗,進一步提高了制退效率。試驗對比了3種炮口制退器的后坐位移、3個點的沖擊波聲壓、噪聲,試驗結(jié)果表明,高效低危害炮口制退器的側(cè)向氣流相比于傳統(tǒng)炮口制退器明顯減弱,加裝消聲碗后,側(cè)向氣流有所增強,但明顯比傳統(tǒng)炮口制退器弱。試驗測得,加裝消聲碗后后坐位移減小了14.1%;與傳統(tǒng)炮口制退器相比,沖擊波強度平均降低了46.4%,加裝消聲碗的高效低危害炮口制退器相對于傳統(tǒng)炮口制退器沖擊波強度平均降低了32.5%;高效低危害炮口制退器、附加消聲碗的高效低危害炮口制退器的噪聲分別下降了1.2、2.2 dB。

2019年,南京理工大學劉嘉鑫等以鈦合金材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)炮鋼材料,設(shè)計了一種30 mm口徑的新型的復雜結(jié)構(gòu)炮口制退器[25]。通過對不同結(jié)構(gòu)、材料的炮口制退器性能對比,可以看出鈦合金新型炮口制退器與傳統(tǒng)炮鋼炮口制退器相比,最大應力值降低了16%,最大總變形量降低了40%,炮口制退器的質(zhì)量降低48%,性能得到極大提升,提高了火炮射擊的穩(wěn)定性、射擊精度。

為了解決炮鋼材料強度高但密度大,而鈦合金材料密度小但強度低的問題,吳喜富等設(shè)計了一種由炮鋼內(nèi)層和鈦合金外層組成的復合結(jié)構(gòu)炮口制退器,并基于單向流固耦合理論與瞬態(tài)動力學理論仿真分析了其強度[4]。結(jié)果表明,內(nèi)層炮鋼的最大應力為1 103 MPa,外層鈦合金所受的最大應力為250 MPa,且內(nèi)外層之間的最大剪切應力為92 MPa,各應力均滿足炮口制退器的強度要求,并且炮口制退器的質(zhì)量由120 kg降至87 kg,該設(shè)計方法為炮口制退器的輕量化設(shè)計提供了一種思路。

鈦合金在高溫下存在耐磨性、耐氧化性、耐燒蝕不足等問題。Peng等用TC6鈦合金鍛造制作炮口制退器[12],然后利用電弧離子鍍(AIP)設(shè)備沉積NiCrAIY涂層,經(jīng)熱處理后進行射擊試驗。經(jīng)過400發(fā)射擊試驗后,鈦合金基體及涂層界面均無裂紋和縫隙,NiCrAIY涂層仍然有效,表明該涂層具有良好的韌性、延展性及抗熱性能,彌補了鈦合金材料性能的不足。

3 發(fā)展趨勢

3.1 輕量化

炮口制退器增加了身管質(zhì)量以及起落部分的重力矩,增大了平衡機的負擔和隨動系統(tǒng)設(shè)計的難度,容易引起火炮射擊時的身管振動,對火炮的射擊精度、射速等產(chǎn)生影響。以某型炮口制退器為例,采用傳統(tǒng)炮鋼材料加工的炮口制退器質(zhì)量為92.486 kg,而采用鈦合金材料后的質(zhì)量僅為53.008 kg,減重比高達42.68%,極大地減小了由于炮口制退器質(zhì)量增加帶來的不利影響,炮口制退器的輕量化設(shè)計能夠提升火炮性能、降低有害影響。

3.2 高效低危害設(shè)計

炮口制退器利用高速高壓的火藥燃氣沖擊側(cè)孔來降低后坐力,然而高速高壓的火藥燃氣通過側(cè)孔噴射出后,對周圍產(chǎn)生沖擊波等危害。通過附加消聲碗等方式,雖然炮口沖擊波強度略有增強,但是可以大大降低射擊過程中沖擊波對炮手的危害,顯著改善制退效果[16]。通過這種類似的高效低危害設(shè)計,可以進一步提高炮口制退器的效率,且減小炮口沖擊波、噪聲等對周圍的有害影響。

3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以進一步提高炮口制退器的效率、降低炮口制退器的質(zhì)量,以滿足增強火炮威力的需求。此外,在采用輕質(zhì)材料比如鈦合金作為炮口制退器材料時,由于鈦合金材料的彈性模量比炮鋼小,相同情況下的形變大,因此需要通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化來降低炮口制退器的形變量,保證炮口制退器的可靠性及使用壽命。另外,結(jié)構(gòu)優(yōu)化可提高結(jié)構(gòu)工藝性、降低加工難度,從而降低成本。

3.4 高性能涂層

為了降低由于增重帶來的不利影響,炮口制退器可使用輕質(zhì)材料,然而輕質(zhì)材料存在耐磨性、耐熱性、延展性差且強度低等特點。比如鈦合金材料雖然密度小,但是存在強度低等缺點,通過在鈦合金炮口制退器內(nèi)表面、側(cè)孔及擋板等添加高性能涂層,在一定程度上可以彌補鈦合金材料的缺點,并保持炮口制退器的輕量化要求。因此,研發(fā)具有耐磨性、耐熱性、延展性好,且強度高的涂層材料對于炮口制退器的性能提升具有重要作用。

3.5 增強數(shù)值仿真能力

通過模擬仿真能夠?qū)鹋诘脑O(shè)計進行功能驗證,提前發(fā)現(xiàn)問題、找出不足,有針對性地進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,最大限度提高試驗的成功率,縮減研發(fā)周期,提高效率與經(jīng)濟性。而當前仿真模擬與實際情況存在較大差異,仿真模擬難以考慮到制造誤差、空氣、溫度、濕度以及風速等復雜條件,因此仿真模擬結(jié)果往往與試驗結(jié)果差別較大。增強數(shù)值仿真能力,更好地模擬實際情況,縮小仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的差別,對炮口制退器的研制具有重要意義。

4 結(jié)論

炮口制退器是中大口徑火炮的關(guān)鍵裝置之一,能夠有效降低火炮后坐動能、后坐力,提高連續(xù)射擊精度、射速與機動性等。沖擊反作用式炮口制退器使用范圍最廣,兼具沖擊式炮口制退器和反作用式炮口制退器的優(yōu)點,制退效率較高,且腔室直徑小;沖擊式炮口制退器制退效率高,在大口徑火炮上應用較多,能夠滿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,但腔室直徑小,適用于對炮口制退器直徑要求較高的情況,應用范圍窄。

筆者基于炮口制退器的發(fā)展現(xiàn)狀,分析了炮口制退器的發(fā)展前景,為了適應火炮遠射程、大威力、高機動性的要求,提出了炮口制退器輕量化、高效低危害、高壽命等發(fā)展趨勢。炮口制退器的輕量化設(shè)計能夠提高火炮的機動性,但可能降低炮口制退器強度,導致壽命下降,因此輕量化設(shè)計的同時應保證強度,提高使用壽命。此外,高的制退效率可能導致更大的危害,比如更強的沖擊波以及噪聲,因此在提高制退效率的同時應考慮低危害化設(shè)計。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計可以進一步減輕炮口制退器質(zhì)量,提高制退效率、降低危害,比如采用輕質(zhì)高性能材料,以及在輕質(zhì)材料表面涂抹高性能涂層等。