某大口径火炮炮口制退器改进研究

刘 辉，梁其诚

(海南省军区某军械修理所,海南 海口 570100)

炮口制退器是火炮的关键部件之一，其主要作用是发射时消耗一部分后坐能量，减小火炮后坐对炮架的作用力，对炮口制退器的性能影响因素进行分析和改进，有助于提高火炮的机动性，增强战斗力。国内对炮口制退器的研究起步稍晚，但进展很快，成果显著[1-3]。目前炮口制退器作用机理和相关理论已相对成熟，但随着新的火炮武器装备的研制，炮口制退器依然是国内外火炮研究领域的研究热点。

衡量炮口制退器的性能的首要指标是制退器的制退效率和炮口冲击波超压值，在提升制退效率的同时往往会增大炮口冲击波超压值，如何提高制退器效率并降低炮口冲击波超压值是笔者着力解决的主要问题。通过对已有研究成果的总结和对本制退器内部结构的理论计算，已得知对制退器性能影响的灵敏因子，即侧孔倾角的大小影响灵敏度最大，其次为侧孔面积，最后为中央弹孔面积。笔者通过对制退器的侧孔倾角、侧孔面积和中央弹孔面积的参数进行改进后，应用计算流体动力学仿真软件FLUENT建立原制退器和改进制退器的二维仿真模型，仿真对比分析其效率和炮口冲击波超压值，证明改进后的制退器具有更高的制退效率和较低的炮口冲击波超压值。

1 理论计算

应用改进的奥尔洛夫法对制退器进行理论计算，各侧孔角度、侧孔面积和中央弹孔面积对炮口制退器效率的灵敏度的影响如图1～图3所示。

根据上述计算结果取制退器效率最大时的侧孔倾角、侧孔面积和中央弹孔面积相应的结构参数，其原结构和优化结构参数如表1和表2所示。

表1 原炮口制退器主要参数

表2 改进后炮口制退器主要参数

2 仿真对比分析

炮口制退器在炮弹发射瞬间，气流为冲击式，流动状态呈现无序的混乱形式，制退器各部位压力、各质点的速度随时间和空间的变化发生不规则的脉动，而且炮口气流为多组分、气固两相并伴随有化学反应，想要建立一个准确且全面的数学模型很困难[4-6]。把模型进行适当的简化处理，炮弹发射瞬间有冲击波，忽略炮弹对流场的影响，简化为炮口制退器的入口定义为速度，该研究对象为非定常流问题，通过设计时间步长和时间步数来研究火药后效期的流场分布，把弹丸离开炮口时定义为零时刻。

2.1 控制方程数学模型

选择欧拉方程，不考虑化学反应、重力以及温度等因素。

(1)

(2)

方程的积分形式表示为：

(3)

非定常流的控制方程的离散格式，选为二阶迎风格式，流场迭代选择Simple算法。

2.2 建立模型和定义相关参数

根据内弹道学理论，火药燃气作用从击发到后效期划分为三个阶段：启动阶段、弹丸在膛内运动阶段和火药气体后效阶段。这里主要研究火药后效期阶段流场的分布，火药后效期的气体平均速度根据装药号得出为900 m/s，因此入口定义其速度为900 m/s；时间步长定义为0.001 s；时间步数设置为10，即迭代时间为0.01 s。环境设置为常温常压下，流体为空气，初始化后设置参数的收敛精度为默认值0.001[7]。

图4为炮口制退器的实物图和三维仿真流体模型，图5为改进后制退器的三维仿真模型，在炮口制退器周围划分2 m×2 m的边界区域。

2.3 仿真结果分析

图6为原制退器和改进后制退器在2 ms时的速度等值线图，对比可知，改进后的制退器流量的分配比更加均匀，各侧孔出口处的气体速度差值减少，这样使得制退器外部的紊流强度减小，同理外部的压强也会趋于平衡，从而使得火炮周围的超压值降低。

图7为原制退器和改进后制退器在2 ms时的动压等值线图，对比可知，原制退器的动压主要分布在制退器第2对侧孔的侧后方，改进后的制退器各侧孔外围的动压分布较均衡，往后侧喷射的气流被分散往制退器两侧喷射，相当于改进后压力的冲击面积增大，从而使得对单点的压力值降低。

图8为侧孔挡板在0.3 ms时刻所受的动压力曲线图，图9为后壁在1 ms时刻所受的总压曲线图，通过数据整理得到原制退器和改进后制退器侧孔所受动压的最大压力值和后壁所受的最大总压值如表3所示。

表3 原制退器和改进后制退器挡板最大动压和后壁最大总压

制退器的制退效果主要通过制退器侧孔的挡板受力实现，由表3可知，经过改进的制退器各侧孔在0.3 ms和1 ms时刻的受力比原制退器受力更加均匀平衡，并且改进的制退器所受的轴向合力更大，因此其制退效率也将更高。在0.1 ms和1 ms时刻原制退器后壁总压分别195 kPa和78 kPa，而改进后的制退器为39 kPa和34 kPa，所以改进后制退器对后壁的冲击超压值要小得多。

3 结 论

制退器的制退力主要为气流对侧孔的轴向作用力之和，由表3得知改进制退器对侧孔的轴向合力比原制退器对侧孔的轴向合力大得多，说明改进制退器的制退效率更高。以上仿真分析在制退器的四周建立了2 m×2 m的边界区域，通过仿真得知改进制退器对后壁冲击力要比原制退器小得多，说明改进制退器降低了炮口冲击波超压值。综上所述，改进制退器性能比原制退器优越，具有较高的实用价值。

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