迫击炮发射载荷缓冲技术研究

刘　松，高跃飞，信义兵，刘海涛

(中北大学 机电工程学院，山西 太原　030051)



迫击炮发射载荷缓冲技术研究

刘松，高跃飞，信义兵，刘海涛

(中北大学 机电工程学院，山西 太原030051)

随着对武器威力与机动性需求的提高，迫击炮也在向着轻量化发展。近年来，通过采用轻型合金材料和复合材料已经可以有效地减小迫击炮炮身和座钣的质量。然而，进一步降低迫击炮质量则受制于迫击炮发射时的冲击载荷。故从减小作用到座钣的发射载荷出发，设计了一种适用于迫击炮的小行程弹性胶泥缓冲器，并建立迫击炮发射动力学模型，基于Matlab对后坐运动进行了分析计算，对缓冲器的流液孔面积、后坐长度、后坐力等进行了分析，确定了缓冲器的结构参数。计算结果表明，笔者设计的缓冲器在不显著增加迫击炮结构尺寸的情况下能够有效降低迫击炮的后坐力。

弹性胶泥；迫击炮；缓冲器；轻量化

由于迫击炮相对于同口径火炮结构简单、质量轻、火力机动灵活，能较好地适应现代特种战斗的需要，因而作为一种有效的火力支援武器得到了广泛的应用。作为伴随火力支援武器，减轻迫击炮的质量成为一个主要的需求。传统迫击炮的炮身与座钣刚性连接，发射载荷由座钣直接传递给地面，利用土壤的变形来吸收后坐能量，座钣的结构尺寸对迫击炮射击稳定性起到了主要的决定作用[1]。然而，由于迫击炮的发射载荷直接由座钣承受，要求座钣质量很大，如我国W86式120 mm迫击炮，炮身重88 kg，座钣重达91 kg。

近年来，轻型复合材料的应用使得迫击炮轻量化取得巨大突破。据报道，美国洛克希德公司曾研制以石墨环氧复合材料作为炮身的81 mm和120 mm迫击炮，同普通钢制炮身相比可减重62%[2]。但是为保证射击稳定性，炮身质量的降低反而会提高座钣的质量要求，如何降低迫击炮发射载荷成为迫击炮轻量化设计的关键。反后坐装置虽然能够大幅吸收后坐能量，但是传统反后坐装置应用于迫击炮后会使全炮结构复杂化，因而近代迫击炮很少采用反后坐装置。

笔者以弹性胶泥为缓冲材料，针对某120 mm迫击炮提出了一种结构紧凑、质量小、适用于迫击炮的缓冲器方案，以达到减小迫击炮发射载荷的目的。

1　弹性胶泥

弹性胶泥是一种由有机聚硅氧烷、抗压剂、填充剂、增塑剂等组成的未交联共混物。作为一种高效缓冲材料，从上个世纪60年代开始研究并已广泛应用于铁路交通缓冲器。

它具有以下特性[3-4]：

1)高阻尼粘弹性：弹性胶泥粘度远远高于水、油等普通液体，可提供很大的粘弹阻尼力。

2)可压缩性：在高压下，弹性胶泥压缩率达15%～20%。在外力作用下可将部分能量转化为弹性势能，外力撤去后体积膨胀复原。

3)稳定性：弹性胶泥在-70～250℃温度范围内稳定可靠，且对人和环境无害。

4)特性可调：添加剂可改善其粘度、粘弹性、抗老化性等特性。

2　缓冲器结构设计与分析

2.1结构设计

常见的胶泥缓冲器按照阻尼方式可分为间隙式、孔隙式和组合式3种结构[4]，如图1所示。双出杆结构活塞两端活塞杆直径不同，通过活塞杆压缩胶泥体积产生弹性力。

针对迫击炮特点，缓冲器构造形式采用单出杆式。对于单出杆式缓冲器，间隙式结构仅依靠端盖孔定位活塞，容易使活塞杆在端盖位置产生径向力偶，破坏其密封性。孔隙式则需在活塞开出较大尺寸的流液孔，不适合小尺寸结构要求。

笔者设计了宽沟槽结构，以缸体内壁定位活塞，保证了活塞径向稳定和足够的流液面积。该缓冲器由缸体、活塞及活塞杆、端盖、密封装置等组成。缓冲器与迫击炮同轴固连于炮尾，活塞外端作炮杵与座钣驻臼配合。如图2～4所示。

设计参数为：缸体内径：120 mm；活塞直径：120 mm；活塞杆直径：24 mm；活塞厚度：20 mm；胶泥粘度：5×106cst；胶泥密度：970 kg/m3；胶泥体积模量：1.7×109Pa。

2.2作用原理

1)后坐阶段，一方面活塞压缩胶泥通过沟槽流液孔，产生粘滞阻尼，将部分后坐能量转化为热能消耗；另一方面随着行程增大，活塞杆占据工作腔空间，压缩胶泥体积，使部分后坐能量转化为弹性势能。这一过程相当于制退机作用。

2)复进阶段，胶泥在弹性作用下推动活塞复进到位，胶泥反向流经流液孔，产生粘滞阻尼消耗复进能量，起到复进节制的作用。这一过程相当于复进机。

2.3缓冲器动力学模型

胶泥阻抗力包括三方面[5]：预压力、胶泥体积压缩产生的弹性力和胶泥流经流液孔产生的阻尼力。该动力学模型可由开尔文-沃伊特模型描述，如图5所示。

1)预压力F0

预压力产生于胶泥的预压缩，即充入胶泥体积大于缸体容量。预压力太小会降低缓冲器工作效率，过大则使缓冲器在非工作时承受较大载荷。取预压力F0=10kN。

(1)

式中：V0为胶泥预压体积；P0为预压压强；A为活塞面积；E为胶泥体积模量；V为工作腔容积。

2)胶泥体积压缩产生的弹性力FS

由体积模量定义可得

(2)

式中：Ag为活塞杆截面积；x为后坐行程。

3)胶泥粘滞阻尼力FV

(3)

大量试验表明，阻尼力与速度并非呈单纯的线性关系，因而引入速度相关系数更真实反映阻尼力的大小。由流体切应力关系得到阻尼系数公式[6]：

C=Kπdlμeθh′

(4)

式中：K为切应力系数；θ为补偿系数；h′为环形间隙等截面积当量间深度；d为活塞杆直径；l为活塞厚度；μ为胶泥动力粘度。

最终得到阻抗力为

(5)

3　全炮动力学分析

1)炮膛合力Fpt

迫击炮是一种特种作战火炮，具有不同于其他火炮的特点，如炮弹尾翼稳定、弹体与膛壁存在间隙、特殊的装药结构和点火方式等。其內弹道计算也与一般火炮有很大不同，主要体现在基本装药与辅助装药混合燃烧、气体流失、较大热散失、次要功计算等方面[7]。

笔者编写了基于Matlab的迫击炮內弹道程序，求解得到炮膛合力数据，如图6所示。

2)缓冲器力：包括胶泥阻抗力F和密封装置摩擦力νmhg，其中经验系数ν取0.3,mh为后坐部分质量。

3)缓冲机力：迫击炮缓冲机作用是建立炮身与炮架的弹性连接，在后坐过程中吸收的能量很小，因此忽略缓冲机作用力。

4)重力沿轴向分量：mhgsinφ，取最大射角φ= 85°。

(6)

4　Matlab仿真计算

4.1程序设计

笔者基于Matlab对迫击炮后坐运动过程进行了仿真计算。

首先进行了内弹道计算，为了便于后坐微分方程的求解，对炮膛合力进行修正，采用拉格朗日差值法得到任意时刻炮膛合力值。后坐微分方程的求解采用四阶龙格-库塔(R-K)法。在对后坐运动的膛内时期、后效时期、惯性时期3个阶段求解时，采用变步长方法，使各阶段的起始点与方程组边界时刻一致。程序设计框图如图7所示。

4.2结果分析

4.2.1发射载荷缓冲性能分析

当弹性胶泥参数、缓冲器主体尺寸选定后，后坐力的大小与胶泥体积和流液沟槽截面积有关。通过改变沟槽深度参数，并根据后坐长度修正胶泥体积，多次计算得到不同沟槽深度条件下后坐力随时间变化曲线，如图8所示，其中未使用缓冲装置时后坐力即炮膛合力Fpt，峰值大小为1 210 kN。后坐长度随沟槽深度变化曲线如图9所示。

结合图8和图9可知，在一定范围内后坐力峰值随流液孔面积增大而增减小，但是随着流液面积的增大，缓冲器阻尼力减小，后坐长度相应增加。当沟槽深度h=5 mm时，后坐长为59 mm，后坐力峰值为718 kN，降幅1/3；h=3 mm时，后坐长为42 mm，后坐力峰值为930 kN，降低了1/5。

按照小尺寸结构要求，选定沟槽深度h=3 mm，后坐长在42 mm，图10和图11分别为该条件下后坐力随时间和后坐位移变化曲线。

4.2.2复进稳定性分析

加装缓冲器后，若复进速度过大会导致复进到位冲击问题，影响射击稳定性。图12所示的后坐速度曲线表明，复进速度平缓稳定，复进到位时无明显冲击。

4.2.3全炮减重效果分析

本文所用迫击炮的相关参数为：炮身50 kg，座钣62 kg，炮架32 kg，弹药14 kg，炮口初速340 m/s。

迫击炮设计中，常采用载荷作用的全冲量来估算座钣质量[1]，表示为

(7)

式中：M为座钣质量；g为重力加速度；c为经验系数，根据已知参数确定经验系数c=7.83s；I为炮膛合力全冲量，一般近似取弹丸出炮口动量，即I=mv0。

加装缓冲器后座钣所受载荷全冲量由后坐力曲线求得Ih=3 748N·s。最终求得座钣质量估算值M= 48.9kg。同座钣原重相比减重达13kg。另外，由于发射载荷峰值降低，对座钣刚度要求降低，有利于座钣结构的进一步优化。

设计缓冲器结构长度约120mm左右(只考虑了增加部分)，质量估算约6kg。需要指出的是由于缓冲器缸体与炮尾固联，可视为炮身的一部分，本文求解后坐运动方程时仍采用了原有炮身质量，这样处理的依据在于，缓冲器质量的增加可以用轻型材料炮身补偿。原有迫击炮炮身质量的进一步降低限制于发射载荷过大，射击稳定性难于保证，而非材料技术问题。本文研究的目的就在于为轻型材料炮身和座钣轻量化技术的进一步应用提供前提。因而，缓冲器对全炮质量的增加主要体现在活塞、活塞杆和胶泥质量，约2.5kg。

综上分析，在本文设定的仿真条件下，该缓冲器可降低10kg左右，效果明显。

4.2.4缓冲器结构可靠性分析

缸体、活塞、活塞杆强度可通过强度校核或有限元分析保证。可靠性薄弱的位置主要是端盖与缸体的螺纹连接，对此可考虑焊接固联。而由于胶泥分子量较大，密封要求低。南京理工大学曾以硅油(即弹性胶泥)为驻退液研制出一套火炮反后坐装置，并指出其密封性是可以保证的[9]。另外弹性胶泥高低温稳定性良好，对环境敏感性较低。参考铁路交通所用大载荷胶泥缓冲器，其检修期为10年，使用寿命达30年。综上所述，通过采取适当措施，胶泥缓冲器可靠性是可以保证的。

5　结束语

弹簧、液压、橡胶是常用的缓冲方式，但是弹簧质量大、使用寿命短；而液压油受温度影响大、勤务复杂；橡胶能量吸收率有限。弹性胶泥克服了上述

缺陷，且密封要求低，勤务方便。弹性胶泥兼具弹性与粘滞阻尼特性，且体积模量较大，对于迫击炮这种大载荷短行程后坐情况是一种理想的缓冲材料。

笔者设计的迫击炮用缓冲器由单一缸体实现了制退复进机功能，结构紧凑。研究表明，该缓冲器用于迫击炮后在不明显增加全炮结构尺寸和重量的情况下可降低迫击炮发射载荷1/5以上，为轻型复合材料炮身的应用、座钣轻量化设计提供了前提条件。

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Buffering Technology of the Launching Load of Mortar Weapons

LIU Song, GAO Yuefei, XIN Yibing, LIU Haitao

(Mechatronic Engineering College, North University of China, Taiyuan030051, Shanxi, China)

With the demand for the artillery power and mobility rising, light-weight design of mortar has become an important direction of research. In recent years, the application of light alloy materials has reduced the mortar weight to a large extent, while the further weight reduction was confined to the launching load. A kind of buffer using elastomer as cushioning material was designed to lighten the weight of platebase. The launching dynamics model of the mortar was established, analyzed and calculated based on Matlab. The design parameters needed were obtained from the data of liquid flowing area, recoil length and recoil force. The calculating result shows that this kind of device is able to reduce the recoil force efficiently without adding the mortar size significantly.

elastomer； mortar; buffer; light-weight design

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.02.008

2015-10-30

刘松(1989—)，男，硕士研究生，主要从事武器系统动力学与仿真技术研究。E-mail：975852775@qq.com

TJ31

A

1673-6524(2016)02-0036-05