膛口制退器与缓冲器匹配对后坐力的影响

肖俊波,杨国来,李洪强,邱 明,廖振强

(南京理工大学 机械工程学院,江苏 南京 210094)

膛口制退器与缓冲器匹配对后坐力的影响

肖俊波,杨国来,李洪强,邱 明,廖振强

(南京理工大学 机械工程学院,江苏 南京 210094)

安装高效的膛口制退器是降低小口径自动炮后坐力的有效手段,以某小口径自动炮为研究对象,设计了4种膛口制退器,并重新设计了缓冲器,建立了小口径自动炮低后坐发射刚柔耦合动力学模型并进行了仿真,合理匹配了制退器与缓冲器二者的参数,使该武器的后坐力得到了明显的降低。如果制退器与缓冲器二者的参数匹配不好,则制退效率高的制退器的后坐力甚至可能会大于制退效率低的制退器的后坐力。研究结果表明,只有将高效的膛口制退器与缓冲器的参数合理匹配,才能使小口径自动炮的后坐力得到显著降低。

小口径自动炮;膛口制退器;缓冲器;后坐力;匹配

小口径自动炮是一种应用广泛的高效武器系统。本文所涉及的某小口径自动炮理论射频较高,弹丸初速高于950 m/s。强大的后坐力对安装平台冲击较大,剧烈振动会影响炮身零件的使用寿命,同时会导致火炮发射状态难以控制,从而严重影响射击精度。因此,大幅度降低小口径自动炮发射时的后坐力,并提高自动火炮的射击精度成为自动火炮技术中的一项极其重要的研究课题。黄君政等[1]针对小口径高射频火炮系统,运用键合图理论建立了全炮缓冲运动的动力学模型,对3种不同缓冲器进行了仿真对比,得到减小后坐力的最佳途径。郭竞尧等[2]提出了采用增大后坐长度,弹箱与自动炮共同浮动射击来降低后坐力的方法。赫雷等[3]对在预压双向弹簧缓冲器和高效膛口制退器共同作用下的非、弱和强3种耦合发射模式进行了数值仿真计算,得出发射装置的受力和运动规律。

安装高效的膛口制退器是降低小口径自动炮后坐力的有效手段。为了降低小口径自动炮的后坐力,本文设计了4种不同制退效率的膛口制退器,对安装高效膛口制退器的某小口径自动炮建立了自动发射刚柔耦合动力学模型,进行了深入的仿真分析,通过将高效的膛口制退器与缓冲器的参数进行合理匹配,使该武器的后坐力得到非常显著的降低。

1 膛口制退器的计算

1.1 膛内火药气体内弹道方程

计算火炮射击时膛口制退器的制退效能,首先要计算内弹道和后效期内膛内和膛口处的气体参数。

对于某小口径自动炮的内弹道计算,内弹道方程组为[4]

(1)

式中:ψ为火药燃去百分数;χy,λy,μy为药形系数;Z为火药已燃相对厚度;Ik为压力全冲量;pa为内弹道时期膛内平均压力;nr为燃速指数;φ为次要功计算系数;md为弹丸质量;vd为弹丸速度;Ss为身管线膛内截面积;lψ为药室自由容积的缩径长;lx为弹丸在线膛内的行程;l0为药室容积缩径长;f为火药力;ω为装药量;k为绝热系数;ρz为装填密度;ρp为火药密度;αp为火药气体余容。内弹道其他各相关参数意义选取可参考文献[5]。

1.2 膛内火药气体后效期方程

内弹道时期结束后,后效期气体运动开始。此时膛内火药气体继续由膛口向外流动,身管内火药气体流动可看做一维准定常流动。内弹道计算中所得到的气体参数均为平均参数,在计算后效期内膛口气体外流时需考虑到气体流动随枪膛轴线的分布情况。内弹道结束时,膛内火药参数沿枪膛轴线的分布为[6]

(2)

式中:px,ρx,Tx和vx分别为后效期膛内x截面处的火药气体压力、密度、温度和速度;pk0,ρk0,vk0和ck0分别为后效期膛口处火药气体的压力、密度、流动速度和声速;x和L分别为截面距膛底距离和身管总长;nd为多变指数;γ为绝热指数。后效期膛内气体平均压力pb、平均密度ρb和平均温度Tb由下面诸式给出:

(3)

式中:μk0为膛口气流的流量系数,V为身管内膛(包括线膛与弹膛)的总容积。

进一步,可得:

(4)

Tb=Tk(1+Bt)-2

(5)

式中:pk,ρk,Tk和ck分别为内弹道刚结束,即后效期刚开始时膛内气流的平均压力、平均密度、平均温度和平均声速,可由内弹道求得,而B为常数,故膛内气流后效期的气流参数随身管位置和时间的变化规律由上述方程和表达式可得。

1.3 制退器计算

身管在未安装膛口制退器时所受到的后坐力[7]为

Fh=qm,k0vk0+pk0μk0Ss-0.5qm,k0vk0=
0.5qm,k0vk0+pk0μk0Ss

(6)

式中:qm,k0为膛口处的气体质量流量。

身管安装膛口制退器后,身管武器所受到的制退力包括多排孔式膛口制退器的受力和膛内气体流动所产生的反作用力两部分。对于多排孔式膛口制退器,第i个腔室内的气体膨胀度为

(7)

令

式中:Sb,i和Sc,i分别为第i个制退腔边孔道和中央弹孔的面积,χi和λi分别为第i个制退腔与膛口处的压力比和速度比,ηi为第i个制退腔的相对流量,μb,i和μc,i分别为第i个制退腔边孔道和中央弹孔的流量系数,φb,i为第i个制退腔与膛口处的速度损失系数。

对于气体膨胀度和压力比的求解,可以利用迭代法求得。将式(7)进行变换:

(8)

于是,写出迭代求解公式为

利用式(8)求解式(7),得出膨胀度和压力比。根据膨胀度,即可求得:

式中:pc,i、pb,i,vc,i、vb,i分别为制退器第i个制退腔的中央孔道、边孔道的气体压力和速度。

第i个制退腔室的边孔道流量qm,b,i和中央弹孔流量qm,c,i分别为

qm,b,i=ηi(1-ηi-1)…(1-η1)qm,k0
qm,c,i=(1-η1)(1-η2)…(1-ηi)qm,k0

则安装有多排孔式膛口制退器后武器的制退力为

(9)

式中:αb,i为第i个边孔道轴线与身管轴线角度。于是,安装膛口制退器后武器的制退效率可以表达为

(10)

本文设计的高效膛口制退器侧孔共计7排,参见图1,侧孔的轴线与x轴正向倾斜成某一合适角度。自动火炮发射时,火药气体经过多排侧孔向斜后方喷出。剩余一小部分气体最后经由中央弹孔喷出。

图1 高效膛口制退器

已知该炮弹初速v0,弹丸质量md,装药量ω,可计算出在内弹道时期和后效期火药气体对身管的作用冲量。应用身管武器后效期气体动力学后坐冲量计算方法[7],计算得到某小口径自动炮无制退器时的后坐冲量。经过设计与相关计算,得出表1所示的膛口制退器设计方案的关键参数。表中N为侧孔排数。

表1 膛口制退器设计方案关键参数

2 小口径自动炮低后坐发射刚柔耦合动力学模型

为了将高效的膛口制退器与缓冲器的参数合理匹配,使该武器的后坐力得到非常显著的降低,本文对安装高效膛口制退器的某小口径自动炮建立了自动发射刚柔耦合动力学模型。

为了既能反映自动机的运动状况和架座受力情况又能将问题简化,对模型做如下假设:①除了将自动炮的身管和架座作为柔性体考虑,其余各零部件都视作匀质刚体;②忽略运动副间隙;③后坐力以摇架与架座之间的弹簧力表征;④摇架只沿枪管轴线方向运动;⑤不考虑输弹动作给全炮的激励作用;⑥未考虑抛壳动作的影响。

利用ADAMS与Solidworks之间的数据接口,将武器系统的CAD实体模型导入ADAMS,按照武器系统各刚体运动情况和受力情况,添加相应运动副和力元关系。

对于多体系统的运动学分析,传统的理论力学是以刚体位置、速度和加速度的微分关系以及矢量合成原理为基础进行分析的,而计算多体系统动力学中的运动学分析则是以系统中连接物体与物体的运动副为出发点,位置、速度和加速度分析都是基于与运动副对应的约束方程进行的。

本文建立的某小口径自动炮动力学模型主要有膛底压力、抽壳阻力、缓冲器簧作用力、膛口制退器制退力。

①膛底压力。膛底压力分为静力燃烧时期、内弹道时期和后效期3个阶段,膛底压力可由内弹道方程组的求解程序求得。

②抽壳阻力。抽壳阻力是指拉壳钩从炮膛中把弹壳拉出时所遇到的阻力。将锥形弹壳看作是一个具有平均直径和平均壁厚的圆柱形弹壳。

③缓冲器弹簧作用力。该自动炮模型弹簧有身管双向缓冲簧一对,在ADAMS虚拟样机上,根据弹簧的设计刚度和预压力施加作用。

④膛口制退器制退力。本文中小口径自动炮采用半开腔式多腔膛口制退器,结合具体结构特征,根据上面给出的计算公式并通过Matlab编程,计算得到膛口制退力随时间的变化曲线,在ADAMS虚拟样机中,通过建立传感器施加载荷。

根据上述建立的自动炮刚柔耦合动力学模型,对于安装各种不同制退效率的膛口制退器与各种不同参数的缓冲器相结合的多种减后坐方案,进行了大量仿真分析,以便找出膛口制退器与缓冲器的匹配性能令人满意的组合。

3 动力学仿真及结果分析

3.1 动力学仿真结果曲线

为了说明膛口制退器与缓冲器的匹配性能对后坐力的影响,表2中给出5种膛口制退器与缓冲器的不同匹配方案的计算结果。表中,K为缓冲簧刚度,Fp为缓冲簧预压力,vmax为炮身最大后坐速度,lmax为炮身后坐位移,Fmax为火炮总后坐力。通过分析对机框的后坐速度、后坐位移以及后坐力可以得到整个小口径自动炮系统的低后坐发射性能。

表2 各方案后坐运动仿真结果

为了更具体地了解小口径自动炮系统的低后坐发射性能,下面给出方案1、方案2、方案5和方案6 4组代表性的计算结果曲线。

1)方案1计算结果曲线。

小口径自动炮仅采用环簧缓冲器(不安装膛口制退器)时,单根缓冲簧刚度为600 N/mm,预压力为13.5 kN。通过上述建立的数学模型仿真计算,得到炮身的后坐速度v、后坐位移l以及炮身所受到的缓冲器的缓冲簧力F曲线,如图2～图4所示。

图2 方案1炮身运动速度曲线

图3 方案1炮身运动位移曲线

图4 方案1双侧缓冲器的缓冲簧力曲线

连发射击时,炮身所受到的最大后坐力是其双侧缓冲器的缓冲簧力曲线的最大值。

2)方案2计算结果曲线。

小口径自动炮采用原环簧缓冲器,单根缓冲簧刚度为600 N/mm,预压力为13.5 kN,并安装制退效率为60.2%的膛口制退器。炮身的后坐速度v、后坐位移l以及炮身所受到的缓冲器的缓冲簧力F曲线,如图5～图7所示。

图5 方案2炮身运动速度曲线

图6 方案2炮身运动位移曲线

图7 方案2双侧缓冲器的缓冲簧力曲线

3)方案5计算结果。

膛口制退器的制退效率为51.8%,新设计的弹簧缓冲器在身管两侧左右对称分布。新设计的缓冲器中单根缓冲簧刚度为200 N/mm,预压力为4 kN。炮身的后坐速度v、后坐位移l以及炮身所受到的缓冲器的缓冲簧力F曲线如图8～图10所示。

图8 方案5炮身运动速度曲线

图9 方案5炮身运动位移曲线

图10 方案5双侧缓冲器的缓冲簧力曲线

4)方案6计算结果。

新设计的缓冲器中单根缓冲簧刚度为200 N/mm,预压力为4 kN。为获得大幅度的减后坐效果,在小口径自动炮方案的基础上安装制退效率为60.2%的膛口制退器,炮身的后坐速度v、后坐位移l以及炮身所受到的缓冲器的缓冲簧力F曲线如图11～图13所示。

图11 方案6炮身运动速度曲线

图12 方案6炮身运动位移曲线

图13 方案6双侧缓冲器的缓冲簧力曲线

3.2 仿真结果验证

为了验证本文建立模型的正确性,对方案2进行了5连发射击验证试验,图14为相应的炮身运动位移试验曲线。

图14 炮身运动位移试验曲线

表2为方案2最大后坐位移试验值与仿真值的比较。表中,lmax为最大后坐位移,δ为相对误差。

表3 方案2模型5连发最大后坐位移

由表3看出,方案2的计算结果与实际测试数据相对误差较小,表明试验曲线与计算曲线基本相符,故本文建立的刚柔耦合动力学模型能正确反映小口径自动炮的连发射击过程,具有较高的可信度,满足分析要求。

3.3 仿真结果分析

①对于仅有原缓冲器,但没有安装膛口制退器的小口径自动炮方案1,通过仿真计算得到最大后坐力为50.944 kN,最大后坐运动位移为19.42 mm。该计算表明:小口径自动炮方案仅采用环簧缓冲器减小后坐力效果较差,后坐力很大。

②对于小口径自动炮减后坐方案2,采用原环簧缓冲器,并加装一个新的高效膛口制退器(膛口制退效率为60.2%),通过仿真计算得到最大后坐力为38.956 kN,最大后坐运动位移为9.07 mm。该计算表明:小口径自动炮方案虽然加装了一个制退效率很高的制退器,但因为与其相结合的原环簧缓冲器匹配性能不好,使得总体减后坐效果仍较差,后坐力仍然较大。

③对于安装膛口制退器与新缓冲器相结合的小口径自动炮减后坐方案5,单根缓冲簧刚度为200 N/mm,预压力为4 kN的缓冲器,就可以使发射后坐力降低为17.463 kN,后坐行程为21.1mm,实现了后坐力大幅度降低的目标。虽然方案5使用的膛口制退器制退效率不及方案2,但由于制退器与缓冲器匹配得当,反而使最后产生的后坐力明显小于方案2。

④对于安装膛口制退器与新缓冲器相结合的小口径自动炮减后坐方案6,可以使发射后坐力降低为16.825 kN,后坐行程为19.04 mm,实现后坐力大幅度降低的目标。

方案6的后坐力相对于方案1和方案2得到了大幅度降低,但是仍不能说它就是制退器与缓冲器的最佳匹配结果,要得到制退器与缓冲器的最佳匹配,理论上应该采用最优化计算方法,即先确定合适的膛口结构参数作为优化设计变量,然后提出合适的目标函数,给出相关的约束条件,最后再采用合适的优化计算方法求解最优化数学模型。这是下一步需要开展的工作。

4 结论

膛口制退器技术与缓冲器技术属于经典的自动火炮减后坐技术,本文从减小某小口径自动炮后坐力的问题出发,设计了4种高效膛口制退器,并重新设计缓冲器,通过对该小口径自动炮低后坐发射动力学进行建模仿真,合理匹配确定制退器与缓冲器二者的参数,可以显著降低该武器的后坐力。本文的研究结论如下:

①高效的膛口制退器如果与缓冲器参数匹配不好,则不一定能有效降低后坐力,例如上面的计算实例方案2,只有将高效的膛口制退器与缓冲器的参数合理匹配,才能使小口径自动炮的后坐力得到显著降低。例如上面的计算实例方案6。

②通过比较方案2与方案5,发现小口径自动炮膛口制退器的减后坐性能不仅与制退效率有关,而且与自动炮安装的缓冲器参数匹配有关。如果制退器与缓冲器二者的参数匹配不好,则制退效率高的制退器对应的后坐力甚至可能会大于制退效率低的制退器对应的后坐力。

③通过比较方案5与方案6,发现如果制退器与缓冲器二者的参数匹配适当,则制退效率高的制退器对应的后坐力才会低于制退效率低的制退器对应的后坐力。

上述研究结果可以为大威力小口径自动炮低后坐发射的后续研究提供理论依据和应用参考。

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InfluencesofMatchingMuzzleBrakeandBufferonWeaponRecoil

XIAO Jun-bo,YANG Guo-lai,LI Hong-qiang,QIU Ming,LIAO Zhen-qiang

(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

It is an effective means of reducing small-caliber automatic gun recoil to install the high-efficiency muzzle brake.Taking a small-caliber automatic gun as the research object,four kinds of muzzle brake were designed,and the buffer was redesigned.The dynamic rigid-flexible coupling model of small caliber automatic gun with low recoil was established,and the simulation was carried out.The parameters of the muzzle brake and the buffer were properly matched to significantly reduce the recoil of the weapon.If the parameters of muzzle brake and the buffer is not properly matched,the corresponding recoil of high-efficiency muzzle brake may be even greater than that of low-efficiency muzzle brake.The result shows that only reasonably matching the high efficiency muzzle brake and buffer can significantly reduces the chain gun recoil.

small-caliber automatic gun,muzzle brake,buffer,recoil,matching

TP391.9

A

1004-499X(2017)04-0086-07

2017-04-01

国家自然科学基金项目(51376090;51375241;11572158)

肖俊波(1981- ),男,博士研究生,研究方向为武器总体及虚拟样机技术。E-mail:jobxiao1201@163.com。