低后坐力武器喷管推力特性研究*

郭保全，黄 通，丁 宁，武宪威，栾成龙

(1 中北大学机电工程学院，太原 030051；2 中北大学军民融合协同创新研究院，太原 030051)

0 引言

利用内能源技术降低枪炮发射时产生的巨大后坐力，一直是国内外身管武器减后坐技术研究的重点[1]。目前内能源减后坐技术主要有两个方面，即以控制膛口气流为核心的膛口制退技术[2]和以产生后喷动量为核心的无后坐技术[3]。其中无后坐技术由于降低后坐力效率较高，适合于轻量化高机动武器发展，近年来得到了研究学者的广泛关注。

早期的无后坐技术直接利用膛内的火药燃气向后喷出进行动量平衡，造成了火药能源的浪费，也使得发射特征增大，不利于战场生存。为此，相关研究人员在气流出口处安装了喷管，使得流出喷管的气流速度增加，从而减小了喷出的气流量，提高了燃气利用效率，减弱了发射特征，同时喷管还将高温燃气能量通过膨胀加速，为发射装置提供了一定的反推力，降低了发射装置所受的后坐力，有利于发射装置的稳定[4]。然而，目前针对喷管对无后坐技术武器作用效力的研究相对较少，主要还是集中于该型发射技术的内弹道研究上[5-6]。

文中以某型低后坐力武器为研究对象，针对喷管对后坐力的作用效力，重点研究低后坐力武器射击状态下的喷管流场特性和推力特性，分析了低后坐力武器喷管的作用过程，并根据特性仿真结果探究了喷管结构参数对推力特性的影响，研究结果可以为低后坐力武器的设计工作提供依据。

1 基本原理

喷管是产生推力的结构部件，主要是将火药燃气的热能转换为动能，从而形成高速燃气射流向后喷出产生推力，其结构如图1所示，按照型面变化可以分为收敛部、喉部和扩张部。

图1 喷管结构图

喷管推力主要是由动量推力和静推力组成，其中，动量推力表现为火药燃气后喷产生的后喷动量；静推力由火药燃气在喷管处膨胀做功，作用在喷管扩张部的内壁面。火药燃气通过喷管作用在发射装置上的不平衡力是影响低后坐力武器射击稳定性的主要因素，主要由型面阻力、静推力和摩擦阻力组成。即：

F=Ftj+Ffx+Ffz

(1)

式中：F为喷管不平衡力；Ftj为喷管静推力；Ffx为型面阻力；Ffz为摩擦阻力。

2 推力特性分析

2.1 模型建立

文中以某型82 mm无后坐力炮尾喷管为研究对象，已知其药室部半径r1=46 mm，尾喷管喉部半径r2=34 mm，尾喷管出口部半径r3=70 mm，收敛部长度l1=33 mm，喉部长度l2=10 mm，扩张部长度l3=210 mm。

建立喷管模型计算区域如图2所示，其中，区域1为无后坐力炮尾喷管的计算域，区域2为羽流的计算域，AB为气流入口，定义为压力入口边界，AC和BD为简化的喷管无厚度壁面，定义为无滑绝热壁面，EFG和HMN为外流场入口，定义为压力远场边界，EC、HD和GN为羽流流场出口，定义为压力出口边界。

2.2 喷管作用过程

低后坐力武器发射时，随着火药的燃烧，膛内压力增大，火药燃气推动弹丸向前运动，部分火药燃气向后运动，产生后喷动量。如表1所示，在火药燃气作用初期，燃气推动膛内空气向后运动。首先作用在收敛部内壁面，然后经喉部压缩后喷出，迅速碰撞作用在扩张部内壁面；其后，随着火药继续燃烧，膛内压力的不断升高，高温高压燃气喷出喉部，在喷管尾部形成超音速燃气泡，带动并吸附扩张部内壁面附近空气，在扩张部内壁面形成低压区；当膛内压力开始下降时，由于作用压力下降，喷出喉部的火药燃气开始膨胀，向周围扩散，逐渐作用在喷管扩张部内壁面上，形成向外的作用力；随着膛内压力的继续下降，作用在喷管扩张部内壁面的火药燃气压强开始下降，并逐渐下降到等大气压。

图2 模型计算区域

2.3 数值模拟与分析

火药燃气通过喷管作用在发射装置上的力是影响低后坐力武器射击稳定性的主要因素，其主要由收缩部的型面阻力与扩张部的静推力组成。由于喷管收缩部位于内膛底部，型面阻力主要受到膛内压力的影响。如图3所示，在火药燃气开始作用的瞬间，型面阻力出现阻力峰值，该现象与文献[7]和文献[8]的研究结果一致，这是由于膛压瞬间升高推动膛内原有空气快速向后运动，使得作用在收缩面上的压力迅速增大，因为膛内空气有限，型面阻力在出现阻力峰值后迅速回落，然后随着膛压的变化而波动变化。

静推力作用在喷管扩张部内壁面形成向前的推力，在低后坐力武器中用于抵消部分型面阻力，保持射击稳定性。喷管静推力变化规律如图4所示。

在火药燃气开始作用瞬间，喷管静推力也出现推力峰值，但与收缩部型面阻力峰值现象相比，喷管推力峰值出现的时间相对靠后，这是因为两个力作用位置先后的影响，型面阻力作用的收缩部相对靠前，同时喷管推力峰值大于型面阻力峰值，这是由于气流经过喷管喉部流速增大，迅速膨胀后压力增加，作用在扩张部内壁，直至高温高压的火药燃气喷出喉部，推力峰值回落；此时，高压燃气冲出喷管，在喷管尾部产生一个超音速燃气泡，使得喷管尾部出现类似的“抽真空”现象，形成喷管负推力，直至膛内燃气压力下降，喷出喷管喉部的燃气进入欠膨胀状态，作用在扩张部内壁面的压强逐渐升高，随着膛内压力的继续下降，作用在扩张部内壁面的压强开始下降，因此喷管静推力在火药燃气作用的中后期呈现出先增大后减小的变化规律。

表1 喷管燃气射流典型时刻状态变量

图3 型面阻力变化规律

图4 喷管静推力变化规律

在喷管处产生的不平衡力如图5所示，该力整体上呈现出先振荡后趋于平缓的趋势。在射击初期中，由于受到喷管结构和膛内空气的影响，不平衡力产生振荡且峰值出现，其后随着膛压的变化而逐渐变化并趋于平稳。

3 参数分析

3.1 收敛半角

收敛半角对低后坐力武器喷管不平衡力的影响如表2所示。显然，收敛半角的变化对不平衡力的影响较小，随着收敛半角的增大，不平衡力逐渐增大，但增幅较低。这是由于随着收敛半角增大，收敛部对火药燃气的阻碍作用增强，使得收敛部内壁面压力升高，流速降低。内壁面压力升高引起喷管型面阻力增大，流速降低使得喷出喉部的燃气膨胀率升高，作用在喷管扩张部的静推力也增大，作用力的变化如图6所示，收敛半角对低后坐力武器喷管不平衡力的影响较小，较小的收敛半角容易造成圆锥部尺寸增加，但较大的收敛半角也使得作用在喷管前后的型面阻力和静推力均增大，对喷管的强度提出了较高的要求。

图6 不同收敛半角对不平衡力的影响

3.2 喉部直径

喉部直径是喷管重要的结构尺寸，直接影响到喷管的性能。在低后坐力武器中，喷管喉部的出现是为了提高火药燃烧效率和燃气作用效率，同时也产生了型面阻力。当然，也有部分低后坐力武器喷管不存在喉部，喉部直径对低后坐力武器不平衡力的影响如图7所示。

图7 不同喉部直径对不平衡力的影响

由图7可知:随着喉部直径的增大，喷管对火药燃气的作用逐渐减小，喷管不平衡力减小，随着喉部直径的减小，喷管对火药燃气的作用增大，不平衡力增加，燃气作用初期的不平衡力振荡也开始增加，不利于射击稳定。

3.3 面积比

面积比是喷管结构设计中的重要参数，不同的面积比对应喷管不同的膨胀状态，在保证喷管长度不变的前提下，面积比对喷管推力的影响如图8所示。在较大面积比时，由于气体能够迅速膨胀，使得前期喷管推力峰值较大，作用时间较短，而到了中期，由于膛内压力的增大，在喷管尾部产生了一个超音速燃气泡，喷管扩张部内壁“抽真空”现象较为明显；而在较小的面积比时，前期气体无法迅速膨胀，峰值较小，作用时间较长，中后期负推力现象不明显。

4 结论

通过对低后坐力武器喷管流场特性和推力特性进行研究，得出以下结论：

1)低后坐力武器喷管在火药燃气开始作用瞬间推力急剧增大；在燃气作用初期由于膛内压力较大，火药燃气在喷管尾部形成低压区产生负推力；在燃气作用中后期，喷管推力呈现出先增大后减小且幅值较小的变化。

2)收敛半角对低后坐力武器喷管不平衡力影响较小；喉部直径越小，不平衡力越大，振荡现象越强；面积比越小，喷管推力峰值越大，负推力现象越明显。

图8 不同面积比对不平衡力的影响