火炮后坐阻力控制技术研究现状与发展趋势

郭保全，黄 通，武宪威，张世全，潘玉田

(1.中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051；2. 中北大学 军民融合协同创新研究院，山西 太原 030051；3.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

为了适应未来战争的需求，协调火炮威力与机动性之间的矛盾，实现现代火炮高威力、高机动的发展，火炮后坐阻力控制技术作为一项关键技术得到了国内外研究学者的广泛关注[1]。

传统火炮主要是依靠预先设计的制退机流液孔面积变化规律来获得预期的后坐阻力。但由于存在理论假设的近似性，以及制造装配误差的不确定性，使得实际射击过程中的后坐阻力达不到理想后坐阻力曲线的“平台效应”，在后坐初期和末期出现比理论计算值高的阻力峰值的“马鞍形现象”。这一现象影响了火炮后坐的稳定性，在对炮架强度提出更高要求的同时，也制约了火炮轻量化等其他技术性能的进一步提高。

针对后坐阻力对火炮系统的重要影响，相关研究学者从不同角度出发，提出了多种技术方案，但大体上分为两种，即减后坐技术和后坐阻力控制技术。减后坐技术从后坐阻力产生的根源出发，利用喷管气流反推等技术方案，减弱了作用于架体上的后坐冲量，使得后坐阻力峰值减小[2]。采用减后坐技术的技术方案主要包括无后坐力炮、前冲炮、膨胀波火炮以及采用高效率炮口制退机等方案。与后坐阻力控制技术相比，减后坐技术具有可靠性高、便于实现等优点，但由于减后坐技术方案大多采用内能源气流反推分担了部分后坐冲量，因此造成了射击能源的浪费，也使得火炮射击特征较大，对火炮战场生存造成了一定影响。后坐阻力控制技术则是从火炮射击的平稳性出发，利用先进的电子控制技术对实际运行的后坐阻力进行调节和补偿，减小后坐阻力峰值，使后坐阻力曲线趋于平稳，实现对后坐阻力的实时控制。

按照控制作用原理的不同，火炮后坐阻力控制技术主要分为自适应控制技术、电磁流变技术和电磁阻尼技术。笔者详细分析了其运行特点和发展现状，总结和概括了后坐阻力控制技术的前沿问题和发展趋势，对未来火炮后坐阻力控制技术的发展提出了建议和思考。

1 后坐阻力控制技术研究现状

1.1 自适应控制技术

自适应控制技术是根据液压阻尼产生的基本原理对传统液压制退机进行改进的一个有效的技术途径，主要是通过实时控制流液通道面积的变化来调节制退机活塞两端的压力差，进而控制后坐阻力的变化。按照结构的不同，通常分为制退机流液孔面积调节法和外加辅助通道调节法。制退机流液孔面积调节法是直接在制退机流液通道上设置伺服阀，对流液孔面积进行调节；辅助通道调节法是在制退机外筒并联一个可控的辅助通道，对流液通道面积进行辅助调节，显然辅助通道调节法在设计制造和可靠性上均具有优势。

早在上个世纪60年代，国外就出现了利用电子控制技术对火炮反后坐装置实施控制的设想[3]。从70年代开始，美国就开展了最佳后坐力控制系统研究(Force Optimized Recoil Control, FORC)，分别针对105 mm榴弹炮的M37式反后坐装置、XM230链式航空机炮和GAU-13/A转管航空机炮进行了后坐阻力最佳控制和闭环控制的理论研究，主要集中于液压控制层面的研究，提出了一些反馈控制器的优化计算方法。在名为“反后坐装置的自适应控制”的技术研究报告中，对微机控制反后坐装置做出了系统性的分析，提出了控制系统的结构方案，开发了连续系统仿真语言程序。1985年美国又在155 mm榴弹炮的M178式反后坐装置上进行微机控制试验，验证自适应控制技术研究方案的可行性。

我国在后坐阻力自适应控制技术方面的研究开始于上个世纪90年代，吴国东、于存贵等在美国105 mm榴弹炮M37式反后坐装置研究基础上开展了我国微机控制反后坐装置技术研究，详细分析了该技术的工作原理，建立了平台阻力模拟试验机的数学模型并进行仿真分析，在时序控制试验中发现，执行机构的延时漏口开度应当适当的提前打开，这样控制效果会更加明显，同时模型中还存在着一些当时没有考虑到的问题，如热散失、流体的可压缩性等。同时，为了实现对高速流液通道进行快速有效控制，吴国东等专门设计了一种碗形旋转控制阀用于微机控制反后坐装置当中[4]。但是基于当时的研究条件和基础技术的限制，微机控制反后坐装置技术由于结构设计的复杂性和控制技术的局限，在后来的发展中走向低谷，国内外相关研究人员也都逐渐转移了研究视野，寻找新的技术途径。近年来，随着相关科技的进步和完善，后坐阻力自适应控制技术又开始出现在研究学者的视野内[5]，成为后坐阻力控制技术的一个重要的技术解决途径。

小口径自动炮FORC系统研究按照控制能源供给的不同分为外能源式和内能源式。外能源式FORC系统是由外部能源作为压力源，通过电子控制系统对火炮缓冲系统的压力差进行调节控制。随着现代液压控制技术的发展，外能源式FORC系统可以快速便捷地实现对后坐阻力的有效控制，但存在体积庞大，外部能源有限等缺点。国外针对小口径自动炮FORC系统的研究主要集中在外能源式上。戴劲松教授及其科研团队在上个世纪90年代从实用的角度出发，开始研究内能源式FORC系统在小口径自动炮上的应用[6]，内能源式FORC系统主要是基于差动补偿原理实现液压阻力控制。

后坐阻力自适应控制技术自上个世纪90年代在我国研究发展以来，其初期发展速度较快，取得了一定的研究成果，但受制于当时相关基础技术的研究状况，而一度停滞不前。从根本上讲，自适应控制技术是对传统制退机的改进和完善，可靠性较高，稳定性较好，基础技术成熟度和完善度较高，是实现后坐阻力稳定控制最为直接的有效途径。

1.2 磁流变技术

磁流变液体(Magnetorheological Fluids, MRF)是最早发展的智能材料，是由微米或纳米级软磁性颗粒分散在不同种类载液中制备而成的[7]，磁流变液体在外加磁场的作用下可以迅速的从牛顿液体转变为类固态，具有连续、可逆、便于控制、响应快的特点，并且可以实现与控制系统相结合，具有良好的机电耦合特性。

21世纪以来，美国海陆空各军种分别进行了将磁流变技术应用于火炮反后坐装置的研究，其中，海军设计了舰炮用磁流变反后坐装置演示样机并进行了试验验证，用以验证磁流变反后坐装置对后坐阻力的控制效果，减小火炮振动，提高射击精度；陆军将磁流变应用于地炮反后坐装置中，以此来减小火炮质量，提高机动性；空军将磁流变反后坐装置应用于阿帕奇直升机的航炮上，提高射击精度和毁伤概率。近年来美国陆军正在开发研制将磁流变反后坐装置应用于新型电热炮，用以减少高能发射带来的巨大后坐力。

国外针对磁流变反后坐装置主要集中于控制系统和控制算法方面研究，其中，美国Advanced Vehicle Dynamics Laboratory的Ahmadianm等采用闭环控制器对磁流变反后坐装置的输出阻尼进行实时控制，并将其应用于前冲炮上，试验表明射击精度得到了提高[8]。University of Maryland的Chen P C公开了一项冲击载荷作用下磁流变减振装置以及其自适应控制算法的专利[9]，Singh H J等采用非线性Bingham-plastic模型预测了阻尼力的大小，分析了磁流变控制技术在不同射击条件下的响应特性[10]。Warsaw University of Technology的Baj-kowskim M将磁流变技术应用于7.62 mm步枪的缓冲系统中，获得了较好的减振效果[11]。

我国磁流变反后坐装置的研究开始于21世纪初，高跃飞教授通过分析磁流变缓冲器的结构和控制方法，论述了旁路结构磁流变阻尼器的抗冲击特性，理论分析表明，磁流变缓冲器可以改善对冲击载荷的缓冲特性，同时指出抗冲击特性下的磁流变阻尼器和磁流变液体及其有关的控制系统和工程应用技术还有待进一步的研究[12]。王炅教授及其科研团队一直致力于磁流变反后坐装置的研究工作，为我国磁流变反后坐装置的发展做出了巨大的贡献[13-15]。张莉洁博士在团队前期研究基础上系统性地研究了冲击载荷作用下磁流变阻尼器的动态特性和控制系统的设计，为磁流变阻尼器应用于火炮系统提供了设计和试验依据；李赵春博士根据最优控制思想，提出了无量纲分析的最优控制方法和模糊补偿的最优控制策略；欧阳青博士针对传统串联线圈结构磁流变阻尼器磁场分布单一的局限性，设计了一种多级并联式磁流变阻尼器，将其用以实现火炮后坐阻力的多维灵活输出。

杨臻等在2001年就提出了将磁流变阻尼器应用于自动武器缓冲系统中，分析了磁流变技术在自动武器上的应用前景[16]。韩晓明教授详细分析了自动武器用磁流变缓冲器的运行特性并进行了试验研究，指出了时滞问题是制约磁流变阻尼器在自动武器上应用的关键[17]。

我国磁流变反后坐装置研究起步与国外相当，研究成果丰硕，但由于磁流变液体自身剪切强度和响应速度的局限性，使得磁流变反后坐装置工程化的速度逐渐减慢。如今，冲击环境下磁流变技术已经较为成熟，磁流变液体材料成为制约磁流变技术在火炮上应用的关键技术。因此，近年来，国内以重庆大学和南京理工大学为代表的相关高校将研究重点放在了磁流变液体材料的研究上。

1.3 电磁阻尼技术

电磁阻尼器(Electromagnetic Damper)是基于电磁感应(Electromagnetic Induction)原理设计的一种电磁结构装置，即当导电材料与磁场发生相对运动时，会在导电材料中产生感应电流，激发出感应磁场，又由楞次定律(Lenz’s law)可知，该感应磁场总是阻碍着主磁场的相对运动，形成对主磁场的制动力。与传统液压阻尼相比，电磁阻尼由于在阻尼产生过程中初级和次级不发生接触，材料磨损较小，系统寿命较长，同时具有结构简单，控制方便，可靠性高等优点，在车辆悬挂，空间对接等领域应用已非常广泛。

尽管电磁阻尼技术在国内外的研究和发展已经较为成熟，但是将电磁阻尼技术应用于火炮后坐阻力控制领域却是一项全新的研究。笔者和李子轩博士几乎同时提出了将电磁阻尼技术应用于火炮反后坐装置上。李子轩博士研究了强冲击载荷下永磁涡流阻尼器的阻力特性，分析了高速运行阶段去磁效应对阻尼输出的影响，认为由于高速阶段去磁效应的影响造成阻尼下降，使输出阻尼呈现出类似液压阻尼的“马鞍形”现象。针对这一现象，李子轩博士又提出了内筒优化策略，将内筒分成若干小段，通过改变内筒直径的变化规律，进而调整输出阻尼，李子轩博士的研究验证了电磁阻尼技术在火炮后坐阻力控制上应用的可行性[18]。

笔者及其科研团队根据电磁阻尼器的结构特点，结合现代火炮发展趋势，提出了一种新型电磁制退机设计方案并进行了运行性能分析，针对电磁阻尼输出特点，联系感应电流对电磁阻尼的影响关系，提出了基于负载阻尼调控的电磁阻尼控制方法，以此来实现对电磁阻尼的实时控制[19]；还根据单自由度振动系统模型建立冲击载荷作用下电磁阻尼输出模型，指出了影响电磁阻尼“恒阻尼-恒功率”输出特性的两个重要的临界速度，分析了电磁制退机制退阻尼力“马鞍形”现象的影响因素和消除方法，认为电磁制退机的“马鞍形”现象与传统液压制退机的“马鞍形”现象是不同的，电磁制退机的“马鞍形”现象是电磁阻尼的恒阻尼输出过程中由于去磁效应引起的“阻尼凹陷”现象，可以通过调整两个临界速度的匹配关系进行消除。

电磁阻尼技术在火炮反后坐装置的应用是我国火炮领域发展的新技术，是我国火炮领域科研人员在新时期探索出来的新途径。尽管与传统粘滞阻尼相比具有一定的优势，但仍存在着一些不小的研究挑战，比如，电磁制退机存在着结构质量较大，温升较大等问题，成为制约其在未来应用研究的关键。

2 后坐阻力控制技术发展趋势

2.1 现代火炮发展对后坐阻力的新要求

现代火炮的研究和发展主要有两个潮流，智能化和轻量化。其中，火炮智能化就是指在网络信息、人工智能等技术的支持下，从而能动地实现信息感知、行为规划和辅助决策等系列要求。火炮智能化的发展是应对未来高科技战争，把控战场主动权的关键，目前世界各军事大国都在谋求抢占智能化火炮发展的制高点，但大都停留在“遥控武器”层面，还未能实现真正的智能化发展。实现智能化发展的基础是火炮自动化水平提高，对后坐阻力实施实时有效的控制，使火炮能够快速稳定地完成射击运行的各个动作，将极大地提高火炮在未来战场上的火力反应能力。

高机动、轻量化火炮是未来火炮发展，乃至未来地面武器装备发展的必然方向，因此在满足火炮威力的前提下，尽可能地减轻火炮质量以提升其机动能力成为了当前火炮发展的研究热点。尽管高强度轻质材料在火炮轻量化设计上已经取得了显著成效，但造价成本较高，不利于在未来高烈度高消耗战争中广泛使用，如美国的M777型榴弹炮由于大量采用钛合金材料，使得战斗全重仅为M198型榴弹炮的52.9%，成为目前世界上最轻的155 mm口径榴弹炮，但同时造价也提高到M198型榴弹炮的1.5倍。后坐阻力过高是造成火炮大威力与高质量矛盾的主要问题，学者们针对轻量化火炮的研究主要还是集中在降低火炮后坐阻力方面，如美国近年推出的Hawkeye 105 mm轻型机动式榴弹炮，该炮采用了先进的减后坐技术，降低了近70%的后坐力，炮架质量减去了50%，使其能够安装在Hummer这样的轻型车辆上使用。

此外，随着现代火炮“一炮多用”的多功能技术发展和实现，在不同射击情况下实现反后坐装置的通用化使用，是火炮多功能化发展的重要技术。传统的反后坐装置由于在结构设计完成后不能再对后坐阻力进行适应性调节和控制，无法满足火炮多功能化发展需求。

尽管常规火炮依然是现代战场的主角，但以电磁炮为代表的新原理火炮也开始逐渐发展成熟，常规发射引起的巨大后坐载荷在新原理火炮上依然产生着重要的影响。中国科学院电工技术研究所的相关学者研究发现，电磁炮在发射过程中产生的巨大载荷能够使得炮尾部的汇流板发生断裂，出现类似常规火炮“膛炸”的危险[20]。解决这一问题的办法之一就是按照传统火炮弹性后坐的原理，设计一个电磁炮的反后坐装置，对新原理火炮进行后坐阻力控制。

综上所述，现代火炮智能化、轻量化和多功能化的发展，以及新原理火炮的逐渐成熟，对后坐阻力产生了新的要求，这些新要求促使后坐阻力控制技术新发展。

2.2 后坐阻力控制技术发展趋势

基于现阶段火炮后坐阻力控制技术的研究进展，结合火炮发展对后坐阻力的新要求，未来火炮后坐阻力控制技术一方面要紧跟传统火炮智能化、轻量化、多功能化的趋势进行适应性发展；另一方面还应当积极探索应用于新原理火炮的创新性发展。后坐阻力控制技术的进一步发展，对于促进现代火炮信息化、系统化、模块化发展进程，提高火炮高自主性、高稳定性、高适应性的发展将具有重要的战略意义。

2.2.1 实时控制技术

虽然火炮后坐阻力控制技术在技术研究方面已经取得了显著的成果，但仍然无法满足现代火炮发展的高自主、高稳定、高适应需求。因此，必须继续对原有方案进行持续改进，在相应控制技术发展的支持下进行革新升级，对后坐阻力进行有效的实时控制，不仅能够满足智能化火炮的发展要求，同时也能够提高火炮的射击稳定性和不同射击条件下的适应性，有利于火炮多用途发展。

2.2.2 减后坐优化技术

减后坐技术是从根本上减少火炮射击时作用在炮架上的力，是火炮轻量化发展的关键技术。良好的减后坐技术方案能够有效地减少火炮后坐阻力，火炮后坐阻力控制技术与减后坐技术相结合，将能够实现对减后坐技术方案的优化设计，进一步优化后坐阻力，减弱火炮振动，以提高射击稳定性；减轻火炮质量，以提高火炮机动性。

2.2.3 通用化技术

传统火炮的反后坐装置一般都是根据火炮自身要求专门设计的，不同型号的火炮通常不能互换，同一火炮在不同装药射击条件下的后坐稳定性也不尽相同，这给火炮战场后勤维修保障增加了负担。对现有反后坐装置进行通用化设计，使其满足不同射击条件下的稳定射击，在减轻战场后勤维修保障的同时，还能提高火炮在不同用途时的火力转换能力，提高作战效率。

2.2.4 新原理技术

以电磁炮为代表的新原理火炮由于与传统火炮发射原理不同，其后坐阻力规律也不相同，采用与传统火炮相同的反后坐装置尽管能够满足一定的要求，但不一定符合新原理火炮最优的后坐运动要求，因此需要探索出符合新原理火炮自身要求的新型反后坐装置。

3 结束语

笔者在分析国内外火炮后坐阻力控制技术研究进展的基础上，提出了火炮后坐阻力控制技术在现代火炮智能化、轻量化和多功能化的发展，以及新原理火炮技术逐渐成熟的态势下的主要发展方向。可以看出，由于火炮高自主性、高稳定性、高适应性的发展要求，使得火炮后坐阻力控制技术具有重要的研究意义和研究价值。目前，火炮后坐阻力控制技术尚处于初级阶段，随着不同原理的技术研究不断深入，将有力地推动火炮综合性能的不断提高，也必将为我国火炮事业的未来发展做出更大贡献。