炮口制退器在轻型装甲战车上的应用

梁洧豪， 罗建华

（陆军装甲兵学院演训中心， 北京 100072）

引言

火力是作战平台在战斗中迅速而准确的歼灭、毁伤或压制目标的能力；机动能力是快速机动、进入及转换阵地的能力[1]。提高平台火力，作战平台的质量和体积都会增加，从而机动能力会下降。随着对作战平台火力及机动能力要求的提高，火力与机动能力要求之间的矛盾日益尖锐。

炮口制退器的主要作用是在后效期改变火药燃气的流量分配产生向前的冲量，给炮身提供向前的作用力，可抵消部分炮膛合力，减小后坐动能，从而减小射击时的后坐阻力。

后坐阻力的减小，降低了对底盘承受能力要求，底盘能进一步轻量化，战斗全重也相应的降低，机动能力得意提高；同时后坐阻力的减小还会增加火炮射击时的稳定性，这样就有可能提高火炮的威力，以提高装甲战车作战效能。

1 制退器的应用问题

1.1 炮口制退器的作用原理

炮口制退器作为一种炮口装置，是炮身的一个组成部分，是控制后效期火药气体流量分配、气流方向和气流速度的排气装置，其目的是减小后坐动能从而降低后坐阻力、减小全炮质量以提高火炮机动性。炮口制退器的作用大小以效率表示，即火炮安装炮口制退器后所减小的后坐动能与无炮口制退器时最大后坐动能的百分比。

炮口制退器按其作用原理可分为两种类型，冲击式炮口制退器和反冲击式炮口制退器（如图1、图2所示）。

冲击式炮口制退器结构特点是有较大的开腔，腔室内径d 较大（DK/d＞1.3），侧孔面积很大，前方有一定角度的反射挡板。

反冲击式炮口制退器结构特点是腔室内径d 较小（1.0≤DK/d≤1.3），对称多排布置条形或分散布置圆形侧孔，没有或只有很小的前反射板。

1.2 炮口流场特性

膛口流场是非定常、多相、湍流，并有方向性和化学反应的复杂流场。图3 描述了四个阶段的膛口流场[2]。

膛口流场的基本特性为：膛口射流为高度膨胀不足射流；高度的瞬变性（非定常）；波系结构和相互作用的复杂性。

由于结构复杂，膛口形成了膨胀不足斜切射流、多股合成射流、挡板反射的射流以及冲击波相交与合成、冲击波与射流相互作用等复杂情况。

1.3 炮口制退器应用带来的危害

1.3.1 炮口冲击波

炮口冲击波场是由膛口气流压缩周围空气产生（如下页图4 和图5 所示）。光膛口时沿膛轴前方的冲击波进场可视作球对称。加装炮口制退器后，燃气射流分别从中央弹孔及侧孔流出，具有相互独立的射流结构，射流按各自的出口参数及角度流出，压缩周围空气，形成各自独立的冲击波。射流边界交叉时多个侧孔形成一个大的激波系，射流的合成决定侧孔冲击波的方向性。炮口制退器的应用不仅加剧了冲击波，并导致剧烈的冲击波向炮口后方传播，人员工作区危害加大。

当作用于人的冲击波超压值达到0.03 MPa 时，会严重影响炮手安全（人耳的承受能力为0.002 1 MPa），而炮手区冲击波超压值远远超出了人员损伤标准。除了对人员有危害外，炮口冲击波还会对车身及车载设备造成很大冲击，尤其是动力舱盖、前窗、大灯等车体前方部位，离炮口近、结构表面的压力大，受到炮口冲击波的损害也较其他部位严重。

1.3.2 对火炮射击精度的影响

滑膛炮发射尾翼稳定脱壳穿甲弹，弹丸在通过炮口制退器时，易受到更多的干扰，影响射击精度。美国陆军弹道研究所相关试验结果表明，加装炮口制退器使脱壳穿甲弹的散布增大了3 倍[3]。

炮口制退器会增大身管弯曲，引起射击时的振动；炮口制退器会增加炮身重量，其位于身管最前端，离耳轴远，它的重量对耳轴的不平衡力矩影响较大，会增加平衡机负担，使随动系统设计难度增大。

2 关于解决办法的几点探讨

2.1 炮口制退器高效低危害技术

2.1.1 高效低冲击波炮口制退器设计

制退器的效率取决于后效期气流作用在炮口制退器上的总冲量。高压燃气充分膨胀射流流速提高，射流具有的动量也相应的增大，作用于制退器的冲量增大，制退器效率增大；另一方面，燃气速度方向与炮膛轴线夹角减小，射流作用在制退器上冲量的轴向分量增大，后坐部分获得的全冲量减小，制退器效率增大。

炮口冲击波是膛口气流压缩周围空气产生。冲击波大小与侧孔火药气体相对流量、气流倾角、气流压力比、气流马赫数等参数有关；冲击波场的方向性由炮口火药气体射流的方向性决定。

由以上分析可以看出，虽然提高制退器效率与减小冲击波存在着矛盾，但是他们也有共同点，就是调整出口处气流参数。从结构上讲，中央弹孔直径、腔室数量和形状、腔室长度和直径、侧孔形状和方向、侧孔数量和位置分布等结构参数直接影响制退器效率和冲击波波场分布。

可在保证效率的前提下，应尽量减小炮口冲击波超压值。通过炮口制退器结构优化设计，调整腔室和喷口大小、侧孔倾角、形状、数量，控制最佳出口气流参数，充分利用炮口剩余能量，利用大侧孔流量分配比，提高效率的同时使炮口后方的冲击波最低。

从冲击波产生的机理出发，若使燃气得以充分膨胀，出口气流压力低，则冲击波会得到较好的抑制。如果使火药燃气在炮口制退器内径向分流，并使其分流气体尽量多，在腔室内 滞留时间长，能量损耗多那么从腔室流出的气体压力将大大减小，则冲击波等负效应能得到较好的抑制。

利用炮口冲击波的方向性及炮口冲击波能量连续有限释放机理，降低气室及出口压力，减小初速气流偏角，利用结构调整改变燃气流动方向及速度，控制冲击波初始阵面方向，使冲击波场最大分布偏离人员和设备区域。

利用燃气流的能量，采用对吹型制退器，第一气室气流向前，第二及其余气室气流向后，从而减小炮口后方冲击波。

提高制退器效率和降低压力波的技术途径并不唯一，除了通过结构调整实现炮口制退器高效低危害，值得探讨的途径还有很多，可以利用机械装置消耗转化气流能量、利用消声原理及声学理论控制炮口噪声等措施降低危害[4]。通过正确的理论分析，采用合理的技术途径，可实现炮口制退器的高效低危害。

2.1.2 减小制退器对射击精度的影响

因炮口制退器内的流场极其复杂，暂时无法通过试验来观察和显示炮口制退器内气流与脱壳穿甲弹的相互作用。一般认为，炮口制退器内的不对称气流和挡板的反射气流影响弹丸的起始扰动是造成散布增大的主要原因之一。

设计炮口制退器时充分考虑其对射击精度的影响。保证脱壳穿甲弹在小压力梯度下通过炮口制退器，减小腔室气流折转，避免反射气流及涡流对弹体形成不均匀干扰，减小对弹道性能的干扰，提高射击精度。可采取的技术路线包括：制退器侧孔轴间距分布合理、侧孔分布对称均匀、腔室直径在尽可能的小。

为了提高射击精度，炮口制退器也可以设计内膛线等其它独特结构。

在满足强度要求的情况下，炮口制退器的尺寸和重量应尽可能的小，以减轻平衡机负担，减小身管震动；对有随动系统的自行火炮，尤为重要。炮口制退器在加工制造中采用新工艺，利用新材料，提高炮口制退器的强度同时减小制退器纵向尺寸、降低重量。

2.2 增强防护

炮塔或乘员舱能为乘员提供防护，在一定程度上降低冲击波对乘员的危害。因而结构设计时有必要针对性的加强车体及炮塔，以提高其防护能力。

随着计算机技术的迅速发展，对膛口装置周围的近、远场膛口冲击波进行较好符合的数值模拟以成为现实。炮口冲击波对车身及炮塔结构作用时间在弹丸出炮口的几毫秒后，作用时间为毫秒级。以炮口三维非定常冲击波流场模拟计算结果，来确定不同的射击条件下的载荷边界条件，根据流场计算，可以得到结构表面随时间变化的压力场。

用有限元法对车身及炮塔等结构的冲击动态响应分析，提前了解结构在炮口冲击波作用下的应力和变形情况，对结构的薄弱之处及时改进（如图6 所示）。

结构加强应尽可能的不增加总体质量，尽可能的应用新结构、新材料在增加安全性的同时不加大负荷，如薄壁炮塔可考虑在装甲板上压筋增加刚强度。

3 结语

炮口制退器应用时应立足于总体，综合考虑战技指标的要求、炮口制退器的效率、冲击波的防护等多方面因素。在新型火炮上综合应用先进的高效低危害炮口制退器技术、减重技术、高新材料等众多关键技术，火炮口径、威力能满足未来轻型装甲战车的要求，以适应未来战争的需求。