炮口制退器研究现状及发展趋势

周文卿，王双磊，巩博瑞，郭新喜，任启愿

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

大威力、远射程、高精度以及高机动性是现代火炮的重要发展方向。而大威力、大射程也意味着更大的发射载荷及更大的后坐力,从而导致火炮振幅增大、质量增加、机动性能下降。作为降低火炮后坐力的重要方法之一,炮口制退器能够有效减小火炮后坐动能,降低火炮射击的后坐力,提高射击稳定性、射击精度,增强火炮机动性[1-3]。

根据炮口制退器的外形结构及工作原理,可以将炮口制退器分为冲击式、反作用式、冲击反作用式3种类型[4-5]。笔者详细分析了各种类型的炮口制退器的优缺点、适用范围等,对制退器类型的选择、设计、优化提供参考。

炮口制退器的效率是衡量其性能的一个重要参数,制退效率的高低直接影响着火炮后坐力的大小、射击精度、火炮射程以及炮口冲击波。笔者总结了一种通过理论计算得到制退效率的方法,该方法适用于计算各种类型的炮口制退器的制退效率。

笔者对炮口制退器的国内外发展现状进行总结,分析了目前影响炮口制退器发展的关键技术,包括轻量化技术[6-7]、性能优化技术[8]、数值仿真技术[9-10]、结构优化技术[11]、高性能涂层[12]等,并对炮口制退器的发展趋势进行了总结,对炮口制退器的未来发展具有一定的指导意义。

1 炮口制退器的类型及制退效率

1.1 炮口制退器的类型

目前炮口制退器的分类依据主要是其结构形式,根据结构形式可以分为冲击式炮口制退器、反作用式炮口制退器、冲击反作用式炮口制退器3种类型,如图1所示。

冲击式炮口制退器特点是腔室个数少、直径大,一般有两个腔室,腔室直径一般大于2倍身管口径,侧孔面积大、数量少[13]。火药气体经第1个腔室膨胀后,部分从第1腔室的侧孔流出,流出过程中火药燃气冲击反射挡板,产生制退力。经过第1腔室膨胀后,火药气体压力减小,因此第2腔室结构尺寸小于第1腔室,以便产生较大的制退力。相比于其他结构形式的炮口制退器,冲击式炮口制退器有较高的制退效率,缺点是腔室直径大。

反作用式炮口制退器腔室直径一般小于1.3倍口径,具有多排侧孔,侧孔一般为圆形或长条形,有时为了火药气体更好地膨胀加速,也设计成喷管结构。因这种炮口制退器腔室直径较小,火药气体未能充分膨胀加速,因此在进入侧孔之前具有较高的压力,火药气体达到侧孔孔口时,部分火药气体在高压作用下流入侧孔,在侧孔膨胀加速后向后方喷出,产生一个向前的反作用力,从而减小火炮的后坐阻力。因为侧孔较小,产生的制退力小,为了提高制退效率,反作用式制退器采用多排侧孔,通过多级制退的方式来达到预期的制退效率。与冲击式炮口制退器相比,制退效率低,但是腔室直径小,能够适应对炮口制退器直径要求较高的情况。

冲击反作用式炮口制退器兼具上述两种炮口制退器的特点,其直径一般在1.3～2.0倍身管口径之间,反射挡板面积较小,制退效率位于两者之间,目前多数火炮均使用冲击反作用式炮口制退器。

1.2 制退效率

炮口制退器的制退效率是衡量炮口制退器性能的重要参数。炮口制退器的作用时间在火炮发射的后效期内,通过腔室、侧孔以及反射板等对后效期火药气体的流量与流速进行控制,能够对炮身提供一个制退力,从而减小火炮后坐力,如图2所示。在后效期内,炮口制退器周围的火药气体流场非常复杂,具有明显的非线性特征,准确计算火药气体对炮口制退器以及身管的作用力,从而得到炮口制退器的制退效率,对火炮的设计十分重要。

炮口制退器制退效率的定义[14-15]如下:

(1)

(2)

(3)

式中:E0为不带炮口制退器的后坐动能;E1为带炮口制退器的后坐动能;m0为不带炮口制退器的身管质量;m1为带炮口制退器的身管质量;vb0max、vb1max分别为不带炮口制退器和带炮口制退器的身管最大后坐速度。

在后效期内,身管的运动满足冲量定理:

m0vb0max-m0vb0=I0,

(4)

m1vb1max-m1vb1=I1,

(5)

式中:vb0为不带炮口制退器的身管在后效期开始时的身管速度;vb1为带炮口制退器的身管在后效期开始时的身管速度;I0为后效期内不带炮口制退器的身管所受的冲量;I1为后效期内带炮口制退器的身管所受的冲量。

I0和I1的值可以由后效期内不带炮口制退器和带炮口制退器的身管所受的力对时间的积分求得:

(6)

式中:n取值0、1,分别代表不带炮口制退器和带炮口制退器的情况;τ为后效期时间;Fn为后效期内不同时刻的身管受力大小。

vb0、vb1的值可以由动量守恒定理求得:

m0vb0+ωvg+Mv0=0,

(7)

m1vb1+ωvg+Mv1=0,

(8)

式中:ω为火药气体的质量;vg为火药气体的平均速度(假设火药气体的速度在膛内线性分布);M为炮弹质量;v0、v1分别为不带炮口制退器和带炮口制退器时炮弹在炮口瞬间的速度。

联立式(1)～(8)式可以得到炮口制退器的制退效率,此计算方法适用于各种结构形式的炮口制退器的制退效率计算。

2 国内外发展现状

2.1 国外发展现状

随着火炮威力变大,火炮质量随之增加,其机动性也下降,制约了火炮的发展,因此,克服大威力与高机动性能之间的矛盾是火炮发展的关键。炮口制退器的产生,极大程度上缓解了这一矛盾[5,16]。大约1842年,法国制造出世界上第1个炮口制退器,其结构简单:在炮口处开一组向身管后倾斜的孔。不仅降低了火炮后坐力,还提高了射击精度,同时为提高火炮射速奠定了基础,随后炮口制退器广泛应用于多种火炮。由于起初炮口制退器的研究是先根据经验进行结构设计,再通过实验验证,然后再对结构进行优化改进。此方法的缺点是:经验设计不够准确,难以应对不同的使用要求,并且浪费大量的人力、物力。随着流体力学、空气动力学、计算机仿真技术等学科技术的发展,设计人员开始通过模拟仿真技术研究炮口制退器。国外在炮口制退器方面的研究早、投入量大,取得了不错的研究成果[17-18]。

图3为南非G6自行火炮,搭载一门52倍口径的155 mm榴弹炮,该火炮采用蘑菇状的单排双腔室冲击式炮口制退器,以此降低火炮后坐力,并结合使用复合增程弹打出73 km的射程记录,最大射速达8 发/min。

图4为法国的“凯撒”卡车炮,装备了一个双排四腔室冲击式炮口制退器,以此来吸收火炮后坐动能,极大地降低了该火炮的后坐力,使其兼具良好的机动性和火力性能。

德国PZH2000自行榴弹炮是世界上第一个52倍口径火炮,该火炮装备冲击反作用式炮口制退器,具有多排侧孔,炮口制退器腔室直径较小,如图5所示,其制退效率约为48%,极大地降低了后坐力,缩短了后坐长度。在此基础上,其普通炮弹的射程可达30 km,增程弹的最大射程可达到60 km。

日本13式机动战车由105 mm火炮与8×8轮式底盘组成,如图6所示。该火炮加装了“胡椒瓶式”炮口制退器来降低后坐力,其侧孔为圆形,沿身管方向呈螺旋线布置。

俄罗斯2S35自行火炮是52倍口径的152 mm榴弹炮。该火炮炮口安装槽式反冲炮口制退器来降低后坐力,具有多排侧孔,腔室直径较小。如图7所示。该火炮具有机动性高、可靠性高、射速快、射程远等优点。

美国M109A7自行火炮是M109系列火炮的最新款,如图8所示,该火炮安装单排双腔室冲击式炮口制退器以降低火炮后坐力。

以上各国主力火炮均装备了炮口制退器来降低火炮后坐力,且类型多为冲击式、冲击反作用式炮口制退器,以达到高的制退效率。因此,冲击式及冲击反作用式炮口制退器对于中大口径火炮具有重要作用,能够极大减轻后坐力,提高射击精度、增强机动性,提升火炮总体性能。

2.2 国内发展现状

国内在这方面起步晚,但是也取得了一定的成果,李鸿志院士作为中国炮口制退器方面的先驱,对炮口冲击波、制退效率计算以及结构优化作出了巨大的贡献[19]。王长武提出了自行火炮系统模块化、参数化的仿真建模方法,讨论了非线性有限元动力学方程的建立及其解法[20]。乐贵高等用Osher格式求解三维、可压缩流动方程组,计算和分析了某火炮膛口气流现象[21]。江坤用多岛遗传算法和多目标遗传算法对炮口制退器进行了深入的优化分析,对膛口流场发展机理进行了研究,优化了炮口制退器的结构[22]。张辉利用并行计算技术对炮口流场的几种情况分别进行了数值模拟,并提出了新的炮口制退器设计计算方法[23]。

近年来,国内对炮口制退器做了大量的研究,以提高其各方面性能。2017年,王加刚等为了降低炮弹发射时炮口制退器产生的冲击波危害,设计了高效低危害炮口制退器与附加消声碗的高效低危害炮口制退器[24]。其中高效低危害炮口制退器附加了分段多级导向筒,炮口的火药燃气压力经三级泄压后迅速降低,最后经过尾部通孔进一步泄压,从而保证火药燃气充分膨胀做功,进而达到降低噪声和冲击波的作用。附加消声碗的高效低危害炮口制退器是在多级导向筒的口部增加了消声碗,进一步提高了制退效率。试验对比了3种炮口制退器的后坐位移、3个点的冲击波声压、噪声,试验结果表明,高效低危害炮口制退器的侧向气流相比于传统炮口制退器明显减弱,加装消声碗后,侧向气流有所增强,但明显比传统炮口制退器弱。试验测得,加装消声碗后后坐位移减小了14.1%;与传统炮口制退器相比,冲击波强度平均降低了46.4%,加装消声碗的高效低危害炮口制退器相对于传统炮口制退器冲击波强度平均降低了32.5%;高效低危害炮口制退器、附加消声碗的高效低危害炮口制退器的噪声分别下降了1.2、2.2 dB。

2019年,南京理工大学刘嘉鑫等以钛合金材料代替传统炮钢材料,设计了一种30 mm口径的新型的复杂结构炮口制退器[25]。通过对不同结构、材料的炮口制退器性能对比,可以看出钛合金新型炮口制退器与传统炮钢炮口制退器相比,最大应力值降低了16%,最大总变形量降低了40%,炮口制退器的质量降低48%,性能得到极大提升,提高了火炮射击的稳定性、射击精度。

为了解决炮钢材料强度高但密度大,而钛合金材料密度小但强度低的问题,吴喜富等设计了一种由炮钢内层和钛合金外层组成的复合结构炮口制退器,并基于单向流固耦合理论与瞬态动力学理论仿真分析了其强度[4]。结果表明,内层炮钢的最大应力为1 103 MPa,外层钛合金所受的最大应力为250 MPa,且内外层之间的最大剪切应力为92 MPa,各应力均满足炮口制退器的强度要求,并且炮口制退器的质量由120 kg降至87 kg,该设计方法为炮口制退器的轻量化设计提供了一种思路。

钛合金在高温下存在耐磨性、耐氧化性、耐烧蚀不足等问题。Peng等用TC6钛合金锻造制作炮口制退器[12],然后利用电弧离子镀(AIP)设备沉积NiCrAIY涂层,经热处理后进行射击试验。经过400发射击试验后,钛合金基体及涂层界面均无裂纹和缝隙,NiCrAIY涂层仍然有效,表明该涂层具有良好的韧性、延展性及抗热性能,弥补了钛合金材料性能的不足。

3 发展趋势

3.1 轻量化

炮口制退器增加了身管质量以及起落部分的重力矩,增大了平衡机的负担和随动系统设计的难度,容易引起火炮射击时的身管振动,对火炮的射击精度、射速等产生影响。以某型炮口制退器为例,采用传统炮钢材料加工的炮口制退器质量为92.486 kg,而采用钛合金材料后的质量仅为53.008 kg,减重比高达42.68%,极大地减小了由于炮口制退器质量增加带来的不利影响,炮口制退器的轻量化设计能够提升火炮性能、降低有害影响。

3.2 高效低危害设计

炮口制退器利用高速高压的火药燃气冲击侧孔来降低后坐力,然而高速高压的火药燃气通过侧孔喷射出后,对周围产生冲击波等危害。通过附加消声碗等方式,虽然炮口冲击波强度略有增强,但是可以大大降低射击过程中冲击波对炮手的危害,显著改善制退效果[16]。通过这种类似的高效低危害设计,可以进一步提高炮口制退器的效率,且减小炮口冲击波、噪声等对周围的有害影响。

3.3 结构优化

通过结构优化可以进一步提高炮口制退器的效率、降低炮口制退器的质量,以满足增强火炮威力的需求。此外,在采用轻质材料比如钛合金作为炮口制退器材料时,由于钛合金材料的弹性模量比炮钢小,相同情况下的形变大,因此需要通过结构优化来降低炮口制退器的形变量,保证炮口制退器的可靠性及使用寿命。另外,结构优化可提高结构工艺性、降低加工难度,从而降低成本。

3.4 高性能涂层

为了降低由于增重带来的不利影响,炮口制退器可使用轻质材料,然而轻质材料存在耐磨性、耐热性、延展性差且强度低等特点。比如钛合金材料虽然密度小,但是存在强度低等缺点,通过在钛合金炮口制退器内表面、侧孔及挡板等添加高性能涂层,在一定程度上可以弥补钛合金材料的缺点,并保持炮口制退器的轻量化要求。因此,研发具有耐磨性、耐热性、延展性好,且强度高的涂层材料对于炮口制退器的性能提升具有重要作用。

3.5 增强数值仿真能力

通过模拟仿真能够对火炮的设计进行功能验证,提前发现问题、找出不足,有针对性地进行结构优化,最大限度提高试验的成功率,缩减研发周期,提高效率与经济性。而当前仿真模拟与实际情况存在较大差异,仿真模拟难以考虑到制造误差、空气、温度、湿度以及风速等复杂条件,因此仿真模拟结果往往与试验结果差别较大。增强数值仿真能力,更好地模拟实际情况,缩小仿真结果与试验结果的差别,对炮口制退器的研制具有重要意义。

4 结论

炮口制退器是中大口径火炮的关键装置之一,能够有效降低火炮后坐动能、后坐力,提高连续射击精度、射速与机动性等。冲击反作用式炮口制退器使用范围最广,兼具冲击式炮口制退器和反作用式炮口制退器的优点,制退效率较高,且腔室直径小;冲击式炮口制退器制退效率高,在大口径火炮上应用较多,能够满足大幅降低后坐力的需求;反作用式炮口制退器制退效率低,但腔室直径小,适用于对炮口制退器直径要求较高的情况,应用范围窄。

笔者基于炮口制退器的发展现状,分析了炮口制退器的发展前景,为了适应火炮远射程、大威力、高机动性的要求,提出了炮口制退器轻量化、高效低危害、高寿命等发展趋势。炮口制退器的轻量化设计能够提高火炮的机动性,但可能降低炮口制退器强度,导致寿命下降,因此轻量化设计的同时应保证强度,提高使用寿命。此外,高的制退效率可能导致更大的危害,比如更强的冲击波以及噪声,因此在提高制退效率的同时应考虑低危害化设计。结构优化设计可以进一步减轻炮口制退器质量,提高制退效率、降低危害,比如采用轻质高性能材料,以及在轻质材料表面涂抹高性能涂层等。