某大口徑火炮炮口制退器改進(jìn)研究

劉 輝，梁其誠

(海南省軍區(qū)某軍械修理所,海南 ?？?570100)

炮口制退器是火炮的關(guān)鍵部件之一，其主要作用是發(fā)射時(shí)消耗一部分后坐能量，減小火炮后坐對炮架的作用力，對炮口制退器的性能影響因素進(jìn)行分析和改進(jìn)，有助于提高火炮的機(jī)動(dòng)性，增強(qiáng)戰(zhàn)斗力。國內(nèi)對炮口制退器的研究起步稍晚，但進(jìn)展很快，成果顯著[1-3]。目前炮口制退器作用機(jī)理和相關(guān)理論已相對成熟，但隨著新的火炮武器裝備的研制，炮口制退器依然是國內(nèi)外火炮研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

衡量炮口制退器的性能的首要指標(biāo)是制退器的制退效率和炮口沖擊波超壓值，在提升制退效率的同時(shí)往往會(huì)增大炮口沖擊波超壓值，如何提高制退器效率并降低炮口沖擊波超壓值是筆者著力解決的主要問題。通過對已有研究成果的總結(jié)和對本制退器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算，已得知對制退器性能影響的靈敏因子，即側(cè)孔傾角的大小影響靈敏度最大，其次為側(cè)孔面積，最后為中央彈孔面積。筆者通過對制退器的側(cè)孔傾角、側(cè)孔面積和中央彈孔面積的參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)后，應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件FLUENT建立原制退器和改進(jìn)制退器的二維仿真模型，仿真對比分析其效率和炮口沖擊波超壓值，證明改進(jìn)后的制退器具有更高的制退效率和較低的炮口沖擊波超壓值。

1 理論計(jì)算

應(yīng)用改進(jìn)的奧爾洛夫法對制退器進(jìn)行理論計(jì)算，各側(cè)孔角度、側(cè)孔面積和中央彈孔面積對炮口制退器效率的靈敏度的影響如圖1～圖3所示。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果取制退器效率最大時(shí)的側(cè)孔傾角、側(cè)孔面積和中央彈孔面積相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其原結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 原炮口制退器主要參數(shù)

表2 改進(jìn)后炮口制退器主要參數(shù)

2 仿真對比分析

炮口制退器在炮彈發(fā)射瞬間，氣流為沖擊式，流動(dòng)狀態(tài)呈現(xiàn)無序的混亂形式，制退器各部位壓力、各質(zhì)點(diǎn)的速度隨時(shí)間和空間的變化發(fā)生不規(guī)則的脈動(dòng)，而且炮口氣流為多組分、氣固兩相并伴隨有化學(xué)反應(yīng)，想要建立一個(gè)準(zhǔn)確且全面的數(shù)學(xué)模型很困難[4-6]。把模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕幚?，炮彈發(fā)射瞬間有沖擊波，忽略炮彈對流場的影響，簡化為炮口制退器的入口定義為速度，該研究對象為非定常流問題，通過設(shè)計(jì)時(shí)間步長和時(shí)間步數(shù)來研究火藥后效期的流場分布，把彈丸離開炮口時(shí)定義為零時(shí)刻。

2.1 控制方程數(shù)學(xué)模型

選擇歐拉方程，不考慮化學(xué)反應(yīng)、重力以及溫度等因素。

(1)

(2)

方程的積分形式表示為：

(3)

非定常流的控制方程的離散格式，選為二階迎風(fēng)格式，流場迭代選擇Simple算法。

2.2 建立模型和定義相關(guān)參數(shù)

根據(jù)內(nèi)彈道學(xué)理論，火藥燃?xì)庾饔脧膿舭l(fā)到后效期劃分為三個(gè)階段：啟動(dòng)階段、彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)階段和火藥氣體后效階段。這里主要研究火藥后效期階段流場的分布，火藥后效期的氣體平均速度根據(jù)裝藥號得出為900 m/s，因此入口定義其速度為900 m/s；時(shí)間步長定義為0.001 s；時(shí)間步數(shù)設(shè)置為10，即迭代時(shí)間為0.01 s。環(huán)境設(shè)置為常溫常壓下，流體為空氣，初始化后設(shè)置參數(shù)的收斂精度為默認(rèn)值0.001[7]。

圖4為炮口制退器的實(shí)物圖和三維仿真流體模型，圖5為改進(jìn)后制退器的三維仿真模型，在炮口制退器周圍劃分2 m×2 m的邊界區(qū)域。

2.3 仿真結(jié)果分析

圖6為原制退器和改進(jìn)后制退器在2 ms時(shí)的速度等值線圖，對比可知，改進(jìn)后的制退器流量的分配比更加均勻，各側(cè)孔出口處的氣體速度差值減少，這樣使得制退器外部的紊流強(qiáng)度減小，同理外部的壓強(qiáng)也會(huì)趨于平衡，從而使得火炮周圍的超壓值降低。

圖7為原制退器和改進(jìn)后制退器在2 ms時(shí)的動(dòng)壓等值線圖，對比可知，原制退器的動(dòng)壓主要分布在制退器第2對側(cè)孔的側(cè)后方，改進(jìn)后的制退器各側(cè)孔外圍的動(dòng)壓分布較均衡，往后側(cè)噴射的氣流被分散往制退器兩側(cè)噴射，相當(dāng)于改進(jìn)后壓力的沖擊面積增大，從而使得對單點(diǎn)的壓力值降低。

圖8為側(cè)孔擋板在0.3 ms時(shí)刻所受的動(dòng)壓力曲線圖，圖9為后壁在1 ms時(shí)刻所受的總壓曲線圖，通過數(shù)據(jù)整理得到原制退器和改進(jìn)后制退器側(cè)孔所受動(dòng)壓的最大壓力值和后壁所受的最大總壓值如表3所示。

表3 原制退器和改進(jìn)后制退器擋板最大動(dòng)壓和后壁最大總壓

制退器的制退效果主要通過制退器側(cè)孔的擋板受力實(shí)現(xiàn)，由表3可知，經(jīng)過改進(jìn)的制退器各側(cè)孔在0.3 ms和1 ms時(shí)刻的受力比原制退器受力更加均勻平衡，并且改進(jìn)的制退器所受的軸向合力更大，因此其制退效率也將更高。在0.1 ms和1 ms時(shí)刻原制退器后壁總壓分別195 kPa和78 kPa，而改進(jìn)后的制退器為39 kPa和34 kPa，所以改進(jìn)后制退器對后壁的沖擊超壓值要小得多。

3 結(jié) 論

制退器的制退力主要為氣流對側(cè)孔的軸向作用力之和，由表3得知改進(jìn)制退器對側(cè)孔的軸向合力比原制退器對側(cè)孔的軸向合力大得多，說明改進(jìn)制退器的制退效率更高。以上仿真分析在制退器的四周建立了2 m×2 m的邊界區(qū)域，通過仿真得知改進(jìn)制退器對后壁沖擊力要比原制退器小得多，說明改進(jìn)制退器降低了炮口沖擊波超壓值。綜上所述，改進(jìn)制退器性能比原制退器優(yōu)越，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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