反器材步槍膛口裝置設(shè)計(jì)與仿真

楊 卓，王 剛，周 峰

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.重慶長(zhǎng)風(fēng)機(jī)器有限責(zé)任公司，重慶 402264)

反器材步槍膛口裝置設(shè)計(jì)與仿真

楊 卓1，王 剛1，周 峰2

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.重慶長(zhǎng)風(fēng)機(jī)器有限責(zé)任公司，重慶 402264)

某反器材步槍膛口裝置為兩腔沖擊式制退器，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原因，槍手在射擊時(shí)，制退器后噴的火藥燃?xì)鈺?huì)產(chǎn)生較大的沖擊波﹑聲響及火焰，對(duì)射手容易造成傷害。為了解膛口裝置制退效率的影響因素，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)使其在相同制退效率下，減小沖擊波等對(duì)射手的傷害，根據(jù)三維非定常Euler方程，利用Fluent軟件對(duì)彈丸飛離改進(jìn)后膛口裝置時(shí)的流場(chǎng)建模并進(jìn)行仿真，并利用Matlab軟件編程對(duì)其制退效率進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，兩者結(jié)果相符。結(jié)果分析表明：優(yōu)化后制退器可在保證相同制退效率下，有效地減小沖擊波大小，可為解決同類問題提供有價(jià)值的借鑒。

膛口制退器；制退效率；流體仿真；沖擊波

反器材步槍采用大口徑高破壞力的彈藥，后坐力大，槍口多采用制退器。制退器是一種減小槍口后坐能量的膛口裝置。某反器材步槍原制退器為兩腔沖擊式制退器，利用火藥氣體沖擊制退器前壁提供制退力，由于反射面積，側(cè)孔入口面積及出口面積較大，制退器向后排出的火藥燃?xì)猱a(chǎn)生較大的沖擊波、聲響和火焰，對(duì)射手容易造成傷害[1]。因此，需要在上述制退器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用反作用式制退器，利用Matlab軟件結(jié)合美國(guó)工程手冊(cè)方法進(jìn)行編程對(duì)側(cè)孔面積Ai、中央彈孔面積Acpi和側(cè)孔角度φgi3個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[2-4],并利用Fluent軟件對(duì)膛口裝置建立三維仿真模型，仿真對(duì)比兩個(gè)制退器的沖擊波壓力值證明改進(jìn)后制退器在相同制退效率的情況下，可有效減小沖擊波、火焰對(duì)射手的傷害[5-6]。

1 原制退器與改進(jìn)后制退器對(duì)比

1.1 結(jié)構(gòu)模型對(duì)比

原兩腔沖擊式膛口制退器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是腔室直徑較大，兩側(cè)具有大面積側(cè)孔，前方帶有一定角度的反射擋板。這種結(jié)構(gòu)依靠大面積的反射板和大側(cè)孔獲得較大的側(cè)孔流量及較大的氣流速度，氣流方向取決于擋板導(dǎo)流面的角度和長(zhǎng)度。為了進(jìn)一步利用從中央彈孔向前流出的這部分氣體，大部分沖擊式制退器都采用雙腔式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

改進(jìn)設(shè)計(jì)的反作用式制退器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是腔室直徑很小，側(cè)孔多排布置，火藥氣體進(jìn)入腔室后，膨脹不大，仍保持較高的壓力，其中一部分氣體繼續(xù)向前，從中央彈孔流出，另一部分氣體則經(jīng)側(cè)孔二次膨脹后流出，其速度由側(cè)孔控制，如圖2所示。

1.2 反作用式膛口制退器制退效率計(jì)算方法

改進(jìn)的奧爾洛夫方法、斯魯霍斯基方法和美國(guó)工程設(shè)計(jì)手冊(cè)方法是目前計(jì)算膛口制退器效率的三種理論計(jì)算模型。筆者采用美國(guó)工程設(shè)計(jì)手冊(cè)方法，因?yàn)樵摲椒ㄌ攸c(diǎn)是考慮了膛口制退器側(cè)孔中火藥氣體的二次膨脹，主要用于反作用式制退器，根據(jù)制退器各出口截面氣流的動(dòng)量率求出膛口制退器的沖量特征量，由后效期槍膛流空的理論公式求出后效期槍膛合力全沖量，進(jìn)而求出膛口制退器的制退效率。

其制退效率ηT為

(1)

式中：βT、β分別為帶膛口裝置和不帶膛口裝置的火藥氣體作用系數(shù)；ω為裝藥量；m為彈丸質(zhì)量。

首先計(jì)算各面積膨脹比νc和νe(以兩排孔為例)為

(2)

式中：A為炮膛截面積；A1、A2分別為側(cè)孔入口面積；Acp1、Acp2分別為中央彈孔面積；Ae1和Ae2分別為側(cè)孔出口面積。

可利用式(3)計(jì)算出與νc和νe對(duì)應(yīng)的增速系數(shù)λc和λe：

(3)

式中k為絕熱指數(shù)。

計(jì)算側(cè)孔相對(duì)流量系數(shù)γ1、γ2為

(4)

繼而計(jì)算膛口制退器制退系數(shù)λT為

(5)

式中：φgi為側(cè)孔角度；ψ為修正系數(shù)。

計(jì)算膛口制退器沖量特征值χ為

(6)

計(jì)算無膛口制退器時(shí)后效期炮膛合力全沖量Ih為

(7)

火藥氣體作用系數(shù)為

(8)

式中v0為槍口初速。

將以上結(jié)果代入制退效率計(jì)算公式即可得制退效率值。

2 計(jì)算結(jié)果中影響因素的分析

上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要針對(duì)3個(gè)參數(shù)中央彈孔直徑、側(cè)孔直徑及孔道幾何軸線與腔室軸線夾角進(jìn)行分析計(jì)算，分別在一定的范圍取值來分析3個(gè)參數(shù)對(duì)制退效率值的影響。反作用式制退器腔室側(cè)孔傾角取 110°～150°中的不同值；側(cè)孔入口直徑分別取6、8、10 mm；6排側(cè)孔布置，每排4個(gè)側(cè)孔分置兩側(cè)；中央彈孔面積分別取14、20、27 mm；并分別進(jìn)行Matlab軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)分析上述參數(shù)取值不同時(shí)對(duì)制退效率的影響。

以反器材步槍的膛口制退器為背景，選取中央彈孔直徑d、側(cè)孔入口直徑d1及出口直徑d2(其中d1=d2)及側(cè)孔傾角φgi3個(gè)參數(shù)對(duì)制退效率值的影響分析，計(jì)算結(jié)果如圖3～圖5所示。

從以上3個(gè)圖可以得出以下結(jié)論：

1)膛口制退器效率值與側(cè)孔傾角、側(cè)孔入口及出口直徑及中央彈孔面積3個(gè)參數(shù)有關(guān)。膛口制退器的效率值對(duì)于側(cè)孔傾角取值最為敏感，其次為側(cè)孔入口及出口直徑，最不敏感的為中央彈孔直徑。

2)在對(duì)原沖擊式制退器的結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上，改進(jìn)設(shè)計(jì)的反作用式制退器采用側(cè)孔傾角120°，中央彈孔直徑在20～27 mm之間，側(cè)孔入口直徑6～10 mm等參數(shù)時(shí)制退效率值與原沖擊式制退器效率值42%相近。出于對(duì)制退器重量控制的考慮，中央彈孔面積應(yīng)盡量大些，所以采用中央彈孔直徑為27 mm，側(cè)孔直徑為10 mm最為合適。

原膛口制退器A與改進(jìn)后的膛口制退器B的性能分析比較如表1所示。

表1 性能參數(shù)比較表

3 流場(chǎng)仿真研究

3.1 模型計(jì)算邊界條件及初始條件

建立以身管中軸線為中心線，半徑為1 m、距膛口制退器前、后端面分別向前、后各1 m的1/4圓柱形計(jì)算區(qū)域。膛口流場(chǎng)的邊界條件有：固壁邊界、對(duì)稱邊界及出口邊界。膛底、身管以及制退器壁面設(shè)置邊界條件為固壁，對(duì)稱面設(shè)置為對(duì)稱邊界條件，圓柱形區(qū)域的端面及圓柱面設(shè)置為壓力出口。彈丸離開膛口，火藥氣體開始向外流出的時(shí)刻，即內(nèi)彈道結(jié)束的時(shí)刻是膛口流場(chǎng)計(jì)算的初始時(shí)刻，此時(shí)膛內(nèi)火藥氣體高溫、高壓狀態(tài)和膛外大氣壓狀態(tài)作為計(jì)算的初始狀態(tài)，以內(nèi)彈道計(jì)算結(jié)束時(shí)的膛內(nèi)參數(shù)分布對(duì)膛內(nèi)區(qū)域進(jìn)行初始化，以大氣壓條件初始化膛外區(qū)域，以此作為流場(chǎng)模擬的初始條件。其初始膛內(nèi)變化曲線如圖6和圖7所示。

3.2原制退器與改進(jìn)后制退器流場(chǎng)速度云圖及射手位置沖擊波壓力對(duì)比

基于三維非定常Euler方程及結(jié)構(gòu)化動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)彈丸飛離膛口制退器過程中膛口流場(chǎng)的發(fā)展過程利用Fluent軟件進(jìn)行流場(chǎng)仿真，分別得出兩個(gè)制退器的膛口流場(chǎng)速度云圖，如圖8和圖9所示。

從圖8與圖9對(duì)比可以得出以下結(jié)論：在氣體流量分配方面，原制退器對(duì)氣體的導(dǎo)向主要為側(cè)后方，且沖擊波較大，因此容易對(duì)射手造成傷害，而改進(jìn)后的制退器氣體導(dǎo)向主要為正前方，大幅減小了側(cè)后方向氣流流量及沖擊波，從而減輕了對(duì)射手的傷害。

對(duì)沖擊波大小進(jìn)行對(duì)比，并在膛口后0.8 m設(shè)定沖擊波壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，射手位置沖擊波壓力隨時(shí)間變化曲線如圖10所示。

由圖10可以看出：在4 ms時(shí)，改進(jìn)后制退器B對(duì)火藥燃?xì)獾膶?dǎo)向在射手位置的峰值壓力值為0.110 MPa，而原制退器A為0.113 MPa。在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓0.101 KPa的基礎(chǔ)上,改進(jìn)后的制退器B比原制退器A的超壓值減小了約25%，在制退效率相同的情況下，有效減輕了沖擊波對(duì)射手的傷害。

4 結(jié)束語

從以上分析來看，改進(jìn)設(shè)計(jì)的反作用式制退器在與原沖擊式制退器的效率相同的情況下，采用側(cè)孔傾角φgi=120°，多排側(cè)孔布置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，中央彈孔直徑相對(duì)原結(jié)構(gòu)增大;同時(shí)采用無腔室的結(jié)構(gòu)，使得質(zhì)量大大減輕。上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有效地減小了火藥燃?xì)庠诤笮陂g產(chǎn)生的沖擊波、火焰對(duì)射擊人員的傷害，使作戰(zhàn)效率大大提高。

References)

[1]高躍飛. 火炮反后坐裝置設(shè)計(jì)[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2010：212-257. GAO Yuefei. Design of artillery recoil mechanisms [M]．Beijing：National Defence Industry Press，2010：212-257．(in Chinese)

[2]曹鋒,劉樹華,郭文鳳.炮口制退器的計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].四川兵工學(xué)報(bào),2004(1):19-23. CAO Feng, LIU Shuhua, GUO Wenfeng. The computer aided design of muzzle brake[J]. Journal of Sichuan Ordnance, 2004(1):19-23.(in Chinese)[3]杜中華,狄長(zhǎng)春.某型炮口制退器結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].機(jī)械工程師,2009(9):68-70. DU Zhonghua, DI Changchun. Research on the optimization of certain muzzle brake structure[J]. Mechanical Engineer, 2009(9):68-70.(in Chinese)

[4]石春明，閆留海，劉萬余.在炮架上測(cè)試炮口制退器效率的方法[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2007(3):47-49. SHI Chunming, YAN Liuhai, LIU Wanyu. Test me-thod of muzzle brake efficiency on gun carriage[J]. Journal of Gun Launch & Control, 2007(3):47-49.(in Chinese)

[5]樂貴高,馬大為,馮勇,等. 某火炮膛口流場(chǎng)數(shù)值仿真[J]. 兵工學(xué)報(bào)，2004，25(1):19-22. LE Guigao, MA Dawei, FENG Yong, et al. Numerical simulation of muzzle blast flowfields of large caliber guns[J].Acta Armamentraii,2004,25(1):19-22.(in Chinese)

[6]江坤. 某火炮炮口制退器的研究[J].彈道學(xué)報(bào),2006,18(3):55-57. JIANG Kun.A study on the muzzle brake performance of guns[J]. Journal of Ballistics,2006,18(3):55-57.(in Chinese)

DesignandSimulationofMuzzleBrakeinAnti-materielRifle

YANG Zhuo1，WANG Gang1，ZHOU Feng2

(1.Mechatronic Engineering College,North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China；2.Chongqing Changfeng Limited Liability Company, Chongqing 402264, China)

The muzzle brake of an anti-materiel rifle is the impacted muzzle brake with two ca-vities. Due to its structural design, when the shooter is shooting, gunpowder gas backfired by the muzzle brake will produce a lot of the shock waves, noise and flame, this will be harm to the shooter. In order to understand the effect factors of the recoil efficiency of the rifle muzzle brake, and optimize its structure to decrease the harm to the shooter under condition of the same recoil efficiency, the process of projectile flying away from a three-dimensional muzzle brake was simulated by use of the three-dimensional unsteady Euler equations and the Fluent software. Moreover, the recoil efficiency of the muzzle brake was calculated by means of the Matlab software, and the two results were consistent. The results showed that the improved muzzle brake of the equal efficiency can effectively reduce the shock wave, and can also provide valuable reference for solving the similar problems.

muzzle brake；recoil efficiency；fluid simulation；shock wave

2014-03-28；

2014-06-25

楊卓(1963-)，男，碩士研究生，主要從事火炮自動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)研究。E-mail：475373864@qq.com

TJ303+.2

A

1673-6524(2014)04-0016-04