一種122mm炮口制退器的設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用

齊文　趙俊利　馬春梅、山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院　2、中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所

一種122mm炮口制退器的設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用

齊文1，2趙俊利1馬春梅1
1、山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2、中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所

根據(jù)自行火炮的特點(diǎn)要求，從炮口制退器效率的計(jì)算方法出發(fā)，分析影響效率參數(shù)，對(duì)已有的炮口制退器進(jìn)行效率計(jì)算，找到最優(yōu)的計(jì)算方法；在計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)出一種能滿足發(fā)射122mm榴彈的炮口制退器，使其達(dá)到高效可靠的要求并進(jìn)行驗(yàn)證。

炮口制退器；輕量化；高效率

引言

炮口制退器作為解決火炮機(jī)動(dòng)性與威力之間矛盾的重要部件，在火炮技術(shù)的發(fā)展過程中起到至關(guān)重要的作用。但是，炮口制退器不僅會(huì)降低火炮后坐動(dòng)能及后坐力，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致發(fā)射時(shí)炮手區(qū)沖擊波超壓明顯上升。因此，在提高炮口制退器效率的同時(shí)降低負(fù)面影響的設(shè)計(jì)方法非常必要，本文從影響炮口制退器效率的參數(shù)設(shè)計(jì)，角度，找到一種能滿足發(fā)射122mm榴彈的炮口制退器最優(yōu)的計(jì)算方法，使其具有良好的工作性能、良好的結(jié)構(gòu)工藝性、較輕的重量、較高的可靠性和效率，并進(jìn)行相應(yīng)驗(yàn)證。

1　炮口制退器效率的計(jì)算公式

炮口制退器最重要的作用是減小火炮發(fā)射時(shí)的后坐力及后坐行程，但由于牽涉到復(fù)雜的火藥氣體流動(dòng)等問題，炮口制退器的腔室、彈孔、側(cè)孔和擋板發(fā)生任何微小的變化都會(huì)對(duì)制退效果、沖擊波超壓分布和炮口波系產(chǎn)生很大的影響。而炮口制退器效率ηT是衡量制退器性能的首要特征量。炮口制退器效率指帶炮口制退器時(shí)火炮后坐部分減小的自由后坐動(dòng)能與未采用炮口制退器時(shí)后坐部分的自由后坐動(dòng)能之比，公式為：

因?yàn)楦鞣矫鏃l件限制，并不能實(shí)時(shí)進(jìn)行所有的炮口試驗(yàn)測(cè)試，且計(jì)算火炮發(fā)射時(shí)膛內(nèi)與炮口流場(chǎng)非常耗時(shí)，一般對(duì)于非CFD工程人員來說非常困難。本文編制了炮口制退器的理論計(jì)算模型在改進(jìn)的奧爾洛夫方法下的數(shù)值計(jì)算程序，通過仿真，分析、對(duì)比了對(duì)炮口效能影響較大的幾個(gè)參量對(duì)炮口制退器效率的影響。

2　對(duì)改進(jìn)的奧爾洛夫方法的炮口制退器影響因素進(jìn)行分析

對(duì)炮口制退器效率造成影響的結(jié)構(gòu)參數(shù)諸多，包括各腔室的截橫面積、中央彈孔、中央彈孔出口的半錐角、各側(cè)孔的出口與入口面積、各側(cè)孔的幾何軸向角度、側(cè)孔的厚度比、側(cè)孔入口面與出口面的傾角等。如果考慮到所有結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行分析優(yōu)化，工作量將非常巨大，本文僅分析其中的關(guān)鍵參數(shù)。由于對(duì)制退力起主要作用的是除吹孔以外的側(cè)孔，所以在沒有改變第一個(gè)側(cè)孔結(jié)構(gòu)的條件下，且排除吹孔的影響，對(duì)各影響因素進(jìn)行了分析。

2.1側(cè)孔幾何軸線角度對(duì)炮口制退器效率的影響

通常，在理論分析中側(cè)孔傾角對(duì)制退器效率的高低意義重大，傾角不同，反射氣流的角度就會(huì)發(fā)生改變，流量同時(shí)發(fā)生改變，此時(shí)被反射的氣流對(duì)炮口制退器的影響也不盡相同。制退器側(cè)孔示意圖見圖1，炮口位于側(cè)孔的右端。為安裝有炮口制退器時(shí)的后坐動(dòng)能。m0和m1分別為不安裝和安裝制退器時(shí)身管的質(zhì)量，Wmax0和Wmax1分別為不安裝和安裝退器時(shí)身管的最大自由后坐速度。

圖1　制退器側(cè)孔示意圖

通過改變側(cè)孔幾何軸線與腔室軸線之間的夾角，數(shù)據(jù)分析之后得到了如圖2所示的效率值。

圖2　不同側(cè)孔幾何軸線傾角下的效率值

從圖中可以看到側(cè)孔幾何軸線傾角對(duì)效率的影響呈現(xiàn)逐漸遞增的趨勢(shì)，且增幅相對(duì)較大，因此說明此影響因素對(duì)結(jié)果具有很高的敏感度。改變側(cè)孔傾角的同時(shí)，氣流流出的方向也發(fā)生了改變，由此導(dǎo)致動(dòng)量發(fā)生了改變，側(cè)孔傾角變大導(dǎo)致大部分沖擊側(cè)孔反射擋板的氣體發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)，從而使制退器的效率增大。

2.2側(cè)孔面積對(duì)制退器效率的影響

側(cè)孔面積一發(fā)生改變，側(cè)孔氣流秒流量（單位時(shí)間進(jìn)出側(cè)孔的氣體流量）首先受到影響，氣流量的改變對(duì)進(jìn)入制退器腔室和側(cè)孔腔室的流量分配比產(chǎn)生影響，也就是側(cè)孔面積增大導(dǎo)致進(jìn)入側(cè)孔的氣流量增大，此外進(jìn)入中央彈孔的氣流量減少，這樣制退力的氣流量增大使得制退器的受力也加大了，因此制退器的效率就會(huì)提高。側(cè)孔面積示意圖見圖3。改變側(cè)孔面積即是改變示意圖中孔的大小。

圖3　側(cè)孔示意圖

通過改變不同側(cè)孔的面積，數(shù)據(jù)分析后得到不同制退器效率值見圖4。

從圖4中可以看到側(cè)孔面積對(duì)效率影響呈遞增趨勢(shì)，且增幅很大，說明其對(duì)結(jié)果的敏感度高。改變側(cè)孔面積可達(dá)到徑向分流效果，使炮膛合力減小，增大制退器的效率。

2.3中央彈孔面積對(duì)制退器效率的影響

中央彈孔發(fā)生改變導(dǎo)致制退器腔室的面積比發(fā)生改變，進(jìn)而對(duì)中央彈孔的氣流速度系數(shù)與氣流的反作用系數(shù)產(chǎn)生影響，反作用系數(shù)發(fā)生改變的同時(shí)，流量分配發(fā)生改變，導(dǎo)致制退器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化，最終導(dǎo)致制退器效率的改變。中央彈孔的示意圖見圖5。

圖4　不同側(cè)孔面積下的效率值

圖5　中央彈孔示意圖

通過改變中央彈孔，數(shù)據(jù)分析后得到了不同情況下的制退器效率值見圖6。

圖6　不同中央彈孔面積下的效率值

從圖中可以看出制退器效率與中央彈孔面積大小成反比，當(dāng)中央彈孔面積增大導(dǎo)致中央彈孔的流量增大時(shí)，使得制退器的效率降低。但是彈丸能否安全順利地穿過制退器腔室，中央彈孔的直徑大小應(yīng)該得到適當(dāng)控制，通常中央彈孔直徑宜取身管直徑的1.15倍左右，因此本文分析中選用的中央彈孔直徑約為0.15。因此，確定合理的兩種側(cè)孔出口面積對(duì)制退器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，再通過對(duì)影響因素進(jìn)行定性分析，對(duì)制退器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化起到很好的借鑒作用。

3　對(duì)新型炮口制退器的研究

本文基于改進(jìn)的奧爾洛夫方法對(duì)炮口制退器效率的影響因素進(jìn)行了理論與數(shù)據(jù)分析，從而得出了側(cè)孔幾何軸線傾角、側(cè)孔面積和中央彈孔面積對(duì)效率的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)了一款滿足本文所要求的炮口制退器。

3.1大傾角炮口制退器

基于前文側(cè)孔集合軸線對(duì)炮口制退器效率的影響分析，設(shè)計(jì)出一款側(cè)孔幾何軸線較大的炮口制退器。側(cè)孔幾何軸線角度為125°，其他的保持不變，炮口制退器效率為46.05%，重量為72kg。其示意圖如圖7所示。

圖7　大傾角炮口制退器示意圖

3.2大側(cè)孔炮口制退器

基于前文側(cè)孔面積對(duì)炮口制退器效率的影響分析，設(shè)計(jì)出一款側(cè)孔面積較大

圖8　大側(cè)孔炮口制退器示意圖

的炮口制退器。側(cè)孔面積為80cm2，其他的保持不變，炮口制退器效率為46.9%，重量為75kg。其示意圖如圖8所示。

3.3最終方案

綜合考慮前兩種方案，最終確定本文炮口制退器結(jié)構(gòu)方案，如圖9所示。炮口制退器傾角為125°，側(cè)孔面積為60cm2，炮口制退器效率為47.3%。

圖9　新型炮口制退器示意圖

4　結(jié)論

本文基于改進(jìn)的奧爾洛夫方法，從炮口制退器的傳統(tǒng)計(jì)算方法出發(fā)，對(duì)影響效率的部分因素進(jìn)行了分析，對(duì)如何降低負(fù)面沖擊波影響作了探討，得到一種輕質(zhì)、高效且具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性、較高的可靠性的122mm炮口制退器模型，這對(duì)提高設(shè)計(jì)效率、降低設(shè)計(jì)成本具有一定借鑒意義。

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齊文，1990年出生，遼寧錦州人，碩士研究生，研究方向：機(jī)動(dòng)武器系統(tǒng)工程總體技術(shù)。