低后坐力武器噴管推力特性研究*

郭保全，黃 通，丁 寧，武憲威，欒成龍

(1 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051；2 中北大學(xué)軍民融合協(xié)同創(chuàng)新研究院，太原 030051)

0 引言

利用內(nèi)能源技術(shù)降低槍炮發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的巨大后坐力，一直是國(guó)內(nèi)外身管武器減后坐技術(shù)研究的重點(diǎn)[1]。目前內(nèi)能源減后坐技術(shù)主要有兩個(gè)方面，即以控制膛口氣流為核心的膛口制退技術(shù)[2]和以產(chǎn)生后噴動(dòng)量為核心的無(wú)后坐技術(shù)[3]。其中無(wú)后坐技術(shù)由于降低后坐力效率較高，適合于輕量化高機(jī)動(dòng)武器發(fā)展，近年來(lái)得到了研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。

早期的無(wú)后坐技術(shù)直接利用膛內(nèi)的火藥燃?xì)庀蚝髧姵鲞M(jìn)行動(dòng)量平衡，造成了火藥能源的浪費(fèi)，也使得發(fā)射特征增大，不利于戰(zhàn)場(chǎng)生存。為此，相關(guān)研究人員在氣流出口處安裝了噴管，使得流出噴管的氣流速度增加，從而減小了噴出的氣流量，提高了燃?xì)饫眯?，減弱了發(fā)射特征，同時(shí)噴管還將高溫燃?xì)饽芰客ㄟ^(guò)膨脹加速，為發(fā)射裝置提供了一定的反推力，降低了發(fā)射裝置所受的后坐力，有利于發(fā)射裝置的穩(wěn)定[4]。然而，目前針對(duì)噴管對(duì)無(wú)后坐技術(shù)武器作用效力的研究相對(duì)較少，主要還是集中于該型發(fā)射技術(shù)的內(nèi)彈道研究上[5-6]。

文中以某型低后坐力武器為研究對(duì)象，針對(duì)噴管對(duì)后坐力的作用效力，重點(diǎn)研究低后坐力武器射擊狀態(tài)下的噴管流場(chǎng)特性和推力特性，分析了低后坐力武器噴管的作用過(guò)程，并根據(jù)特性仿真結(jié)果探究了噴管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)推力特性的影響，研究結(jié)果可以為低后坐力武器的設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)。

1 基本原理

噴管是產(chǎn)生推力的結(jié)構(gòu)部件，主要是將火藥燃?xì)獾臒崮苻D(zhuǎn)換為動(dòng)能，從而形成高速燃?xì)馍淞飨蚝髧姵霎a(chǎn)生推力，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，按照型面變化可以分為收斂部、喉部和擴(kuò)張部。

圖1 噴管結(jié)構(gòu)圖

噴管推力主要是由動(dòng)量推力和靜推力組成，其中，動(dòng)量推力表現(xiàn)為火藥燃?xì)夂髧姰a(chǎn)生的后噴動(dòng)量；靜推力由火藥燃?xì)庠趪姽芴幣蛎涀龉?，作用在噴管擴(kuò)張部的內(nèi)壁面?；鹚幦?xì)馔ㄟ^(guò)噴管作用在發(fā)射裝置上的不平衡力是影響低后坐力武器射擊穩(wěn)定性的主要因素，主要由型面阻力、靜推力和摩擦阻力組成。即：

F=Ftj+Ffx+Ffz

(1)

式中：F為噴管不平衡力；Ftj為噴管靜推力；Ffx為型面阻力；Ffz為摩擦阻力。

2 推力特性分析

2.1 模型建立

文中以某型82 mm無(wú)后坐力炮尾噴管為研究對(duì)象，已知其藥室部半徑r1=46 mm，尾噴管喉部半徑r2=34 mm，尾噴管出口部半徑r3=70 mm，收斂部長(zhǎng)度l1=33 mm，喉部長(zhǎng)度l2=10 mm，擴(kuò)張部長(zhǎng)度l3=210 mm。

建立噴管模型計(jì)算區(qū)域如圖2所示，其中，區(qū)域1為無(wú)后坐力炮尾噴管的計(jì)算域，區(qū)域2為羽流的計(jì)算域，AB為氣流入口，定義為壓力入口邊界，AC和BD為簡(jiǎn)化的噴管無(wú)厚度壁面，定義為無(wú)滑絕熱壁面，EFG和HMN為外流場(chǎng)入口，定義為壓力遠(yuǎn)場(chǎng)邊界，EC、HD和GN為羽流流場(chǎng)出口，定義為壓力出口邊界。

2.2 噴管作用過(guò)程

低后坐力武器發(fā)射時(shí)，隨著火藥的燃燒，膛內(nèi)壓力增大，火藥燃?xì)馔苿?dòng)彈丸向前運(yùn)動(dòng)，部分火藥燃?xì)庀蚝筮\(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生后噴動(dòng)量。如表1所示，在火藥燃?xì)庾饔贸跗?，燃?xì)馔苿?dòng)膛內(nèi)空氣向后運(yùn)動(dòng)。首先作用在收斂部?jī)?nèi)壁面，然后經(jīng)喉部壓縮后噴出，迅速碰撞作用在擴(kuò)張部?jī)?nèi)壁面；其后，隨著火藥繼續(xù)燃燒，膛內(nèi)壓力的不斷升高，高溫高壓燃?xì)鈬姵龊聿浚趪姽芪膊啃纬沙羲偃細(xì)馀?，帶?dòng)并吸附擴(kuò)張部?jī)?nèi)壁面附近空氣，在擴(kuò)張部?jī)?nèi)壁面形成低壓區(qū)；當(dāng)膛內(nèi)壓力開(kāi)始下降時(shí)，由于作用壓力下降，噴出喉部的火藥燃?xì)忾_(kāi)始膨脹，向周圍擴(kuò)散，逐漸作用在噴管擴(kuò)張部?jī)?nèi)壁面上，形成向外的作用力；隨著膛內(nèi)壓力的繼續(xù)下降，作用在噴管擴(kuò)張部?jī)?nèi)壁面的火藥燃?xì)鈮簭?qiáng)開(kāi)始下降，并逐漸下降到等大氣壓。

圖2 模型計(jì)算區(qū)域

2.3 數(shù)值模擬與分析

火藥燃?xì)馔ㄟ^(guò)噴管作用在發(fā)射裝置上的力是影響低后坐力武器射擊穩(wěn)定性的主要因素，其主要由收縮部的型面阻力與擴(kuò)張部的靜推力組成。由于噴管收縮部位于內(nèi)膛底部，型面阻力主要受到膛內(nèi)壓力的影響。如圖3所示，在火藥燃?xì)忾_(kāi)始作用的瞬間，型面阻力出現(xiàn)阻力峰值，該現(xiàn)象與文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)果一致，這是由于膛壓瞬間升高推動(dòng)膛內(nèi)原有空氣快速向后運(yùn)動(dòng)，使得作用在收縮面上的壓力迅速增大，因?yàn)樘艃?nèi)空氣有限，型面阻力在出現(xiàn)阻力峰值后迅速回落，然后隨著膛壓的變化而波動(dòng)變化。

靜推力作用在噴管擴(kuò)張部?jī)?nèi)壁面形成向前的推力，在低后坐力武器中用于抵消部分型面阻力，保持射擊穩(wěn)定性。噴管靜推力變化規(guī)律如圖4所示。

在火藥燃?xì)忾_(kāi)始作用瞬間，噴管靜推力也出現(xiàn)推力峰值，但與收縮部型面阻力峰值現(xiàn)象相比，噴管推力峰值出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)靠后，這是因?yàn)閮蓚€(gè)力作用位置先后的影響，型面阻力作用的收縮部相對(duì)靠前，同時(shí)噴管推力峰值大于型面阻力峰值，這是由于氣流經(jīng)過(guò)噴管喉部流速增大，迅速膨脹后壓力增加，作用在擴(kuò)張部?jī)?nèi)壁，直至高溫高壓的火藥燃?xì)鈬姵龊聿?，推力峰值回落；此時(shí)，高壓燃?xì)鉀_出噴管，在噴管尾部產(chǎn)生一個(gè)超音速燃?xì)馀?，使得噴管尾部出現(xiàn)類似的“抽真空”現(xiàn)象，形成噴管負(fù)推力，直至膛內(nèi)燃?xì)鈮毫ο陆?，噴出噴管喉部的燃?xì)膺M(jìn)入欠膨脹狀態(tài)，作用在擴(kuò)張部?jī)?nèi)壁面的壓強(qiáng)逐漸升高，隨著膛內(nèi)壓力的繼續(xù)下降，作用在擴(kuò)張部?jī)?nèi)壁面的壓強(qiáng)開(kāi)始下降，因此噴管靜推力在火藥燃?xì)庾饔玫闹泻笃诔尸F(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律。

表1 噴管燃?xì)馍淞鞯湫蜁r(shí)刻狀態(tài)變量

圖3 型面阻力變化規(guī)律

圖4 噴管靜推力變化規(guī)律

在噴管處產(chǎn)生的不平衡力如圖5所示，該力整體上呈現(xiàn)出先振蕩后趨于平緩的趨勢(shì)。在射擊初期中，由于受到噴管結(jié)構(gòu)和膛內(nèi)空氣的影響，不平衡力產(chǎn)生振蕩且峰值出現(xiàn)，其后隨著膛壓的變化而逐漸變化并趨于平穩(wěn)。

3 參數(shù)分析

3.1 收斂半角

收斂半角對(duì)低后坐力武器噴管不平衡力的影響如表2所示。顯然，收斂半角的變化對(duì)不平衡力的影響較小，隨著收斂半角的增大，不平衡力逐漸增大，但增幅較低。這是由于隨著收斂半角增大，收斂部對(duì)火藥燃?xì)獾淖璧K作用增強(qiáng)，使得收斂部?jī)?nèi)壁面壓力升高，流速降低。內(nèi)壁面壓力升高引起噴管型面阻力增大，流速降低使得噴出喉部的燃?xì)馀蛎浡噬?，作用在噴管擴(kuò)張部的靜推力也增大，作用力的變化如圖6所示，收斂半角對(duì)低后坐力武器噴管不平衡力的影響較小，較小的收斂半角容易造成圓錐部尺寸增加，但較大的收斂半角也使得作用在噴管前后的型面阻力和靜推力均增大，對(duì)噴管的強(qiáng)度提出了較高的要求。

圖6 不同收斂半角對(duì)不平衡力的影響

3.2 喉部直徑

喉部直徑是噴管重要的結(jié)構(gòu)尺寸，直接影響到噴管的性能。在低后坐力武器中，噴管喉部的出現(xiàn)是為了提高火藥燃燒效率和燃?xì)庾饔眯?，同時(shí)也產(chǎn)生了型面阻力。當(dāng)然，也有部分低后坐力武器噴管不存在喉部，喉部直徑對(duì)低后坐力武器不平衡力的影響如圖7所示。

圖7 不同喉部直徑對(duì)不平衡力的影響

由圖7可知:隨著喉部直徑的增大，噴管對(duì)火藥燃?xì)獾淖饔弥饾u減小，噴管不平衡力減小，隨著喉部直徑的減小，噴管對(duì)火藥燃?xì)獾淖饔迷龃?，不平衡力增加，燃?xì)庾饔贸跗诘牟黄胶饬φ袷幰查_(kāi)始增加，不利于射擊穩(wěn)定。

3.3 面積比

面積比是噴管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，不同的面積比對(duì)應(yīng)噴管不同的膨脹狀態(tài)，在保證噴管長(zhǎng)度不變的前提下，面積比對(duì)噴管推力的影響如圖8所示。在較大面積比時(shí)，由于氣體能夠迅速膨脹，使得前期噴管推力峰值較大，作用時(shí)間較短，而到了中期，由于膛內(nèi)壓力的增大，在噴管尾部產(chǎn)生了一個(gè)超音速燃?xì)馀?，噴管擴(kuò)張部?jī)?nèi)壁“抽真空”現(xiàn)象較為明顯；而在較小的面積比時(shí)，前期氣體無(wú)法迅速膨脹，峰值較小，作用時(shí)間較長(zhǎng)，中后期負(fù)推力現(xiàn)象不明顯。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)低后坐力武器噴管流場(chǎng)特性和推力特性進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

1)低后坐力武器噴管在火藥燃?xì)忾_(kāi)始作用瞬間推力急劇增大；在燃?xì)庾饔贸跗谟捎谔艃?nèi)壓力較大，火藥燃?xì)庠趪姽芪膊啃纬傻蛪簠^(qū)產(chǎn)生負(fù)推力；在燃?xì)庾饔弥泻笃?，噴管推力呈現(xiàn)出先增大后減小且幅值較小的變化。

2)收斂半角對(duì)低后坐力武器噴管不平衡力影響較?。缓聿恐睆皆叫?，不平衡力越大，振蕩現(xiàn)象越強(qiáng)；面積比越小，噴管推力峰值越大，負(fù)推力現(xiàn)象越明顯。

圖8 不同面積比對(duì)不平衡力的影響