淺析052D級(jí)驅(qū)逐艦主炮采用炮口制退器的原因

思海+譚樂

艦炮這種傳統(tǒng)的海軍武器自14世紀(jì)裝備海軍以來，曾經(jīng)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都是海軍艦艇主戰(zhàn)武器裝備。即使在導(dǎo)彈化大行其道的今天，它憑借著高可靠性和持續(xù)性火力投送打擊能力，依然是現(xiàn)代水面作戰(zhàn)艦艇不可或缺的的武器裝備。近日，隨著我國(guó)新型驅(qū)逐艦052D級(jí)的首艦172號(hào)“昆明艦”的服役，艦上搭載的眾多我國(guó)自行研制的各種新型裝備讓人倍感歡欣鼓舞。而艦上最新裝備的主炮，其威武雄壯的外形也引起人們的極大關(guān)注。這就是我國(guó)海軍發(fā)展的全新一代大口徑艦炮——新型單管130毫米艦炮武器系統(tǒng)。

該型艦炮是我國(guó)自行研制和生產(chǎn)的新一代大口徑艦炮，它是在海軍推進(jìn)艦炮口徑逐漸統(tǒng)一到130毫米、75毫米及30毫米的指導(dǎo)思想下的產(chǎn)物之一。新型單管130毫米艦炮武器系統(tǒng)的研制成功，使我國(guó)大口徑艦炮水平躋入了世界先進(jìn)行列。由于研制的時(shí)間緊、任務(wù)重，再加上我國(guó)在艦炮研制領(lǐng)域的某些薄弱環(huán)節(jié)，促使該型艦炮在機(jī)械上有一部分借鑒了俄制AK-130型雙管130毫米艦炮的設(shè)計(jì)，并改進(jìn)了彈倉(cāng)和供彈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，機(jī)電部分則采用國(guó)內(nèi)全新設(shè)計(jì)，并重新設(shè)計(jì)了炮塔，加長(zhǎng)了炮管。該型艦炮射程遠(yuǎn)，發(fā)射常規(guī)炮彈時(shí)最大射程29.5千米;射擊精度高，射速快，最大射速可以達(dá)到40發(fā)/分左右;同時(shí)還具有自動(dòng)化程度和信息化程度高等優(yōu)點(diǎn)。該炮不僅能夠發(fā)射海軍常規(guī)130毫米炮彈，還能兼容發(fā)射次口徑炮彈，并具有炮射導(dǎo)彈能力，能夠打擊超過100千米以上目標(biāo)，具有防空攔截、對(duì)海火力打擊和對(duì)陸火力支援的能力。新型單管130毫米艦炮的出現(xiàn)標(biāo)志著100毫米艦炮已經(jīng)在中國(guó)海軍的研制和發(fā)展譜系中消失了，后者將隨著新型大口徑艦炮的服役而逐步退出中國(guó)海軍的艦炮裝備行列。

新型單管130毫米艦炮服役以來，人們每當(dāng)看見它，目光總會(huì)聚集在其炮口前端所采用的炮口制退器上，這在中國(guó)海軍以往裝備大中口徑艦炮中確實(shí)比較罕見。誠(chéng)然，新型單管130毫米艦炮雖然是我國(guó)海軍自行研制大中口徑艦炮中第一種采用炮口制退器的艦炮，然而在國(guó)際上，炮口制退器卻是各國(guó)海軍采取減少艦炮后坐力的通行措施之一，并在各國(guó)海軍的各種口徑艦炮上得到廣泛應(yīng)用。比較常見如：俄羅斯在研的A192M型單管130毫米艦炮、意大利奧托127毫米單管艦炮、英國(guó)MK8型114毫米艦炮、意大利奧托·梅萊拉緊湊型76毫米/62單管艦炮、瑞典博福斯海特里尼蒂40毫米艦炮、瑞士厄利空GBM-B1Z型25毫米艦炮、西班牙梅羅卡20毫米多管艦炮、意大利OE/OTO35毫米毫米艦炮等等，連美國(guó)也有一款意大利授權(quán)生產(chǎn)的Mk75型76毫米艦炮。

眾所周知，炮口制退器是火炮上的一種反后坐力的膛口裝置，它主要是通過控制后效期的火藥氣體的流量、方向及速度，將火藥燃?xì)獾牟糠謩?dòng)能通過制退器傳遞給火炮的后坐部分，從而對(duì)炮身提供一個(gè)制推力，減少炮膛合力的總沖量，繼而減少火炮的動(dòng)能和火炮架體的射擊載荷，縮短后坐行程。通過有無炮口制退器的艦炮射擊時(shí)的對(duì)比，很明顯就可以發(fā)現(xiàn)兩者之間射擊時(shí)的炮口射流明顯不同。沒有炮口制退器的艦炮射擊時(shí)，炮口射流可被近似地看成是一個(gè)球心運(yùn)動(dòng)的球形沖擊波，并具有明顯的方向性。而有炮口制退器的艦炮射擊時(shí)，炮口射流明顯分為兩部分，一部分火藥氣流通過炮口制退器分流并改變方向，艦炮膛口向前噴出的火藥氣流明顯減少，也就減少了其對(duì)艦炮本身的反作用力。另外，炮口制退器的側(cè)孔向后噴出的火藥氣流又給了艦炮一個(gè)與后坐力方向相反的力，從而達(dá)到制退效果。

使用炮口制退器的主要作用有兩點(diǎn)：第一、減小后坐動(dòng)能。在后坐部分質(zhì)量及后坐長(zhǎng)度不變時(shí)，減小后坐動(dòng)能可以減小射擊時(shí)的后坐力，從而減小炮架尺寸，減小火炮質(zhì)量;在后坐質(zhì)量和后坐力一定時(shí)，則縮短后坐長(zhǎng)度，這樣能使火炮設(shè)計(jì)得更加緊湊。第二，便于將不同威力炮身安裝到相同炮架上。從力學(xué)角度講，要在同一炮架上安裝不同威力的炮身，只需保證不同炮身的后坐動(dòng)能相等就可以了。而這兩點(diǎn)恰恰就是新型單管130毫米艦炮采用炮口制退器的原因。

首先，新型單管130毫米艦炮是在機(jī)械上部分借鑒了俄制AK-130型艦炮的原理設(shè)計(jì)，加長(zhǎng)了炮管。換句話說，它的反后坐力裝置基本沿用俄制AK-130型艦炮的設(shè)計(jì)。加長(zhǎng)了炮管的目的是為了提高初速，從而增加射程。通常來說，提高射程的手段主要有兩種，一提高火炮初速，二減小彈丸阻力。但是為了戰(zhàn)備和簡(jiǎn)化后勤的需要，一般很少改動(dòng)彈丸。因此在彈丸阻力一定的情況下，提高射程就只能通過增加火炮初速來實(shí)現(xiàn)。

從內(nèi)彈道學(xué)原理我們得知，火炮射程和初速可以通過以下兩種手段得到提高：一是增大發(fā)射藥裝藥量，也就是增加彈丸發(fā)射時(shí)火藥能量;二是延長(zhǎng)身管長(zhǎng)度，增加彈丸被火藥燃?xì)饧铀俚臅r(shí)間。但是，火炮藥室容積（影響裝藥量的主要參數(shù)）并不是可以隨意選擇的。通常情況下，軍工科研人員在設(shè)計(jì)一種火炮時(shí)，會(huì)首先根據(jù)預(yù)先制定的火炮性能指標(biāo)所給出的口徑、彈重、初速等初始條件，選取適當(dāng)?shù)淖畲筇艍骸⑺幨覕U(kuò)大系數(shù)和火藥品種，以此為起點(diǎn)計(jì)算出火炮所需要的裝藥量。一旦設(shè)計(jì)人員確定了合理的藥室容積，除非出現(xiàn)特殊情況，否則這個(gè)參數(shù)在火炮的整個(gè)發(fā)展和改進(jìn)周期中都將固定不變。因?yàn)橐坏┧幨胰莘e發(fā)生變化，就意味著整個(gè)彈藥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都要重新設(shè)計(jì)，這是火炮設(shè)計(jì)人員所不能接受的。與之相對(duì)應(yīng)的是，火炮身管長(zhǎng)度發(fā)生改變對(duì)彈藥的影響很小。由于新型單管130毫米艦炮是在俄制AK-130型雙管130毫米艦炮的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，所以我們可以近似的認(rèn)為其裝藥量和彈丸基本保持不變。那么為了提高射程，加長(zhǎng)炮管就成了唯一選擇。為此，新型單管130毫米艦炮采用了加長(zhǎng)的70倍口徑身管，這幾乎達(dá)到了該口徑身管的極限。有資料稱，新型單管130毫米艦炮采用了70倍口徑身管后，發(fā)射新型精確制導(dǎo)彈藥時(shí)，炮口動(dòng)能是原有該口徑艦炮的150%，而后坐力則相應(yīng)比原來增加了40%。因此，要在同一炮架上安裝不同威力的炮身，保證不同炮身的后坐動(dòng)能相等，采用炮口制退器也就順理成章了。

其次是減重和火炮設(shè)計(jì)緊湊化的需要。俄制AK-130型雙管130毫米艦炮系統(tǒng)全重94噸，座圈開口直徑比較大，適裝性比較差，只能裝備7000～8000噸級(jí)以上軍艦。而新型單管130毫米艦炮為了實(shí)現(xiàn)減重的目的，提高適裝性，把全重降到50噸左右，以實(shí)現(xiàn)在5000噸級(jí)以上水面艦艇裝備的目標(biāo)，不但大量采用鋁合金，炮塔外殼材料改為玻璃鋼，還取消一路供彈鏈，減少?gòu)梻}(cāng)容量。這樣就帶來的一個(gè)矛盾：70倍口徑的身管帶來了后坐力則相應(yīng)增加了，艦炮全重卻比原來減少了將近一半。在這種情況下，怎么能保證艦炮炮架和甲板有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度去承受后坐力呢？要知道，艦炮的后坐動(dòng)能主要是由艦炮的反后坐力裝置和自身的質(zhì)量所緩沖的，而不是直接傳遞到甲板上，否則陸地發(fā)射試驗(yàn)時(shí)，強(qiáng)大的后坐動(dòng)能就能直接讓艦炮發(fā)生解體。因此，在艦炮的反后坐力裝置不發(fā)生大的改變的情況下，要達(dá)到減重要求，并且保證駐退機(jī)、耳軸、上架、座圈、甲板等有足夠強(qiáng)度，減小后坐動(dòng)能就成了唯一出路。只有減小射擊時(shí)的后坐力，才能減小炮架尺寸，減小火炮質(zhì)量的同時(shí)保證有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，炮口制退器的采用也就成了必然。同理，要使火炮設(shè)計(jì)得更加緊湊，縮短后坐行程也是緊湊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。endprint

艦炮加裝炮口制退器對(duì)保持船舶的穩(wěn)性及提高射擊精度也有積極意義。我們知道，052D級(jí)驅(qū)逐艦是從052C級(jí)驅(qū)逐艦升級(jí)發(fā)展起來的，基本上繼承了后者的船體結(jié)構(gòu)，排水量增加不大。換句話說，就是其船舶穩(wěn)性基本變化不大。所謂的船舶穩(wěn)性指的是受外力作用發(fā)生傾斜，當(dāng)外力消失后能夠自行回復(fù)到原來平衡位置的能力。當(dāng)艦炮射擊時(shí)，必然對(duì)會(huì)對(duì)船舶施加一個(gè)傾斜的力矩，破壞船舶的平衡狀態(tài)。而使船舶回復(fù)到原來平衡位置的是復(fù)原力矩，它與艦船的排水量、重心和浮心有密切聯(lián)系。因此，艦炮重量的大小和射擊時(shí)后坐力的大小對(duì)于船舶的穩(wěn)性有重要影響。通俗來說，艦炮重量過大，會(huì)引起艦船的排水量、重心的變化，影響船舶穩(wěn)性。艦炮射擊時(shí)產(chǎn)生的后坐力則會(huì)造成艦船的搖擺。當(dāng)后坐力過大造成船體搖擺過大時(shí)，不但嚴(yán)重影響射擊精度，甚至?xí)斐纱w的傾覆。加裝炮口制退器后，艦炮射擊時(shí)產(chǎn)生的后坐力減少，艦船的搖擺幅度隨之減少，射擊精度也隨之提高。

另外，加裝炮口制退器的好處之一就是可以去掉炮管外冷卻水套筒，達(dá)到力矩的平衡的效果。炮管外冷卻水系統(tǒng)一般的作用是降低身管外壁的溫度，由于熱傳導(dǎo)速度的影響，它對(duì)于身管內(nèi)膛的溫度降低和身管壽命影響有限。加裝炮口制退器后，由于有一個(gè)后向的沖擊波，帶走身管周圍的熱空氣，同時(shí)周圍冷空氣補(bǔ)充過來，如此形成一個(gè)空氣循環(huán)，降低身管周圍溫度。這樣雖然比使用炮管外冷卻水系統(tǒng)效果要差很多，但是加裝炮口制退器卻可以起到節(jié)省身管重量作用，平衡了起落部分的重量力矩，減少了身管的彎曲變形和射擊時(shí)的炮口振動(dòng)，達(dá)到提高精度的目的。

最后是加裝炮口制退器對(duì)射速的影響。艦炮加裝炮口制退器后，其后坐行程相應(yīng)縮短，后坐時(shí)間也會(huì)相應(yīng)的減少，這對(duì)于減少火炮的復(fù)位時(shí)間有顯著效果，因此也就能夠提高艦炮的射速。

按作用原理，我們一般可以把炮口制退器分為：沖擊式炮口制退器、反作用式炮口制退器和沖擊-反作用式炮口制退器。

沖擊式炮口制退器：該類型炮口制退器的結(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。

反作用式炮口制退器：該類型炮口制退器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是腔室直徑很小，沒有或只有很小的前反射擋板，側(cè)孔多排布置，為保證較好地膨脹，有時(shí)將側(cè)孔加工成擴(kuò)張噴管狀。

沖擊一反作用式炮口制退器：這類型炮口制退器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是具有較大直徑的腔室和分散的圓形或條形側(cè)孔。

那么，新型單管130毫米艦炮采用的是哪一種炮口制退器呢？通過仔細(xì)觀察新型單管130毫米艦炮的炮口制退器外形，我們很容易就可以發(fā)現(xiàn)它采用的是4室制的沖擊式炮口制退器。這是因?yàn)樾滦蛦喂?30毫米艦炮本質(zhì)上是屬于加農(nóng)炮，其彈道比較平伸，采用沖擊式炮口制退器的制退效果比較好。再加上我國(guó)在加農(nóng)炮上使用沖擊式炮口制退器的經(jīng)驗(yàn)比較豐富，所以采用這種形式的炮口制退器是明智的選擇。

沖擊式炮口制退器的工作原理是：彈丸發(fā)射出炮口后，高壓的火藥燃?xì)膺M(jìn)入炮口制退器并沿炮膛軸線膨脹加速形成高速氣流，氣流的大部分沖擊制退器的前壁的擋氣板，氣流方向改變后從側(cè)孔向后方排出。這種沖擊力賦予后坐部分向前的沖量，從而產(chǎn)生制退力來減少后坐力。

雖然使用炮口制退器有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是仍然不可避免地帶來許多負(fù)面效應(yīng)。首先，增加了炮口沖擊波的強(qiáng)度，發(fā)射炮彈時(shí)炮口焰和噪音，這是使用炮口制退器的最主要缺點(diǎn);其次，增加了身管的額外重量，增加平衡機(jī)的負(fù)擔(dān);再者，增加了身管的彎曲變形，使炮口發(fā)射容易發(fā)生振動(dòng)，影響射擊精度;另外，減少后坐力發(fā)生的時(shí)間比較晚，在彈丸發(fā)射出炮口才起作用。

這里不得不著重提一下的是炮口沖擊波的危害。沖擊波的殺傷作用主要是由沖擊波超壓和沖擊波作用時(shí)間來決定的。沖擊波超壓就是沖擊波壓強(qiáng)與空氣靜止時(shí)的氣壓（l個(gè)大氣壓）的壓強(qiáng)差;沖擊波作用時(shí)間就是沖擊波超壓所維持的時(shí)間。當(dāng)沖擊波超壓為0.1大氣壓時(shí)，就會(huì)引致門窗損壞、玻璃破碎;超壓為0.5大氣壓時(shí)，能使屋頂掀蓋;超壓為1大氣壓時(shí)，會(huì)造成房屋倒塌。0.1大氣壓的超壓相當(dāng)于每平方厘米受0.1千克的力，當(dāng)它作用在長(zhǎng)、寬各1米的面積上時(shí)，受力竟達(dá)1000千克。雖然這個(gè)力的作用時(shí)間很短，但這么大的沖擊力仍能產(chǎn)生相當(dāng)可觀的破壞作用。尤其對(duì)于人體而言，沖擊波超壓為0.5大氣壓時(shí)，人的耳膜破裂，內(nèi)臟受傷;超壓為1大氣壓時(shí)，作用于人體整個(gè)軀干的力可達(dá)4～5千千克。在這么大的沖擊力擠壓下，人體內(nèi)臟器官會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷，可造成肺、肝、脾、腎等內(nèi)臟器官破裂，甚至導(dǎo)致人員直接死亡。

由此可見，炮口沖擊波不但可以造成艦載設(shè)備的損壞，還可以造成炮口附近的人員的傷害，尤其是對(duì)密封和半密封條件下的人員的傷害更大。因此，這就決定了炮口制退器的制退效率不能無限提高，必須在提高制退效率和減輕炮口沖擊波的強(qiáng)度之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。

那么，新型單管130毫米艦炮采用的炮口制退器通過什么方法來減少炮口沖擊波的危害呢？要尋找答案，我們就必須把目光重新聚焦到新型單管130毫米艦炮的炮口上。我們細(xì)心觀察就會(huì)發(fā)現(xiàn)，在該炮口制退器上的第一對(duì)側(cè)孔的前壁上沒有擋氣板，而我們通過對(duì)沖擊式炮口制退器的工作原理的分析就可以得出這樣的結(jié)論：該出氣口的氣流對(duì)艦炮本身的作用力近似地認(rèn)為是不發(fā)生作用的。這樣做的目的是為了減少火藥氣體對(duì)炮口制退器撞擊，對(duì)其余側(cè)孔產(chǎn)生的沖擊波起到一個(gè)緩沖作用，減少炮口制退器產(chǎn)生的向后沖擊波對(duì)艦上設(shè)備和人員的傷害。而且這對(duì)側(cè)孔的的開口必須有個(gè)比較大的傾角，一般達(dá)到75°～80°左右。這樣才能起到緩沖的作用。

減少炮口制退器產(chǎn)生的向后沖擊波的危害方面，根據(jù)炮口沖擊波形成的機(jī)理和流場(chǎng)特征，我們還可以采用這樣的辦法：讓火藥燃?xì)庠谥仆似鲀?nèi)盡量充分膨脹，減輕側(cè)孔噴口氣流壓力;分散側(cè)孔高壓燃?xì)鈿饬鳎档突鹚幾畲笏查g秒流量。我們?cè)僮屑?xì)觀察新型單管130毫米艦炮的炮口制退器，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它不是一個(gè)均勻圓柱體，而是中央彈孔出口處最寬，逐漸向炮口縮小的圓錐體結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的目的就是為了讓火藥燃?xì)庠谥仆似鲀?nèi)盡量充分膨脹，減輕側(cè)孔噴口氣流壓力。由于中央彈孔的腔室體積逐漸增大，腔室氣流向后流通通暢，氣孔側(cè)孔秒流量減少，制退器效率下降，產(chǎn)生的向后沖擊波的強(qiáng)度減少，危害減輕。

通過上述分析，我們可以得出這樣一個(gè)結(jié)論：基于以俄制AK-130型雙管130毫米艦炮系統(tǒng)的原理所設(shè)計(jì)的反后坐力裝置的性能潛力，在我國(guó)新型單管130毫米艦炮上可能已經(jīng)挖掘殆盡，該型艦炮下一步進(jìn)行改進(jìn)，將是采用更加高效低害化的炮口制退器。否則，就必須重新設(shè)計(jì)基于新原理的反后坐力裝置，然而這幾乎就等于重新設(shè)計(jì)一門新的艦炮。

（編輯/一翔）endprint