埋頭彈火炮高效低危害炮口制退器的實(shí)驗(yàn)研究

王加剛, 余永剛, 周良梁

(1.南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094; 2.重慶望江工業(yè)有限公司， 重慶 400071)

?

埋頭彈火炮高效低危害炮口制退器的實(shí)驗(yàn)研究

王加剛1,2, 余永剛1, 周良梁1

(1.南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094; 2.重慶望江工業(yè)有限公司， 重慶 400071)

為降低埋頭彈火炮發(fā)射過(guò)程中炮口制退器產(chǎn)生的沖擊波危害，設(shè)計(jì)了高效低危害炮口制退器的實(shí)驗(yàn)裝置。通過(guò)對(duì)比射擊實(shí)驗(yàn)，將新型高效低危害炮口制退器與原炮口制退器性能進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：高效低危害炮口制退器能夠有效減小火藥燃?xì)獾膫?cè)向流動(dòng)；同時(shí)降低流場(chǎng)中沖擊波的強(qiáng)度，炮手位置沖擊波強(qiáng)度減小了61.4%，大大降低了射擊過(guò)程中沖擊波對(duì)炮手的危害。在高效低危害炮口制退器基礎(chǔ)上使用了消聲碗，雖然炮口沖擊波強(qiáng)度略有增強(qiáng)，但制退器的制退效果得到顯著改善。

兵器科學(xué)與技術(shù)； 火炮； 炮口制退器； 高效； 低危害； 實(shí)驗(yàn)研究

0 引言

火炮發(fā)射過(guò)程中會(huì)在膛內(nèi)產(chǎn)生大量高溫高壓燃?xì)猓?dāng)彈丸出炮口時(shí)，膛口壓力高達(dá)60～80 MPa. 高溫高速燃?xì)庠谔趴谛纬蓮?fù)雜的流場(chǎng)，對(duì)火炮發(fā)射產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊作用，對(duì)火炮發(fā)射的精度產(chǎn)生較大影響[1]。埋頭彈火炮又稱嵌入式彈藥，其主要特點(diǎn)是：彈丸縮在藥筒內(nèi)，發(fā)射藥裝填在彈丸周圍及尾部，彈藥外形呈現(xiàn)規(guī)則的圓柱狀，火炮自動(dòng)機(jī)大多采用旋轉(zhuǎn)閉鎖原理，以大幅縮短其縱向長(zhǎng)度[2]。因此戰(zhàn)車在相同條件下可以裝備口徑更大的火炮，隨著火炮口徑的增加，發(fā)射過(guò)程后坐效應(yīng)增強(qiáng)。

炮口制退器的使用，可以控制后效期氣體流動(dòng)，在炮口產(chǎn)生一個(gè)向前的沖量，為炮身提供一個(gè)制退力，減小發(fā)射過(guò)程中的擾動(dòng)作用[3]。但是炮口制退裝置的使用也會(huì)形成一些危害，如發(fā)射過(guò)程會(huì)產(chǎn)生噪聲和沖擊波對(duì)射手造成身體傷害[4]。

目前，對(duì)于炮口制退器發(fā)射性能的研究主要是通過(guò)數(shù)值模擬方法進(jìn)行。如Florio等[5]采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent模擬了在身管尾部增加簡(jiǎn)單側(cè)向噴孔對(duì)炮口流場(chǎng)特性的影響。江坤等[6]對(duì)裝有炮口制退器的車載炮膛口沖擊流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得了流場(chǎng)波系結(jié)構(gòu)以及車身上的沖擊波作用規(guī)律。劉欣寧等[7]利用三維非定常歐拉方程，結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，模擬了彈丸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中炮口制退器膛口流場(chǎng)的變化過(guò)程。文獻(xiàn)[8-9]對(duì)比分析高速?gòu)椡璐┰讲煌诳谥仆似鲿r(shí)，流場(chǎng)波系結(jié)構(gòu)的變化，并進(jìn)一步探討了制退器結(jié)構(gòu)對(duì)制退器效率的影響，研究結(jié)果表明多孔制退器能更有效地改善系統(tǒng)的后坐性能。王惠源等[10]采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)管機(jī)槍對(duì)有、無(wú)膛口旋轉(zhuǎn)制退裝置的膛口流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真。這些研究主要關(guān)注于提高發(fā)射裝置的后坐效率，并未考慮到發(fā)射過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊波與噪聲。

戰(zhàn)車裝備埋頭彈火炮時(shí)，火炮口徑增大，對(duì)后坐裝置后坐效率提出了更高的要求。相關(guān)研究表明炮口制退器在控制火藥燃?xì)鉁p小后坐力的同時(shí)，增強(qiáng)了炮口壓力波，容易對(duì)武器系統(tǒng)、場(chǎng)地以及人員安全產(chǎn)生不利影響[11]。為了緩解這一矛盾，根據(jù)分段多級(jí)降壓原理，設(shè)計(jì)了埋頭彈火炮高效低危害炮口制退器，它通過(guò)控制炮口火藥燃?xì)夥侄味嗉?jí)噴出，分散噴流，使高壓火藥燃?xì)獬浞峙蛎涀龉Γ瑥亩_(dá)到降低噪聲和衰減沖擊波的目的。該項(xiàng)研究對(duì)提高制退器效率，降低最大后坐力，降低炮口沖擊波對(duì)炮手的危害以及提高埋頭彈火炮適裝性具有重要的軍事意義。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 炮口制退器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagrams of muzzle brakes

基于炮口制退器的高效性與低危害性的要求，本文在原35 mm埋頭彈火炮炮口制退器(見(jiàn)圖1(a))基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了高效低危害炮口制退器與附加消聲碗的高效低危害炮口制退器兩種新型炮口制退裝置。其中高效低危害炮口制退器通過(guò)附加分段多級(jí)導(dǎo)向筒(見(jiàn)圖1(b))，以期達(dá)到降低噪聲和沖擊波的目的。分段多級(jí)導(dǎo)向筒泄壓孔方案為4級(jí)降壓設(shè)計(jì)：前3級(jí)采用泄壓孔降壓，泄壓孔寬度距離炮口由L、L1、L2逐步增大，泄壓孔截面采用45°倒角設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖2)，炮口的火藥燃?xì)鈮毫?jīng)3級(jí)泄壓后迅速降低，最后再通過(guò)尾部通孔進(jìn)一步泄壓，從而保證火藥燃?xì)獬浞峙蛎涀龉ΓM(jìn)而達(dá)到降低噪聲和沖擊波的作用。為了進(jìn)一步提高制退效率，在分段多級(jí)導(dǎo)向筒前方附加了消聲碗(見(jiàn)圖1(c))，以期達(dá)到在較高制退效率情況下，降低噪聲和沖擊波對(duì)炮手的危害。分段多級(jí)導(dǎo)向筒與支撐環(huán)和消聲碗采用焊接連接，分段多級(jí)導(dǎo)向筒前方通過(guò)支撐環(huán)利用原炮口制退器外圓柱面支撐，后方通過(guò)安裝座采用抱箍的方式與炮管環(huán)形槽固定。為了解兩種新型炮口制退器的工作性能，將其與原炮口制退器進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析。

圖2 分段多級(jí)導(dǎo)向筒Fig.2 Multistage guide cylinder

圖3為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示意圖，圖3中A、B、C 3點(diǎn)為壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用聲壓傳感器監(jiān)測(cè)射擊過(guò)程中流場(chǎng)的壓力脈沖；D點(diǎn)為噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)，使用聲級(jí)計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)燃?xì)馔ㄟ^(guò)制退器時(shí)產(chǎn)生的噪聲。

圖3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of experimental site

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

針對(duì)3種制退器，采用相同的裝填條件，進(jìn)行了模擬射擊實(shí)驗(yàn)。圖4給出炮口流場(chǎng)照片，圖4(a)為傳統(tǒng)炮口制退器，圖4(b)為高效低危害炮口制退器，圖4(c)為附加消聲碗的高效低危害炮口制退器。

圖4 炮口流場(chǎng)形態(tài)Fig.4 Muzzle flow field

如圖4(a)所示，在火炮發(fā)射過(guò)程中，燃?xì)饨?jīng)過(guò)傳統(tǒng)炮口制退器時(shí)，會(huì)形成較為明顯的側(cè)向氣流，這樣會(huì)在側(cè)面流場(chǎng)產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊作用。而使用高效低危害炮口制退器時(shí)，燃?xì)饨?jīng)過(guò)緩沖，側(cè)向氣流的沖擊作用減弱，從圖4(b)可以看出側(cè)向氣流尺寸明顯減小。而在使用附加消聲碗的高效低危害炮口制退器時(shí)，炮口處的消聲碗抑制了部分燃?xì)獾妮S向流動(dòng)，通過(guò)炮口制退器側(cè)向噴孔流出氣體增加，因此圖4(c)中側(cè)向氣流增強(qiáng)。

圖5～圖7分別給出了3種制退器發(fā)射過(guò)程中沖擊波曲線。

針對(duì)圖5～圖7中測(cè)量曲線進(jìn)行變換處理，可以得到發(fā)射過(guò)程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沖擊波特性參數(shù)；結(jié)合D點(diǎn)測(cè)得的噪聲參數(shù)，以及位移試紙測(cè)得的后坐位移，可以得到炮口制退器射擊特性參數(shù)，如表1所示。

結(jié)合圖5～圖7與表1可以看出，采用傳統(tǒng)炮口制退器時(shí)，發(fā)射過(guò)程測(cè)得A、B、C的沖擊波聲壓值分別為11.68 kPa、12.71 kPa、3.21 kPa，而D點(diǎn)的噪聲平均值為128.5 dB，此時(shí)最大后坐位移為31.3 mm. 在傳統(tǒng)炮口制退器附加高效低危害炮口制退器裝置后，發(fā)射過(guò)程中A、B、C測(cè)試點(diǎn)沖擊波聲壓強(qiáng)度分別為7.09 kPa、7.80 kPa、1.24 kPa，D點(diǎn)的噪聲平均值為127.3 dB，最大后坐位移為31.2 mm，與傳統(tǒng)炮口制退器相比，A、B、C測(cè)試點(diǎn)沖擊波強(qiáng)度分別降低了39.3%、38.6%、61.4%. 由此可以看出：在炮口安裝高效低危害炮口制退器裝置后，火藥燃?xì)鈮毫?jīng)3級(jí)泄壓后迅速降低，最后再通過(guò)尾部通孔進(jìn)一步泄壓，從而保證火藥燃?xì)獬浞峙蛎涀龉Γ瑢?duì)沖擊波的降低效果顯著，特別是炮手位置的沖擊波降低了61.4%，大大減小了沖擊波對(duì)操作人員的危害。

圖5 傳統(tǒng)炮口制退器產(chǎn)生的沖擊波曲線Fig.5 Shock waves generated by traditional muzzle brake

圖6 高效低危害炮口制退器產(chǎn)生的沖擊波曲線Fig.6 Shock waves generated by high efficiency and low hazard muzzle brake

表1 炮口制退器射擊特性參數(shù)Tab.1 Launching characteristic parameters of muzzle brakes

圖7 附加消聲碗的高效低危害炮口制退器產(chǎn)生 的沖擊波曲線Fig.7 Shock waves generated by high efficiency and low hazard muzzle brake with silencing bowl

在高效低危害炮口制退器的基礎(chǔ)上，在炮口安裝消聲碗后，發(fā)射過(guò)程中A、B、C測(cè)試點(diǎn)測(cè)得沖擊波聲壓分別為9.30 kPa、9.75 kPa、1.48 kPa，D點(diǎn)噪聲平均值為126.3 dB，最大后坐位移為26.8 mm. 與高效低危害炮口制退器相比，A、B、C測(cè)試點(diǎn)測(cè)得的沖擊波強(qiáng)度分別上升了31.1%、25.0%、15.6%. 與原炮口制退器相比：A、B、C測(cè)試點(diǎn)沖擊波強(qiáng)度分別降低了20.4%、23.3%、53.9%；由于只在附加裝置前端加了消聲碗，后端未作處理，因此噪聲只降低了2.3 dB；燃?xì)獬雠诳诤螅糠秩細(xì)饫^續(xù)沿軸線膨脹，當(dāng)燃?xì)庾矒舻较曂霑r(shí)，燃?xì)馀c消聲碗相互作用，產(chǎn)生一個(gè)沿軸向的推力，增強(qiáng)了炮口制退器的制退效果，從而有效減小了火炮后坐力，最大后坐位移值減少了14.1%. 由表1可以看出：在火炮上安裝附加消聲碗的炮口制退器后，最大后坐位移減少了4.4 mm.

3 結(jié)論

本文根據(jù)35 mm埋頭彈火炮炮口流場(chǎng)的特點(diǎn)，基于火藥制退器高性能低危害的要求，設(shè)計(jì)了兩種狀態(tài)的高效低危害炮口制退器，并與原制退器進(jìn)行了對(duì)比射擊實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1)對(duì)比射擊過(guò)程中炮口流場(chǎng)形態(tài)可以看出，使用高效低危害炮口制退器能夠有效抑制炮口燃?xì)獾膫?cè)向流動(dòng)，降低射擊陣地被發(fā)現(xiàn)的幾率。

2)使用高效低危害炮口制退器后，大大降低了沖擊波的強(qiáng)度，射手位置沖擊波強(qiáng)度降低了61.4%，大大降低了射擊過(guò)程中沖擊波對(duì)炮手的危害。

3)在高效低危害炮口制退器基礎(chǔ)上，在炮口裝置上增加消聲碗，雖然炮口沖擊波強(qiáng)度略有增強(qiáng)，但沖擊波強(qiáng)度還是小于傳統(tǒng)炮口制退器；而消聲碗的使用進(jìn)一步增強(qiáng)了制退器的制退效果，最大后坐位移減小了14.1%.

References)

[1] 尤國(guó)釗，許厚謙． 中間彈道學(xué)[M]． 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社，2003． YOU Guo-zhao, XU Hou-qian. Intermediate ballistics[M]. Beijing:National Defense Industry Press, 2003.(in Chinese)

[2] 張浩，陸欣，余永剛，等. 某口徑埋頭彈火炮的密封與裝藥設(shè)計(jì)[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2006, 27(4): 630-633. ZHANG Hao, LU Xin, YU Yong-gang, et al. Design for the seal system and charge of a CTA gun[J]. Acta Armamentarii, 2006, 27(4): 630-633.(in Chinese)

[3] 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． GAO Yue-fei. Artillery recoil mechanism design[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2010.(in Chinese)

[4] 楊志煥, 姚德勝. 空氣沖擊波重復(fù)作用的生物效應(yīng)[J]. 爆炸與沖擊, 1991, 11(2):170-176. YANG Zhi-huan, YAO De-sheng. The biological effects under repeated air blast shock waves[J]. Explosion and Shock Waves, 1991, 11(2):170-176.(in Chinese)

[5] Florio L A. Effect of vent opening area and arrangement on gas flow field as gas propelled cylinder exits a flow tube[J]. Meccanica, 2010, 45(4): 475-501.

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

[7] 劉欣寧, 岳明凱. 帶炮口制退器的火炮膛口流場(chǎng)三維數(shù)值模擬[J]. 四川兵工學(xué)報(bào), 2015, 36(7): 56-59. LIU Xin-ning，YUE Ming-kai. Numerical simulation of 3D flow fields of gun with muzzle brake[J]. Journal of Sichuan Ordnance, 2015, 36(7): 56-59. (in Chinese)

[8] 張煥好, 陳志華, 姜孝海, 等. 高速?gòu)椡璐┰讲煌仆似鲿r(shí)的膛口流場(chǎng)波系結(jié)構(gòu)研究[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2012, 33(5): 623-629. ZHANG Huan-hao, CHEN Zhi-hua, JIANG Xiao-hai, et al. Investigation on the blast wave structures of a high-speed projectile flying through different muzzle brakes[J]. Acta Armamentarii, 2012, 33(5): 623-629.(in Chinese)

[9] Zhang H H, Chen Z H, Jiang X H, et al. Investigations on the exterior flow field and the efficiency of the muzzle brake[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2013, 27(1): 95-101.

[10] 王惠源, 黃建業(yè), 張成卿. 基于CFD的轉(zhuǎn)管機(jī)槍助旋制退器流場(chǎng)超壓仿真及對(duì)彈丸初速影響分析[J]. 彈道學(xué)報(bào), 2016, 28(1):26-32. WANG Hui-yuan，HUANG Jian-ye，ZHANG Cheng-qing. Simulation of flow-field overpressure of torque assist and brake for rotating-barrel machine-gun based on CFD and analysis of its effect on projectile muzzle velocity[J]. Journal of Ballistics, 2016, 28(1): 26-32.(in Chinese)

[11] 王永河，張世全，趙靜，等. 炮口制退器高效率低危害技術(shù)探討[J]. 火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào), 2007,28(3): 37-39. WANG Yong-he，ZHANG Shi-quan，ZHAO Jing，et al. Discussion about muzzle brake of high efficiency but low hazard technology[J]. Journal of Gun Launch and Control, 2007,28(3): 37-39.(in Chinese)

Experimental Study of High Efficiency and Low HazardMuzzle Brake for CTA Gun

WANG Jia-gang1,2, YU Yong-gang1, ZHOU Liang-liang1

(1.School of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China;2.Chongqing Wangjiang Industry Co., Ltd., Chongqing 400071, China)

To reduce the hazard of shock wave induced by muzzle brake during the launching process of cased telescoped ammunition (CTA) gun, a high efficiency and low hazard muzzle brake is designed. The high efficiency and low hazard muzzle brake is compared with the traditional muzzle brake through launching experiment. The experimental result indicates that the high efficiency and low hazard muzzle brake can be used to effectively restrict the lateral flow of combustion gas, weaken the shock wave in the flow field greatly, and reduce the intensity of shock wave at the location of launcher by 61.4%, which reduces the harm of shock wave to gunner. Although the intensity of shock wave is slightly enhanced after a silencing bowl is used in the high efficiency and low hazard muzzle brake, but the recoil performance of launching system is significantly improved.

ordnance science and technology; gun； muzzle brake； high efficiency; low hazard； experimental study

2016-09-08

王加剛(1979—), 男, 博士研究生。E-mail: wjgnjust@163.com

余永剛(1963—), 男, 教授，博士生導(dǎo)師。E-mail: yyg801@njust.edu.cn

TJ303+.2

A

1000-1093(2017)05-1035-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.05.025