鋼鈦復合結構炮口制退器研究

李貴虎，李振新，趙俊魁，武 荔，張春梅

(山西北方機械制造有限責任公司，山西 太原 030051)

0 引言

炮口制退器可有效降低大口徑火炮的后坐阻力和炮架質量[1]。目前各國裝備的炮口制退器重量均較大，主要原因在于材料選型和結構設計不合理，材料方面基于經濟性和工藝的考慮采用鋼材制造，而鋼材密度大，造成炮口制退器重量也大，同時，炮口制退器結構設計時優化設計應用得少、肥頭大耳現象較多。

鈦合金具有比強度高、耐熱性好、抗腐蝕性好等特點，在地面武器裝備上(如M777榴彈炮、AH4型155榴彈炮炮架、M1A1主戰坦克的艙門護罩等)大量采用了鈦合金[2]，減重效果明顯，這為炮口制退器輕量化提供了材料基礎。但是，炮口制退器工作時處于火炮發射產生的高溫、高壓以及高速火藥燃氣的作用中，由于金屬鈦的化學活性較高，在高溫環境中極易被氧化，生成脆性的無保護性疏松氧化層，氧分子可以透過氧化層繼續氧化鈦合金基體[3-6]，因此，鈦合金材料應用于炮口制退器時應注意抗燒蝕性設計。而鋼材作為炮口制退器常用材料具有較好的耐燒蝕性能，在炮口制退器設計中使用鋼鈦復合結構可將材料性能合理應用。

某105 mm突擊炮炮口制退器重量大(39 kg)，為研究輕量化的可行性，本文以炮口制退器減重23 kg、效率與原炮口制退器相當、滿足現有彈藥發射要求為條件，研發設計了一種鋼鈦復合結構的炮口制退器，并對其進行了仿真分析與試驗驗證。

1 鋼鈦復合結構炮口制退器結構設計

以鋼鈦為基材的輕量化復合結構炮口制退器技術方案如圖1所示。鋼鈦復合結構炮口制退器采用內鋼外鈦的過盈復合結構，由炮口制退器本體、內襯套、噴口內襯和連接螺釘等組成，由炮鋼和鈦合金材料過盈復合而成,內襯套和噴口內襯選用炮鋼，炮口制退器本體選用綜合性能優良的TA15鈦合金。TA15鈦合金為近α型中等強度級別的鈦合金，長時間(3 000 h)工作溫度可達500 ℃，瞬時可達800 ℃，具有良好的綜合力學性能和工藝性能。制退器整體形式為反作用式，內鋼外鈦結構設計避免了火藥氣體對鈦合金材料的直接沖刷，提高了炮口制退器的耐燒蝕性。

圖1 鋼鈦復合結構炮口制退器

制退器采用大側孔后噴結構，側孔由2排組成，每排4個對稱分布，側孔的后噴角度和直徑都相同，中央彈孔為等口徑形式，結構尺寸通過MATLAB軟件對重量與效率進行聯合設計綜合優化后求得，其主要變量如圖2所示，包括長度變量5個(L1、L2、L3、L4、L5)、直徑變量5個(d1、d2、d3、d4、d5)和角度變量1個(A)。制退器重量通過體積與密度乘積計算求得，通過文獻[7]規定的反沖擊式炮口制退器計算方法求得炮口效率。優化計算過程如圖3所示，目標重量Q0=15.8 kg、目標效率ηT0=37%，Qn、ηT為重量和效率的計算值，設置F(n)=1-QnQ0×1-ηTηT0為優化函數，通過逐次計算求取F(n)最小為優化結果，求得的制退器效率和重量見表1。

圖2 制退器結構尺寸變量示意圖

圖3 優化計算過程

表1 優化計算結果

2 效率仿真

2.1 計算方法

隨著計算流體力學的發展，膛口流場的數值模擬成為研究膛口氣流現象的重要方法[8]。Fluent是一款功能強大的通用流體分析軟件，通過Fluent軟件可求取炮口制退器效率數值，其方法是通過計算發射過程中火炮后坐部分的全沖量來直接計算最大自由后坐速度，進而求得炮口制退器能量特征效率。計算時，對帶和不帶炮口制退器流場的非定常模擬可以得到身管軸向受力隨時間的變化曲線，對曲線進行積分計算即可得到后效期炮身受到的全沖量I。分別以m0和m1代表不帶和帶炮口制退器時的后坐部分質量，根據炮口制退器效率的定義可得：

ηT=m0v2max0-m1v2max1m0v2max0×100%.

(1)

其中：vmax0、vmax1分別為不帶和帶炮口制退器時身管的最大自由后坐速度。

后效期過程中炮身做自由后坐運動滿足動量定理，即：

mivmaxi-mivi=Iii=0,1.

(2)

其中：vi為后效期開始時身管的自由后坐速度；Ii為后效期身管受到的全沖量。

2.1.1 后效期開始時身管后坐速度vi的計算

后效期開始時刻身管的自由后坐速度vi表示為：

vi=q+ω2mi+ω+qvgi=0,1.

(3)

其中：ω為火藥氣體質量；q為彈丸質量；vg為火藥氣體平均速度。

2.1.2 后效結束時身管最大自由后坐速度vmaxi的計算

后效期內任意時刻的后坐部分動能的增量等于炮膛合力的沖量，即：

Ii=∫τ0Fidt=mi(vhi-vi)i=0,1.

(4)

其中：vhi為后效期內任意時刻身管自由后坐速度；τ為后效期時間。后效期內身管的自由后坐速度vhi為：

vhi=vi+Iimi.

(5)

由式(5)可得后效期結束時身管的最大自由后坐速度vmaxi為：

vmaxi=vi+Ihimi.

(6)

將vmaxi代入公式(1)即可得到炮口制退器的能量效率。

2.2 網格劃分與求解器設置

使用ICEM劃分結構化網格，建立3D網格模型，得到的制退器網格模型如圖4所示，網格數量為75萬(混合網格)。計算域為1/4圓柱形計算域，分別計算發射炮彈時刻、后效期開始時刻膛內各物理量的分布情況，作為流場計算的初始化條件。

圖4 制退器網格模型

Fluent參數設置為：采用密度基隱式非定常求解器，一階迎風離散格式；使用理想氣體模型代替火藥氣體；出口邊界定義為壓力出口邊界，身管邊界定義為無滑移壁面條件，根據內彈道計算結果編寫UDF文件初始化內膛參數；時間步長為1 μs，庫朗數為1，每個時間步迭代50次，仿真時間為60 ms。

2.3 仿真結果

通過監測炮身受力情況，可得到炮身的軸向受力曲線，如圖5、圖6所示。

由炮身的受力-時間曲線積分得到帶炮口制退器和不帶炮口制退器時的后坐沖量，然后根據式(1)～式(6)得到炮口制退器能量效率，詳見表2。

3 試驗情況

鋼鈦復合結構炮口制退器重量稱量結果為15.9 kg。在某105 mm突擊炮炮臺架上對鋼鈦復合結構炮口制退器與原鋼制炮口制退器進行了對比射擊測試，每型炮口制退器分別射擊榴彈和穿甲彈各1發。通過監測后坐長對比分析炮口制退器效率，通過觀察制退器外觀檢測炮口制退器的承載能力和抗燒蝕性能，通過觀察彈丸飛行情況檢測炮口制退器對旋轉穩定的榴彈和尾翼穩定的穿甲彈的發射適應能力，通過測試炮架跳動對比分析炮口制退器對炮架振動的影響，射擊試驗結果見表3。

圖5 發射榴彈時炮身受力-時間曲線

圖6 發射穿甲彈時炮身受力-時間曲線

表2 制退器效率仿真計算結果

試驗表明：鋼鈦復合結構炮口制退器與原炮口制退器相比效率相當、重量減輕了59.2%，射擊試驗后炮架振動顯著減小,射后檢查炮口制退器無明顯燒蝕及開裂情況，同時，保留了對旋轉穩定的榴彈和尾翼穩定的穿甲彈的發射適應能力。

表3 射擊試驗情況

4 結論

鋼鈦復合結構炮口制退器具有炮口效率高、輕量化程度高、抗燒蝕性好等特點，可滿足穿甲彈和榴彈發射的需求，射擊時炮架振動小于使用傳統炮口制退器，有利于提高射擊精度，可作為某突擊炮炮口制退器的選型。