各种炮口制退器结构特点及应用综述分析

各种炮口制退器结构特点及应用综述分析一、 总述炮口制退器在火炮发射后效期内工作，通过腔室、挡板和侧孔等结构控制气流流向， 被改变流向的气流给炮口制退器一个沿炮膛轴线向前的力，以此降低火炮后坐动能。1842年，在法国诞生了世界上第一个炮口制退器，这个炮口制退器的堪称炮口制退器的鼻祖，但它的结构设计得非常简单，就是在炮管的炮口区域设计了一组向后倾斜的侧孔， 这些侧孔会引导火药气体向侧后方向流动。法国又于1863年为 106mm火炮专门研制了 一个炮口制退器，它由36个直径为6毫米，方向向后倾斜45度的侧孔构成。随后对该 炮口制退器展开了实验工作，实验表明:火炮射击精度比无制退器情况下提高了一倍， 后坐长则减至无制退器情况的25%，而初速仅损失约6%。这次尝试标志着炮口制退器成 为火炮实际和有用的部分。本文针对炮口制退器的原理、作用及危害，要对炮口制退器进行高效率低危害优化的讨论。二、 炮口制退器作用及分类1、炮口制退器综述：炮口制退器是一种控制后效期火药气体流量、气流方向和气流速度的排气装置，其目的是减小后坐动能从而减小炮架受力、减小炮架质量以提高火炮机动性。2、炮口制退器的作用：炮口制退器的作用大小以其效率，即火炮上装炮口制退器后所减少的后座动能与无炮口制退器时最大自由后坐动能比值的百分比。效率的一般范围为20%-70%，大口径火炮为20%-40%中，中小口径火炮取值较大。一般来说，炮口制退器的作用主要有两条：第一，减小后坐动能。当后坐部分质量及后座长度一定时，可以减小射击时对炮架的作用力，从而减小炮架纵向尺寸，减小火炮质量；或者在后坐阻力一定时，缩短后坐长度。炮口制退器的应用缓解了火炮的威力和机动性的矛盾。第二，设计中，还可采用不同的效率的炮口制退器，将不同口径的炮身分别装在同一种炮架上，通常称此为“姐妹炮”。这样简化了火炮设计与生产，方便维护使用，具有较大的经济意义。同时，也有利于加速炮兵装备的改造工作。采用姊妹炮的条件是：必须保证各炮在后效期末自由后坐动能相等。3.炮口制退器分类3.1、按作用原理：可把炮口制退器分为:冲击式炮口制退器、反作用式炮口制退器和冲击一反作用式炮口制退器。冲击式炮口制退器冲击式炮口制退器特点:这类制退器具有明显的特征:较大直径的腔室、大面积并带有一定角度的反射板和大面积侧孔等。反作用式炮口制退器反作用式炮口制退器特点：这类制退器的腔室直径很小，前反射挡板的面积也较小，侧孔多排布置，有时侧孔被加工成扩张喷管状，这样有助于保证气流得到较好地膨胀。冲击一反作用式炮口制退器冲击一反作用式炮口制退器特点：这类制退器的特征介于前面两种制退器之间。腔室、反射挡板和侧孔的面积都不太大，但又有多排侧孔。火药燃气进入这种结构的炮口制退器的腔室后进行第一次膨胀加速，但由于不存在大面积腔室，气流不能直接膨胀至很低的压力，因而侧孔仍起到第二次膨胀加速和分配流量的作用。3.2、按结构形式：分为开腔式和半开腔式开腔式炮口制退器开腔式炮口制退器特点：侧孔面积大，气流在腔室内充分膨胀半开腔式炮口制退器半开腔式炮口制退器特点：气流进入侧孔前的压力仍很高，经侧孔时将进一步膨胀3.3、按气室数量：分为单室、双室和多室单室炮口制退器双室炮口制退器多室炮口制退器3.4、按侧孔形状:分为大侧孔、条形侧孔和圆形侧孔大侧孔炮口制退器条形侧孔炮口制退器圆形侧孔炮口制退器3.5、按加工工艺又可把炮口制退器分为:铸件炮口制退器、锻件炮口制退器。 (l)铸造炮口制退器是一种常见的炮口制退器，在以往的火炮中广泛采用，其优点是成本便宜，且可加工出各种复杂形状。其缺点是由于铸件的强度本身较低，炮口制退器往往需要设计的非常笨重。 (2) 锻件炮口制退器近年来发展非常迅速，由于锻件的力学性能远高于铸件，所以锻件炮口制退器比铸件炮口制退器紧凑轻便得多，但其制造比较费时，成本较高。3.6 、按炮口制退器的应用场合可把炮口制退器分为:线膛炮用制退器和滑膛炮用制退器。 (l)线膛炮发射的弹丸在飞行过程中靠旋转稳定，这类弹丸没有尾翼，对炮口制退器的结构没有特殊要求。 (2)滑膛炮发射的炮弹在飞行过程中靠尾翼稳定，普通炮口制退器的膨胀腔室会对弹丸的尾翼产生干扰，增加射弹散布。甚至会出现尾翼与制退器挡板相撞的情况，所以滑膛炮用的炮口制退器应该进行特殊的设计。三、 炮口制退器原理分析炮口制退器用于减小后效期火药燃气对后坐部分的冲量。它通过控制火药燃气的速度和方向,将其具有的部分动量经制退器传递给后坐部分,减小炮膛合力总冲量,起到制退作用。对于冲击式炮口制退器,弹丸出炮口后,高压燃气流入空间较大的制退器腔室,迅速膨胀为高速流,其中大部分冲击反射面,赋予后坐部分向前的冲量,形成制退力,然后从侧孔喷出;小部分经中央弹孔喷出,为了充分利用这部分气流,出现双室或多室炮口制退器。对于反冲式炮口制退器,弹丸出炮口后,高压火药燃气流入较小的制退器腔室,不能充分膨胀,压力很高,大部分经侧向扩张喷孔后膨胀,高速向后喷出,形成的反作用力给后坐部分向前的冲量。由气体动力学原理可知,高压燃气膨胀越充分,射流流速越高,也就是射流所具有的动量越大,作用于制退器的冲量越大;另一方面,速度方向与炮膛轴线夹角越小,射流对制退器冲量的轴向分量越大,后坐部分获得的全冲量I p 越小,制退效率越高。四、炮口气流问题概述 炮口制退器是在火炮发射后效期内依靠从炮口喷出的火药气体工作的部件，对炮口制退器的研究从来都是和对炮口气流的研究分不开的。 1不带炮口制退器气流问题概述 在火炮射击过程中，在炮口周围会形成随时间变化的两个流场，即初始流场和火药气体流场。 (l)初始流场 初始流场是不断加速前进的弹丸推动弹前火药气体冲出炮口形成的，这部分气流在膛内会形成激波，该激波会随着弹丸的加速而不断增强，出炮口后膨胀为一个球形冲击波，该球形冲击波就是初始冲击波。初始流场主要影响炮口流场在近场的发展，对炮口制退器在后效期的受力和冲击波的远场传播影响很小，在工程实际中可以不予考虑。 (2)火药气体流场 弹丸出炮口以后，高温高压火药气体紧随其后高速喷出，并在炮口周围产生一个不 断向外传播的炮口冲击波和一个相对来说稳定在炮口附近的射流结构。l)炮口冲击波弹丸出炮口后，高温、高压的火药气体首先从锥形的弹尾部周围溢出，向侧方剧烈 膨胀，速度高达15002000m/s。然后，火药气体向前包围弹丸，形成第二个冲击波， 即炮口冲击波。 上 图是炮口火药气体流场结构示意图，其中最外层的一道冲击波是初始冲击波， 而内层的一道更剧烈的冲击波则是炮口冲击波。炮口冲击波的强度远高于初始冲击波， 它有下述几个特点: 口冲击波由火药气体连续但有限的补充能量。 炮口冲击波可被近似地看成是一个球心运动的球形冲击波。 炮口冲击波具有明显的方向性，是一个各向异性的非均匀冲击波。 炮口冲击波前方嵌以另一个冠状冲击波，组成了复杂的相交波系。2)炮口超音速射流结构从炮口处喷射出来的火药气体除了会产生炮口冲击波外，还会在炮口附近形成一个 射流结构。2、带炮口制退器气流问题概述当炮口带有炮口制退器后，中央弹孔和各侧孔会分别形成独立的冲击波和射流结 构，这些冲击波和射流与无炮口装置时的冲击波和射流结构相似。但这些冲击波会在空 间合成为一个冲击波，这个冲击波就是带炮口制退器情况下的炮口冲击波，而射流结构 则可能会单独存在。带炮口制退器时的炮口流场大致结构如图在炮口端面上距炮膛中心线1 m 处的喷注湍流声压级有如下经验公式3 :L p = 80 + 20lgD + 20lg( R - 1) 2( R - 015)式中: L p 为声压级,dB ; D 为喷口孔径,mm ; R 为压力比, R = ps / p0 ; ps 为喷注气室驻压绝对值 ; p0为环境压力绝对值 。可见,喷口孔径D 越大, 喷注气室驻压ps 越高,噪声和冲击波就越强,危害越严重。总之,由于炮口制退器的安装,压力波被加剧并引向炮手工作区,产生对人体更强的危害。根据炮口压力波的形成机理和流场特性,前人得出了让火药燃气在制退器内充分膨胀,降低喷口压力,分散喷流和破坏炮口冲击波的降噪原则。可以利用机械装置消耗转化气流能量、利用隔声装置防止噪声外传以及利用其他声学原理控制炮口噪声等措施降低危害。四、 炮口及炮口制退器产生的主要危害1炮口噪声 初始冲击波、超音速射流和冲击波等都会产生炮口噪声，其中炮口冲击波是最强的 炮口噪声源。炮口冲击波和炮口噪声都是以压力波的形式向外传播的，但是这两种波的 性质有区别。噪声波是以纵波形式传播的小振幅、交复振荡的线性波，传播的速度为声 速，声压随距离衰减较慢;而冲击波是波阵面本身以超音速传播的大振幅非线性波，振 幅随着传播距离增大而很快衰减，最后转化为声波;冲击波通过前后介质的参数是突跃 变化的，而声波通过后介质的参数是连续变化的;冲击波通过后介质会获得一个与传播 方向相同的移动速度，而声波不会引起介质的同向移动，只会引起质点的原位振动;冲 击波的传播速度相对于未扰动介质是超音速的，而声波的传播速度保持音速不变。从对 人员的生理伤害来看，二者均是脉冲压力，人均感觉为脉冲噪声。不同的是，由于冲击 波压力较高，往往首先造成对中耳的机械损伤，从而减轻了对内耳的严重损伤;噪声则 由于交复振荡而直接侵入内耳及听觉神经，会引起内耳的严重损伤，造成暂时性失听。 一般来说，炮口附近的压力波中既包含冲击波也包含噪声波，在炮手操作区域内，炮口 冲击波仍然较强，而在远场以外则全部变为噪音。2、炮口焰 炮口焰是火药气体在后效期内产生的可见光。炮口焰容易被敌方观察到，增大了我 方暴露的几率，直瞄火炮产生炮口焰还会干扰射手瞄准。 按时间和空间划分，炮口焰的形成主要包括以下三个部分:(1) 初次焰:紧靠炮口处的低亮度区，是炮膛内高温火药气体在炮口部的继续辐射。(2) （2)中间焰:从炮口流出的火药气体中包含有大量的可燃物质，气流经过马赫盘后温度剧增，达到这些可燃物的着火点而燃烧。火药气体温度在马赫盘内的变化规律可 以从后面的数值模拟工作中看到。(3) 二次焰:火药气体与外界空气混合后补充了氧化剂，可燃物再次被点燃形成 大范围的明亮火焰五、防护措施 炮兵一般要佩带保护耳朵和内脏的保护装置，来减小炮口冲击波和噪声的危 害。冲击波对环境的破坏作用，对建筑物、对设施、自行炮车上设施受到严重的破坏，在防护冲击波对自行炮车上设施破坏可以采用高分子材料或强化材料来制造车窗、车灯等容易受到冲击波破坏的设施。六、制退器效率1 侧孔几何轴线倾角对制退器效率的影响在传统的理论分析中侧孔倾角对制退器效率的影响起到了很大的作用，倾角的不同反射气流的角度就会有所不同，流量也会不尽相同，从而被反射的气流对制退器的制退器也会有所不同。制退器的侧孔示意图如下图 3.2 所示。在图中，炮口处于侧孔的右端。以下将从不同侧孔角度得到制退器效率的变化规律。通过改变侧孔几何轴线与腔室轴线的夹角得到了如下表 3.3 所示的效率值和图 3.3所示的曲线示意图。从表 3.3 及图 3.3 中可以看到侧孔几何轴线倾角对效率的影响呈现递增的趋势，而且增长的幅度也即是曲线的曲率是很大的，这就说明了此影响因素对结果的敏感度是很高的。改变侧孔倾角就是改变了气流流出的方向，由于气流流出方向发生了改变，动量也改变了，侧孔倾角变大使得大部分冲击侧孔反射挡板的气体获得较大的偏转角度从而增大制退器的效率。2 侧孔面积对制退器效率的影响侧孔面积的改变首先影响到的就是侧孔气流秒流量，也即是单位时间内进出侧孔的气流量，它的改变进而就会影响到进入制退器腔室和侧孔腔室的流量分配比，也即是侧孔的面积变大就会使得进入侧孔的气流量变大，进入中央弹孔的气流量变小，这样起制退力的气流量变大从而加大了制退器的受力，就会提高制退器的效率。下图 3.4 是侧孔面积的示意图。更改侧孔的面积也即是更改图中所示孔的面积大小。通过对不同侧孔面积的改变得到了不同的制退器效率值如下表 3.4 和变化曲线图 3.5从表 3.4 及图 3.5 中可以看到侧孔面积对效率的影响也很大，侧孔面积较大使得冲击侧孔反射挡板的气体流量变大，从而对制退器的冲力也越大，增大制退器的效率。变化曲线也呈现递增的趋势，但是分析对比曲线的曲率可以看出侧孔面积对制退器效率的敏感度不如侧孔倾角的敏感度高。3 中央弹孔面积对制退器效率的影响中央弹孔的改变首先会影响到制退器腔室的面积比，进而影响到中央弹孔的气流速度系数和气流的反作用系数，当反作用系数改变时流量分配就发生了变化，制退器结构参数就发生了变化，效率也就进而的改变了。下图 3.6 是中央弹孔的示意图。通过对中央弹孔的改变得到了不同情况下的制退器效率值表 3.5 和曲线示意图 3.6从表 3.5 中及图 3.6 中可以看出中央弹孔面积的大小与制退器效率的大小成反比关系，随着中央弹孔面积的增大会增大中央弹孔的流量，从而减小了制退器的效率。但是为了保证弹丸能够顺利的通过制退器腔室，应当适当控制中央弹孔的直径大小，一般取中央弹孔直径约等于身管直径的 1.15 倍，故在此分析中选取的中央弹孔直径在上下 0.15的范围内。有效地确定合理的两种侧孔出口面积是制退器结构的设计的重要部分，通过对其影响因素的定性分析对制退器结构的优化可以起到很好的借鉴作用。七 、炮口制退器高效率低危害技术的一点探讨1高效率低危害的理论根据 从炮口流场分析可以看出，高制退效率需要制退器有大的喷口孔径和冲击面积，虽然提高制退效率和减小压力波存在着矛盾，但是它们也有共同点，就是要调整出口处的气流参数，即减小出口处喷流压力，减小出口处的最大瞬间秒流量，增加气流在装置内的滞留时间。 2炮口制退器高效率低危害技术途径 要集高制退效率和低危害于一身，炮口制退器必须能使气体经过腔内的滞止停留、涡流、摩擦及能量转化等过程，尽可能充分的膨胀，降低压力，提高流速。提高制退效率和降低压力波的技术途径并不是惟一的从结构设计上讲，增大炮口装置内部空闻，调整腔室和喷口大小、形状、方向和数量，或者通过结构动作改变气体流动方向和速度等都是实现高效率低危害功能值得探讨的技术途径。当然这些技术途径各有优缺点，要在更多实验中验证其效果。完善其理论和设计方法。3分析研究新型炮口制退器结构在以往类似研究中，关于减小炮口制退器噪声和冲击波的理论研究和实验数据表明，中央弹孔直径、腔室数量和形状、腔室长度和直径、侧孔道大小、形状和方向等结构参数直接影响制退效率和压力波场，可以通过分析计算和函数优化来完成炮口制退器结构数学模型的建立。在上世纪80年代曾进行过炮口制退器效率、炮口冲击波场和炮口冲击渡超压值等相关理论和试验研究，取得了大量的试验数据和一些理论成果值得学习和借鉴。下图为两种不同降噪型式的炮口制退器。可以在现有技术基础上研究新型炮口制退器结构，来实现高效率和低危害。4将气流引向炮口后部，增大腔室空问，在制退器内径向分流。炮口制退器在横向尺寸、炮口前的长度，特别是在质量和质心上往往受到限制。因为过于远离耳轴的制退器质心和过大的质量会给火炮总体设计带来不必要的麻烦，导致制退器腔室的容积增加困难。一般来说，腔室容积越大，气体膨胀就越充分，出口气流压力越低对后坐、噪声和冲击波等副效应抑制效果越好。而通常炮口以后相当长的一段空间无其他装置占用，炮口制退器可以适当利用炮口后部的空间，既不增加全炮长度，不产生大的不平衡力距，又可以增大腔室容积，实现高效率低危害的目标。图4.3就是将火药燃气引向炮口后方， 利用炮口后部空间，增大腔室容积的示意图。另外，下图中炮口制退器还具备另外一项功 能，即把火药气体径向分流。如果使火药燃气在炮口制退器内径向分流，并使其分流气体尽量多，在腔室内滞留时间尽量长，使其能量损耗尽可能多，那么从腔室流出的气体的压力将大大减小。压力波等副效应也能得到较好的抑制。5 炮口制退器斜切喷口结构优化将二维轴对称模型优化得到的结构参数应用于三维模型中，与同内壁开口面积的非扩张喷口制退器冲击力进行了比较。改进前模型和改进后模型如图7和图8所示。模型均有左右各5个侧喷口，喷口喉部宽度L=15mm，制退器厚度h=40mm。改进前模型侧喷口为非扩张的，其喷口倾斜角=60，各侧喷口张角角度均为96改进后的喷口结构尺寸为：=57，=25。制退器三维模型的流场数值模拟仍采用欧拉方程进行描述，通过对流场中给定点的超压值的数值模拟结果和与实验结果的比较证明了用欧拉方程对制退器流场进行描述是可行的，其计算精度可以满足要求。其对比结果如图9所示。制退器效率的理论值和实验值分别为402和421，理论值与实验结果吻合较好。通过求解三维欧拉方程得到改进前制退器受力为2101595N，改进后为31382206N，制退器所受冲击力提高了493。改进后模型的冲击力明显提高，应用该方法对制退器结构进行优化设计是可行的。数值计算结果表明改进后的制退器所受的冲击反力比改进前提高了49.3，这表明应用该方法对此类炮口制退器的结构优化是非常有效的。同时采用此结构炮口制退器有利于减小气流流速，从而减小了冲击波的能量，来降低了危害。6炮口制退器纵向截流 如前所述，火炮发射时，噪声和火焰都是火药燃气从炮口喷出冲击大气所产生的。如果减小或不让气体从炮口喷出，或尽量使之延迟缓慢地喷出，就可以从根本上消除炮口副效应的产生。这就是理想状态的纵向截流技术。由于火炮要发射弹丸，所以制退器必须有中央弹孔让弹通过。纵向截流应保证弹丸通过之前，中央弹孔必须是打开状态，弹丸通过之后立刻关闭中央弹孔，停止火药燃气流出 7 减小冲击波膨胀时相互干扰，抑制激波瓶形成 炮口制退器内部的两个圆弧形长板敞开的宽度和长度使得高温高压气体在弹丸离开炮口时自由消散，并不会形成象普通制退器那样的激波瓶。冲击反射板的气体从反射板和圆弧形长板之间的纵向开口流出，减小了冲击波膨胀时的相互于扰。从中央弹孔流出的气体受反射板前方长度较短、距离较近的一对弧形板影响，也不能形成激波瓶，削弱了有害冲击波效应的产生。八、 对未来炮口制退器发展的展望1 未来炮口制退器发展所遵循的原则 特别是随着科技的发展，在未来战场对火炮威力要求提高，因而炮口气流对环境的危害也逐渐加大，这一因数也将成为炮口制退器设计时的一个重要限制因素，因此未来炮口制退器发展应遵循以下原则： （1)根据火炮及弹药等情况选择合适的炮口制退器结构类型。例 如，对于带尾翼弹的滑膛炮，应选用反作用式炮口制退器。 （2）保证火炮总体设计对炮口制退器效率的要求。 （3）在保证效率的前提下，应使炮口气流对环境的危害最小。例如，野战火炮应使炮手操作位置的冲击波和噪声级最低；直接瞄准火炮的炮口制退器形成的炮口焰应不妨碍瞄准；多管自动炮的炮口制退器应使气流相互干扰最小。 （4）炮口制退器的尺寸和质量应尽可能小，以减轻平衡机负荷，减小身管振动。2 未来炮口制退器发展的方向未来炮口制退器应当符合以下特征： 1.要适应新型火炮的发展方向。主要是符合新概念火炮的发展方向。 2.要进一步减轻炮口制退器对射击精度的影响。这是限制制退器应 用的主要问题。要从减小制退器质量以减轻对身管挠度的影响，优化制退器结构以减少振动对射击精度的影响。 3.要集合其他功能，使其功能多元化。比如让炮口制退器具有消焰、增加炮弹初速、消声等功能。 条形侧孔炮口制退器九、参考文献： 1 谭中林.基于CFD的低冲击波炮口制退器研究.南京理工大学硕士论文，2009.05 2 江坤.炮口制退器优化设计理论与方法研究.南京理工大学博士论文 ，20073 杨志焕等. 炮口冲击波的生物效应研究. 弹道学报, 第12卷第3期,2009.09 4 孙伟等.某火炮连射手听器损伤的调查与研究.中华耳科学杂志第5卷第3期,2007 5 孙忠良等. 对人体损伤的兵器噪声和冲击波的标准化测量.解放军医学杂志第28卷第1期,2003 6 王永河等. 炮口制退器高效率低危害技术探讨.火炮发射与控制学报,第3期,2007 7 张相炎主编.火炮概论.北京：北京理工大学出版社8 张相炎，郑建国，杨军荣.火炮设计理论.北京：北京理工大学出版社，2005 。9 李烁.炮口制退器效率的计算与研究.中北大学硕士论文，2012.05 10 陈明亮.新型炮口制退器实验装置研究.南京理工大学硕士论文，2013.0311 李朝军，刘大维，尹友国，杨晨，杨志焕，王正国，李晓炎，周继红.炮口冲击波的生 物效应研究.第三军医大学大坪医院野战外科研究所.15