齊文　趙俊利　馬春梅、山西中北大學機電工程學院　2、中國科學院寧波材料技術與工程研究所

一種122mm炮口制退器的設計方法及應用

齊文1，2趙俊利1馬春梅1
1、山西中北大學機電工程學院2、中國科學院寧波材料技術與工程研究所

根據(jù)自行火炮的特點要求，從炮口制退器效率的計算方法出發(fā)，分析影響效率參數(shù)，對已有的炮口制退器進行效率計算，找到最優(yōu)的計算方法；在計算結果基礎之上，設計出一種能滿足發(fā)射122mm榴彈的炮口制退器，使其達到高效可靠的要求并進行驗證。

炮口制退器；輕量化；高效率

引言

炮口制退器作為解決火炮機動性與威力之間矛盾的重要部件，在火炮技術的發(fā)展過程中起到至關重要的作用。但是，炮口制退器不僅會降低火炮后坐動能及后坐力，同時會導致發(fā)射時炮手區(qū)沖擊波超壓明顯上升。因此，在提高炮口制退器效率的同時降低負面影響的設計方法非常必要，本文從影響炮口制退器效率的參數(shù)設計，角度，找到一種能滿足發(fā)射122mm榴彈的炮口制退器最優(yōu)的計算方法，使其具有良好的工作性能、良好的結構工藝性、較輕的重量、較高的可靠性和效率，并進行相應驗證。

1　炮口制退器效率的計算公式

炮口制退器最重要的作用是減小火炮發(fā)射時的后坐力及后坐行程，但由于牽涉到復雜的火藥氣體流動等問題，炮口制退器的腔室、彈孔、側孔和擋板發(fā)生任何微小的變化都會對制退效果、沖擊波超壓分布和炮口波系產(chǎn)生很大的影響。而炮口制退器效率ηT是衡量制退器性能的首要特征量。炮口制退器效率指帶炮口制退器時火炮后坐部分減小的自由后坐動能與未采用炮口制退器時后坐部分的自由后坐動能之比，公式為：

因為各方面條件限制，并不能實時進行所有的炮口試驗測試，且計算火炮發(fā)射時膛內與炮口流場非常耗時，一般對于非CFD工程人員來說非常困難。本文編制了炮口制退器的理論計算模型在改進的奧爾洛夫方法下的數(shù)值計算程序，通過仿真，分析、對比了對炮口效能影響較大的幾個參量對炮口制退器效率的影響。

2　對改進的奧爾洛夫方法的炮口制退器影響因素進行分析

對炮口制退器效率造成影響的結構參數(shù)諸多，包括各腔室的截橫面積、中央彈孔、中央彈孔出口的半錐角、各側孔的出口與入口面積、各側孔的幾何軸向角度、側孔的厚度比、側孔入口面與出口面的傾角等。如果考慮到所有結構參數(shù)，并對其進行分析優(yōu)化，工作量將非常巨大，本文僅分析其中的關鍵參數(shù)。由于對制退力起主要作用的是除吹孔以外的側孔，所以在沒有改變第一個側孔結構的條件下，且排除吹孔的影響，對各影響因素進行了分析。

2.1側孔幾何軸線角度對炮口制退器效率的影響

通常，在理論分析中側孔傾角對制退器效率的高低意義重大，傾角不同，反射氣流的角度就會發(fā)生改變，流量同時發(fā)生改變，此時被反射的氣流對炮口制退器的影響也不盡相同。制退器側孔示意圖見圖1，炮口位于側孔的右端。為安裝有炮口制退器時的后坐動能。m0和m1分別為不安裝和安裝制退器時身管的質量，Wmax0和Wmax1分別為不安裝和安裝退器時身管的最大自由后坐速度。

圖1　制退器側孔示意圖

通過改變側孔幾何軸線與腔室軸線之間的夾角，數(shù)據(jù)分析之后得到了如圖2所示的效率值。

圖2　不同側孔幾何軸線傾角下的效率值

從圖中可以看到側孔幾何軸線傾角對效率的影響呈現(xiàn)逐漸遞增的趨勢，且增幅相對較大，因此說明此影響因素對結果具有很高的敏感度。改變側孔傾角的同時，氣流流出的方向也發(fā)生了改變，由此導致動量發(fā)生了改變，側孔傾角變大導致大部分沖擊側孔反射擋板的氣體發(fā)生較大的偏轉，從而使制退器的效率增大。

2.2側孔面積對制退器效率的影響

側孔面積一發(fā)生改變，側孔氣流秒流量（單位時間進出側孔的氣體流量）首先受到影響，氣流量的改變對進入制退器腔室和側孔腔室的流量分配比產(chǎn)生影響，也就是側孔面積增大導致進入側孔的氣流量增大，此外進入中央彈孔的氣流量減少，這樣制退力的氣流量增大使得制退器的受力也加大了，因此制退器的效率就會提高。側孔面積示意圖見圖3。改變側孔面積即是改變示意圖中孔的大小。

圖3　側孔示意圖

通過改變不同側孔的面積，數(shù)據(jù)分析后得到不同制退器效率值見圖4。

從圖4中可以看到側孔面積對效率影響呈遞增趨勢，且增幅很大，說明其對結果的敏感度高。改變側孔面積可達到徑向分流效果，使炮膛合力減小，增大制退器的效率。

2.3中央彈孔面積對制退器效率的影響

中央彈孔發(fā)生改變導致制退器腔室的面積比發(fā)生改變，進而對中央彈孔的氣流速度系數(shù)與氣流的反作用系數(shù)產(chǎn)生影響，反作用系數(shù)發(fā)生改變的同時，流量分配發(fā)生改變，導致制退器結構參數(shù)變化，最終導致制退器效率的改變。中央彈孔的示意圖見圖5。

圖4　不同側孔面積下的效率值

圖5　中央彈孔示意圖

通過改變中央彈孔，數(shù)據(jù)分析后得到了不同情況下的制退器效率值見圖6。

圖6　不同中央彈孔面積下的效率值

從圖中可以看出制退器效率與中央彈孔面積大小成反比，當中央彈孔面積增大導致中央彈孔的流量增大時，使得制退器的效率降低。但是彈丸能否安全順利地穿過制退器腔室，中央彈孔的直徑大小應該得到適當控制，通常中央彈孔直徑宜取身管直徑的1.15倍左右，因此本文分析中選用的中央彈孔直徑約為0.15。因此，確定合理的兩種側孔出口面積對制退器結構的設計至關重要，再通過對影響因素進行定性分析，對制退器結構的設計優(yōu)化起到很好的借鑒作用。

3　對新型炮口制退器的研究

本文基于改進的奧爾洛夫方法對炮口制退器效率的影響因素進行了理論與數(shù)據(jù)分析，從而得出了側孔幾何軸線傾角、側孔面積和中央彈孔面積對效率的影響規(guī)律。在此基礎之上，設計了一款滿足本文所要求的炮口制退器。

3.1大傾角炮口制退器

基于前文側孔集合軸線對炮口制退器效率的影響分析，設計出一款側孔幾何軸線較大的炮口制退器。側孔幾何軸線角度為125°，其他的保持不變，炮口制退器效率為46.05%，重量為72kg。其示意圖如圖7所示。

圖7　大傾角炮口制退器示意圖

3.2大側孔炮口制退器

基于前文側孔面積對炮口制退器效率的影響分析，設計出一款側孔面積較大

圖8　大側孔炮口制退器示意圖

的炮口制退器。側孔面積為80cm2，其他的保持不變，炮口制退器效率為46.9%，重量為75kg。其示意圖如圖8所示。

3.3最終方案

綜合考慮前兩種方案，最終確定本文炮口制退器結構方案，如圖9所示。炮口制退器傾角為125°，側孔面積為60cm2，炮口制退器效率為47.3%。

圖9　新型炮口制退器示意圖

4　結論

本文基于改進的奧爾洛夫方法，從炮口制退器的傳統(tǒng)計算方法出發(fā)，對影響效率的部分因素進行了分析，對如何降低負面沖擊波影響作了探討，得到一種輕質、高效且具有良好的結構工藝性、較高的可靠性的122mm炮口制退器模型，這對提高設計效率、降低設計成本具有一定借鑒意義。

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齊文，1990年出生，遼寧錦州人，碩士研究生，研究方向：機動武器系統(tǒng)工程總體技術。