咸?hào)|鵬， 廖振強(qiáng)， 肖俊波， 宋 杰

(1.南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 南京，211167) (2.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 南京，210094)

引 言

炮口制退器的雛形是在靠近炮口處開(kāi)一組斜向后的孔，在炮彈飛過(guò)開(kāi)孔后，膛內(nèi)火藥燃?xì)馔ㄟ^(guò)斜向后的孔向外噴出，利用反推力來(lái)達(dá)到減后坐的目的。在高新技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，槍炮技術(shù)也在蘊(yùn)育著新的突破。在要求槍炮有更大威力的同時(shí)，還要求其具有更好的機(jī)動(dòng)性，這些都是通過(guò)改進(jìn)反后坐裝置以減小后坐力來(lái)實(shí)現(xiàn)的[1-2]。普通膛口制退器是利用膛口噴出的火藥氣體使制退器產(chǎn)生向前的力，此力與后坐力的方向恰好相反，使槍炮受到向后的合力得到減小，從而達(dá)到減后坐目的[3-5]。但是由于在制退器產(chǎn)生減后坐效果時(shí)，彈丸已經(jīng)飛離膛口，因此普通膛口制退器的減后坐效率比較低[6-8]。筆者在半開(kāi)腔式膛口制退器基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出噴管高效膛口制退器這一結(jié)構(gòu)，在制退器兩側(cè)引出拉瓦爾噴管，利用拉瓦爾噴管反推氣流提高減后坐效率。利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件車(chē)載轉(zhuǎn)管機(jī)槍系統(tǒng)進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)建模和仿真，通過(guò)是否安裝噴管高效膛口制退器來(lái)研究其對(duì)機(jī)槍射擊性能的影響[9-10]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

安全性、效率、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等是影響制退器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的重要因素。向后噴出的火藥燃?xì)獾臎_量越大，減后坐效率將越高，但是膛口的沖擊波和噪聲等危害也將增大，因此在制退器的設(shè)計(jì)中平衡制退器的高效率和低危害是重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。設(shè)計(jì)膛口制退器時(shí)應(yīng)遵循以下原則：a.選擇制退器時(shí)要綜合考慮射擊要求和彈藥情況；b.制退效率應(yīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；c.噪聲和沖擊波等危害要控制在一定范圍內(nèi)；d.制退器的尺寸以及質(zhì)量不能過(guò)大，應(yīng)控制在合適范圍內(nèi)；e.制退器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

在本研究中，半開(kāi)腔式膛口制退器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，在制退器兩側(cè)加拉瓦爾噴管，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，利用拉瓦爾噴管反推氣流提高減后坐效率。在滿(mǎn)足上述制退器設(shè)計(jì)原則的情況下，加工制退器和導(dǎo)氣裝置時(shí)，做了如下設(shè)計(jì)和處理：a.此噴管高效膛口制退器包含膛口、膛口蓋和導(dǎo)氣裝置三部分，加工時(shí)分別加工，并且在設(shè)計(jì)導(dǎo)氣裝置時(shí)應(yīng)使得其與槍管的導(dǎo)氣裝置的相同；b.要保證膛口和膛口蓋的同軸度。

圖1 半開(kāi)腔式膛口制退器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Semi open muzzle brake

噴管高效膛口制退器采用鋁材料進(jìn)行加工，制退器中每個(gè)零件均很輕，遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)體的總質(zhì)量，因此，在更換零件時(shí)，實(shí)驗(yàn)體總質(zhì)量近似看做不變。

圖2 噴管高效膛口制退器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Nozzle high efficiency muzzle brake

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

在噴管高效膛口制退器低后坐仿真和實(shí)驗(yàn)中，發(fā)射性能是其研究的重點(diǎn)，因此測(cè)量和分析的主要對(duì)象是槍身后坐動(dòng)量以及彈丸初速，而選取二者的目的是研究武器的主要性能——彈丸初速損失比例和減后坐效率。仿真計(jì)算通過(guò)Matlab編程計(jì)算得出。實(shí)驗(yàn)中，彈丸初速通過(guò)光幕靶和測(cè)時(shí)儀測(cè)得；后坐體的后坐動(dòng)量先通過(guò)光電位移跟蹤器測(cè)量其后坐速度，再將其數(shù)值微分得到。彈丸初速和后坐速度測(cè)量的原理與方法見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。

由于制退器只在后效期時(shí)期起作用，因此，安裝噴管高效膛口制退器后機(jī)槍內(nèi)彈道時(shí)期膛內(nèi)壓力曲線(xiàn)與未安裝噴管高效膛口制退器時(shí)的內(nèi)彈道相同，如圖3所示。

圖3 膛內(nèi)壓力曲線(xiàn)Fig.3 Bore pressure curve

減后坐效率的計(jì)算公式為

(1)

其中：mHvHZ為自由后坐時(shí)后坐體的動(dòng)量；mHZvHZm為安裝制退器時(shí)后坐體的動(dòng)量。

3種方案的減后坐效率見(jiàn)表1。其中：方案1為安裝半開(kāi)腔式膛口制退器；方案2為制退器兩側(cè)各引出一個(gè)10°噴管；方案3為制退器兩側(cè)各引出一個(gè)20°噴管。

表1 減后坐效率

表1中：η1和η2分別為實(shí)驗(yàn)減后坐效率和仿真減后坐效率；θ1和θ2分別為實(shí)驗(yàn)初速下降比率和數(shù)值計(jì)算初速下降比率。

對(duì)比方案1和方案2可知，在同等條件下，噴管高效膛口制退器的減后坐效率比半開(kāi)腔式膛口制退器效率高。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)拉瓦爾噴管使得從噴管?chē)姵龅臍怏w速度增加，增大了的沖量，更大地抵消了武器的后坐沖量，所以噴管高效膛口制退器是一種可行的減后坐技術(shù)。對(duì)比方案2和方案3可知，兩側(cè)引出20°噴管的膛口制退器的減后坐效率比兩側(cè)引出10°噴管的膛口制退器減后坐效率高。

2.1 α角對(duì)發(fā)射性能的影響

由圖4和圖5可以看出，α角越大，制退效率越小。因?yàn)棣两窃酱?，噴管反推力在軸向上的分力就越小，所以α角與制退效率成反比，但α角對(duì)彈丸初速?zèng)]有影響。

圖4 α角對(duì)制退效率的影響Fig.4 Effect of angle α on the efficiency of recoil reduction

圖5 α角對(duì)彈丸初速的影響Fig.5 Effect of angle α on the muzzle velocity of projectile

2.2 β角對(duì)發(fā)射性能的影響

由圖6可知，β角越大，制退效率越小。因?yàn)橹仆似魃系膫?cè)邊孔道流入噴管內(nèi)的氣流流量系數(shù)隨著β角的增大而減小，所以β角與制退效率成反比，但β角對(duì)彈丸初速?zèng)]有影響。

圖6 β角對(duì)制退效率的影響Fig.6 Effect of angle β on the efficiency of recoil reduction

3 動(dòng)力學(xué)建模

車(chē)載架座發(fā)射平臺(tái)和轉(zhuǎn)管機(jī)槍系統(tǒng)構(gòu)成車(chē)載轉(zhuǎn)管機(jī)槍武器系統(tǒng)。轉(zhuǎn)管機(jī)槍系統(tǒng)由轉(zhuǎn)管機(jī)槍、首發(fā)啟動(dòng)裝置、膛口裝置、彈鏈和彈箱等組成，是機(jī)槍射擊時(shí)后坐能量的直接載體。車(chē)載架座發(fā)射平臺(tái)主要由托架與座圈連接底座、搖架、座圈及其支撐結(jié)構(gòu)托架、立軸及車(chē)輛等組成，主要起連接和支撐轉(zhuǎn)管機(jī)槍系統(tǒng)的作用，通過(guò)輪胎與地面連接，承受機(jī)槍射擊時(shí)機(jī)槍的后坐能量。

轉(zhuǎn)管機(jī)槍在后坐能量與后坐緩沖裝置的作用下，沿?fù)u架導(dǎo)軌槽作小幅度的前后平移運(yùn)動(dòng)。為了增強(qiáng)槍管的剛度，抑制槍管的振動(dòng)，在搖架前端常安裝有前支撐結(jié)構(gòu)。槍管組在射擊振動(dòng)時(shí)，在克服與前支撐裝置的間隙后發(fā)生碰撞接觸，通過(guò)前支撐的碰撞阻礙作用實(shí)現(xiàn)抑制槍管組的振動(dòng)和變形。搖架與托架之間通過(guò)耳軸與夾緊裝置相互連接，當(dāng)夾緊裝置處于未夾緊狀態(tài)時(shí)，搖架與托架可相對(duì)耳軸中心轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)整機(jī)槍射擊時(shí)的高低射角。架與搖架的相對(duì)固定通過(guò)夾緊裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，托架與立軸通過(guò)抱箍的作用相對(duì)固定，未夾緊抱箍時(shí)托架與動(dòng)圈之間可繞立軸軸線(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)槍射擊時(shí)方位角的調(diào)整。立軸與底座相對(duì)關(guān)聯(lián)固定，并一起與座圈動(dòng)圈通過(guò)螺栓固定。由于座圈內(nèi)空間的限制，機(jī)槍射擊方位角的調(diào)整可由轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)圈來(lái)實(shí)現(xiàn)。射擊中，動(dòng)圈通過(guò)鋼珠軸承連接定圈，再通過(guò)圓柱銷(xiāo)與之相固定，動(dòng)圈上作用力通過(guò)鋼珠傳遞到定圈上，并依次往下傳遞到車(chē)輛上[11-13]。定圈通過(guò)支撐架與車(chē)輛固定連接，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 車(chē)載機(jī)槍系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure of vehicle-mounted gun

射擊過(guò)程中，膛內(nèi)氣體壓力作用在機(jī)槍上，后坐能量通過(guò)緩沖器與導(dǎo)軌的作用傳遞到車(chē)載架座上。在后坐能量及其緩沖器的作用下，發(fā)射平臺(tái)各零部件將會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)變形，這將導(dǎo)致射擊密集度變差。在大口徑機(jī)槍車(chē)載武器連續(xù)射擊過(guò)程中，需要考慮各零部件的振動(dòng)變形。因此，對(duì)發(fā)生變形較大的零部件，例如槍管組合支撐架以及搖架等作柔性處理，其他不易變形的零部件作剛性處理。

在模型中剛體和柔性體在傳遞力和力矩時(shí)方式是不同的，各柔性體在與其他相關(guān)聯(lián)的零部件傳遞力和力矩時(shí)，需要在其相關(guān)聯(lián)的部位建立一剛性點(diǎn)，并讓其與接觸面上的相關(guān)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)。因此，零部件之間作用力與力矩可由接觸面上的各點(diǎn)來(lái)共同承擔(dān)。本研究中動(dòng)力學(xué)模型采用有限元軟件Ansys創(chuàng)建柔性體。

為了便于描述武器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，建立了如下坐標(biāo)系：Oxyz為固連于地面的空間慣性坐標(biāo)系；O1x1y1z1為車(chē)體固連系；O2x2y2z2為座圈平面固連系；O3x3y3z3為座圈和托架相連接的底座固連系；O4x4y4z4為托架耳軸的固連系；O5x5y5z5為搖架的固連系；O6x6y6z6為槍口固連系。

系統(tǒng)復(fù)雜性大，包括多體動(dòng)力學(xué)、車(chē)輛輪胎地面力學(xué)、自動(dòng)武器發(fā)射動(dòng)力學(xué)、彈道學(xué)及氣體動(dòng)力學(xué)等相關(guān)理論，因此，在模型中需作適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化假設(shè)：

1) 在考慮彈鏈運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)槍的擾動(dòng)時(shí)，將彈鏈直線(xiàn)排列，不考慮彈鏈層狀排列引起的撥彈阻力突變對(duì)機(jī)槍射擊性能的影響；

2) 地面設(shè)定為硬水泥路面，與輪胎接觸時(shí)僅考慮輪胎的受力變形，不考慮地面的變形；

3) 連續(xù)射擊將導(dǎo)致槍管溫度升高，但由此導(dǎo)致的槍管力學(xué)性能的變化和其對(duì)槍管振動(dòng)的影響忽略不計(jì)；

4) 在槍管轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)下，不考慮槍管與彈丸之間的作用力對(duì)槍管的影響；

5) 不考慮動(dòng)圈與定圈之間的滾珠配合在后坐能量作用下的碰撞變形，動(dòng)圈與定圈之間通過(guò)前后左右四個(gè)固定約束連接在一起；

6) 射擊開(kāi)始時(shí)車(chē)輛不制動(dòng)，處于停車(chē)狀態(tài)。

影響撥彈阻力因素較多，彈鏈長(zhǎng)度、撥彈速度、彈鏈擺放及運(yùn)動(dòng)方式對(duì)撥彈阻力的大小有較大影響，因此彈鏈模型的初始狀態(tài)不同對(duì)武器系統(tǒng)橫向擾動(dòng)的作用也不相同。模型中彈鏈由30發(fā)鏈節(jié)組成，彈鏈沿?fù)軓椷\(yùn)動(dòng)方向水平排列，機(jī)槍工作射頻為3 kr/min。車(chē)輛輪胎胎壓為100 kPa，通過(guò)計(jì)算徑向剛度近似等于180 N/mm。車(chē)載武器系統(tǒng)通過(guò)Adams建立剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，采用GTIFF積分器進(jìn)行求解計(jì)算。

4 仿真計(jì)算

圖8～圖12所示為噴管高效型膛口制退器對(duì)12.7車(chē)載轉(zhuǎn)管機(jī)槍射擊性能的影響。安裝噴管高效膛口制退器后，機(jī)槍射擊后坐位移的最大值由8.16 mm降到6.51 mm，減小了20.2%；機(jī)槍射擊后坐力由4 320 N降到3 660 N， 減小了15.3%； 機(jī)槍射擊時(shí)車(chē)輛振動(dòng)角位移由0.339°降到0.278°，減小了18.0%；機(jī)槍射擊膛口角位移由0.651°降到0.560°，減小了14.0%；機(jī)槍射擊彈丸出膛口時(shí)膛口角位移由0.629°降到0.534°，減小了15.1%。因此，在安裝噴管高效膛口制退器后，可提高12.7車(chē)載轉(zhuǎn)管機(jī)槍射擊性能。

圖8 后坐位移曲線(xiàn)Fig.8 Recoil displacement curve

圖9 后坐力曲線(xiàn)Fig.9 Recoil force curve

圖10 車(chē)輛振動(dòng)角位移曲線(xiàn)Fig.10 Vehicle vibration angular displacement curve

圖11 膛口角位移曲線(xiàn)Fig.11 Muzzle angular displacement curve

圖12 彈丸出膛口時(shí)刻膛口角位移曲線(xiàn)Fig.12 Muzzle angular displacement curve at the moment of bullet fly out of muzzle

5 結(jié) 論

1) 提出一種噴管高效膛口制退器，在膛口制退器側(cè)面引出向后的拉瓦爾噴管，膛內(nèi)燃?xì)馔ㄟ^(guò)噴管加速后向后噴出，大大提高了減后坐效率，并分析了α角和β角對(duì)減后坐效率的影響。結(jié)果表明：噴管高效膛口制退器較之半開(kāi)腔式膛口制退器減后坐效率更高；20°噴管的噴管高效膛口制退器較之10°噴管的噴管高效膛口制退器減后坐效率更高。

2) 安裝噴管高效膛口制退器后，槍身所受后坐力明顯減小，彈丸出膛口時(shí)角位移最大范圍和搖架俯仰角最大范圍也明顯下降，從而使彈丸全散布減小，由搖架變形而引起的槍口跳動(dòng)得到更好地抑制，顯著提高了機(jī)槍的射擊性能。

3) 本研究主要是針對(duì)半開(kāi)腔式單腔膛口制退器的改進(jìn)，在后續(xù)工作中，將對(duì)半開(kāi)腔式多腔膛口制退器進(jìn)行改進(jìn)，減后坐效率將進(jìn)一步得到提高，并將進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和仿真計(jì)算。