薛 濱,何 永,張海龍

(南京理工大學(xué)機械學(xué)院,江蘇 南京 210000)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,體積小、重量輕、射程遠、威力大、打擊類型多是傳統(tǒng)火炮的發(fā)展趨勢[1]。功率增大、機動性提高是無人戰(zhàn)車發(fā)展的重要方向[2]。無人戰(zhàn)車與火炮的結(jié)合是未來戰(zhàn)爭發(fā)展的趨勢。然而,隨著裝備火炮威力的增加,對應(yīng)的火炮后坐力也在逐步增大。為解決火炮后坐力與無人戰(zhàn)車不匹配的矛盾,本文以某小口徑火炮為研究對象,將其截短至1.8m,并設(shè)計了與之相匹配的炮口制退器,用于減小后坐力。

炮口制退器作為反后坐裝置的一個重要組成部分,根據(jù)用途和工作原理的不同,可分為半開腔式、開腔式和身管式[3]。其反后坐原理是通過控制后效期火藥氣體的流量分配和氣流速度對炮身提供一個制退力,使炮膛合力減小,從而減小火炮的后坐動能和射擊負荷[4]。在火炮后坐時,火藥氣體會在炮口制退器的腔室內(nèi)膨脹,最終通過側(cè)孔流出,形成膛口流場。所形成的膛口流場是非定常、帶有強激波的復(fù)雜流場[5]。

目前,馬麗璇、李恩義[6]分析了彈丸與流場耦合的相互影響,發(fā)現(xiàn)了二次燃燒會推動膛口馬赫盤向后移動的情況。郭則慶,喬海濤[7]發(fā)現(xiàn)沖擊波超壓峰值變化與飛行馬赫數(shù)有關(guān),推導(dǎo)了壓力峰值變化與飛行馬赫數(shù)的關(guān)系。徐達、羅業(yè)[8]研究了不同炮口制退器側(cè)孔的形狀會對膛口流場產(chǎn)生的影響。李鵬飛等通過設(shè)置監(jiān)測點對膛口裝置附近的壓力值進行了研究[9],張曉鶯等通過設(shè)置監(jiān)測點對膛口裝置附近的噪聲監(jiān)測做了詳細研究[10],發(fā)現(xiàn)超壓與噪聲值隨時間變化不斷衰減。Ekansh Chaturvedi等通過研究過去30年膛口制退器的專利,分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對膛口制退器受力的影響[11]。以上學(xué)者分析了彈丸速度、炮口制退器側(cè)孔形狀、火藥二次燃燒情況對膛口流場的影響以及炮口制退器側(cè)孔中心超壓與噪聲的情況,但沒有對炮口制退器結(jié)構(gòu)對流場產(chǎn)生的影響和炮口制退器附近射手的超壓與噪聲的安全防護進行研究,因此，本文以15°擋板的炮口制退器為基礎(chǔ),對不同角度擋板的炮口制退器進行了優(yōu)化,通過設(shè)置多個位置的超壓和噪聲監(jiān)測點監(jiān)測了炮口制退器周圍超壓與噪聲的變化情況,為炮口附近射手的超壓與噪聲防護提供了參考。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 基本假設(shè)

膛口流場是非定常、多相、伴隨化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜湍流流場,因此,仿真計算一般是在一些理論假設(shè)的前提下進行。在計算前應(yīng)作如下假設(shè)[12]:

1)火藥氣體為一維準定常等熵流動；

2)火藥氣體為理想氣體,即忽略燃氣的組分和化學(xué)反應(yīng)的影響；

3)炮口為臨界截面；

4)后效期膛內(nèi)火藥氣體均勻分布。

1.2 控制方程

當不考慮外加熱和徹體力的影響時,笛卡爾坐標系下的二維軸對稱可壓縮非定常的N-S方程組為

(1)

式中:Q為守恒變矢量;F、G分別為坐標方向的通量;S為軸對稱源項,具體表達式為:

壓力由理想氣體方程給出,即

(2)

式中：ρ為氣體密度;u,v分別為x、y方向的速度分量;e為總能量;γ為氣體比熱比;μ為層流黏性系數(shù);k為熱導(dǎo)率;qx、qy分別為單位質(zhì)量的體積加熱率;系數(shù)σ決定流動類型,當σ=1時,為二維軸對稱模型,當σ=0時,為二維平面流動模型。

2 炮口制退器的優(yōu)化

在設(shè)計炮口制退器時,初選炮口制退器擋板與y軸成15°角。當選取擋板角度過大時,擋板無法大角度地改變氣流方向,反而會使設(shè)計的炮口制退器尺寸過大,設(shè)計沒有意義。當選取炮口制退器擋板角度過小時,炮口制退器側(cè)孔射流會垂直噴出,極大地降低炮口制退器的效率。因此，本節(jié)以15°炮口制退器擋板為基礎(chǔ),以2°為差值,分別對11°、13°、15°、17°擋板的炮口制退器進行了受力情況的研究。

由圖1可見,擋板角度為15°時,炮口制退器受力最大,制退效率最高;擋板角度為17°時,炮口制退器受力最小,制退效率最低,這是由于擋板角度過大,側(cè)孔出流的氣體沖刷擋板的面積變大,使得炮口制退器在y軸方向受力變大,同時會增加炮口在y軸方向的跳動;擋板角度為11°和13°時炮口制退器受力對比變化不大,但從圖1可看出,13°擋板炮口制退器在0.002 5s時相較11°擋板炮口制退器有一個受力的突變,這是由于13°擋板的受力面積相較11°擋板的受力面積更大,屬于正?，F(xiàn)象。因此，選用15°擋板的炮口制退器進行超壓與噪聲的研究。

圖1 不同擋板條件下炮口制退器受力曲線

3 計算模型及邊界條件

3.1 炮口制退器建模及網(wǎng)格劃分

二維模型局部等效及網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 炮口制退器建模及網(wǎng)格劃分圖

圖2a)所示的為炮口制退器二維等效圖,圖2b)所示的為炮口制退器計算流場網(wǎng)格劃分圖。網(wǎng)格劃分分為兩塊區(qū)域：一塊為流體區(qū)域,主要包括火藥氣體和大氣;一塊為炮口制退器網(wǎng)格劃分區(qū)。考慮火炮身管厚度為17 mm且不考慮其傳熱,在流場中通過布爾運算切除身管區(qū)域。

炮口制退器材料為固體,在Fluent中選擇材料為鋼。為使氣流能夠在外流場中充分膨脹,取網(wǎng)格劃分區(qū)域長5 m,寬1.523 m。由于制退器內(nèi)部流場復(fù)雜,對該區(qū)域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,以提高網(wǎng)格質(zhì)量。計算時采用二維軸對稱模型、密度求解器,將火藥氣體簡化為理想氣體,采用Realizable k-ε模型,初始化條件為內(nèi)彈道計算提供的出口壓力和速度。

實際計算中,由于二維炮口制退器等效側(cè)孔面積大于三維炮口制退器,因此,炮口制退器受力計算結(jié)果偏大。但在監(jiān)測炮口制退器附近超壓與噪聲時,只需炮口制退器尺寸外形結(jié)構(gòu)參數(shù),對計算結(jié)果影響不大。

3.2 仿真程序

本文針對某小口徑高射速火炮,為適應(yīng)其在無人作戰(zhàn)平臺上的使用,對其進行了相應(yīng)的身管截短。截短后身管長度為1.8 m,膛內(nèi)最大壓力為352 MPa。通過龍格-庫塔法結(jié)合內(nèi)彈道方程編寫內(nèi)彈道計算程序,確定了初始化的參數(shù)為膛壓52.3 MPa和炮口速度933 m/s,得出壓力時間與速度時間的曲線圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 內(nèi)彈道壓力時間曲線

圖4 內(nèi)彈道速度時間曲線

4 計算結(jié)果及分析

4.1 膛口壓力分析

對炮口制退器受力分析可得0.001 s和0.002 s是炮口制退器受力的頂峰時刻。這兩個時刻的壓力等值線圖能明顯反應(yīng)后效期開始時流場的發(fā)展過程。這兩個時刻的壓力等值線圖如圖5、圖6所示。

圖5 0.001 s時炮口制退器處壓力等值線圖

圖6 0.002 s時炮口制退器處壓力等值線圖

由圖5可知,0.001 s時炮口制退器腔室內(nèi)火藥氣體正處于膨脹時期,側(cè)孔受壓較大,此時為瓶狀激波形成的前期階段,只能觀察到兩邊側(cè)孔與中央炮孔的流場情況。由圖6可知,0.002 s時壓力膨脹值遠小于0.001 s,此時炮口制退器外形成了完整的壓力波,同時上下兩側(cè)側(cè)孔射流交匯,生成了較小的瓶狀激波[13]。

由仿真計算結(jié)果可知初始流場、火藥氣體流場的形成過程、變化趨勢[14],為炮口制退器附近射手的超壓與噪聲的防護研究打下了基礎(chǔ)。

4.2 超壓值監(jiān)測

為了研究炮口制退器周圍超壓值的大小,在射手位置和制退器后方,即制退器軸線0°、30°、60°、150°、165°方向的1 m、1.5 m、1.8 m分別設(shè)置壓力監(jiān)測點,監(jiān)測點的布置如圖7所示。

圖7 超壓點監(jiān)測位置圖

炮口制退器0°軸線方向超壓值如圖8所示。

圖8 炮口制退器軸線0°方向超壓值

炮口制退器30°軸線方向超壓值如圖9所示。

圖9 炮口制退器軸線30°方向超壓值

炮口制退器60°軸線方向超壓值如圖10所示。

圖10 炮口制退器軸線60°方向超壓值

炮口制退器150°軸線方向超壓值如圖11所示。

圖11 炮口制退器軸線150°方向超壓值

炮口制退器165°軸線方向超壓值如圖12所示。

圖12 炮口制退器軸線165°方向超壓值

由圖8、圖9、圖10、圖11、圖12可以看出,距離炮口1 m處的超壓峰值可達72 kPa以上,因此,如果射手處于1m處可能會受到輕微傷害。觀察圖中超壓變化趨勢可知,炮口制退器沖擊波能量隨著傳播距離增加,能量逐漸衰減,且能量衰減的速度不斷增大,然而由于炮口制退器結(jié)構(gòu)對流場造成的劇烈干擾[15],在監(jiān)測點處出現(xiàn)壓力的二次峰值,經(jīng)過一段時間后,壓力逐漸下降到可接受的正常水平。實驗表明,在0.14～0.21 MPa的超壓下會引起肺腑的損傷,因此，射手應(yīng)站在炮口1 m范圍外或佩戴相應(yīng)的防護用具。

4.3 噪聲監(jiān)測

炮口沖擊波會對射手造成明顯的心理傷害。由GJB2A-96《常規(guī)兵器發(fā)射或爆炸時壓力波對人體安全的標準》可知,在非垂直入射時壓力波的安全標準公式為

Lp=177-6lgTN

(3)

式中：Lp表示可允許噪聲的分貝數(shù);T表示脈寬的毫秒數(shù),N為一天內(nèi)發(fā)射的總數(shù)。

所以，必須探究火炮連續(xù)射擊時產(chǎn)生的噪聲值,此時以峰值壓力和延續(xù)時間來表示沖擊波強度。噪聲值與基準壓力之間的關(guān)系為

(4)

式中，Pr表示基準壓力。

在流場計算結(jié)束后,將接收點捕捉到的聲壓數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入Fluent,通過FFT變換將壓力脈動信號轉(zhuǎn)換為聲壓級頻譜,計算得到的炮口制退器60°方向1 m處噪聲譜如圖13所示。

圖13 炮口制退器軸線60°方向1 m處聲壓頻譜

從圖13可以看出，炮口制退器出口的射流噪聲是一種低頻噪聲,在0～1 000 Hz頻段噪聲的能量最強,隨著頻段的升高,能量逐漸衰減,其中,噪聲輻射能量在5 000 Hz時會發(fā)生驟降,隨后在一定范圍內(nèi)波動。該位置總聲壓預(yù)測結(jié)果為150 dB。

對其他監(jiān)測點接收到的聲源數(shù)據(jù)進行FFT變換,列舉30°方向1 m、150°方向1.5 m、165°方向1.8 m聲壓頻譜為例，分別如圖14、圖15、圖16所示。

圖14 炮口制退器軸線30°方向1 m處聲壓頻譜

圖15 炮口制退器軸線150°方向1.5 m處聲壓頻譜

圖16 炮口制退器軸線165°方向1.8 m處聲壓頻譜

由圖14～16可以看出,雖然接收點的位置各不相同,但是噪聲頻譜有類似的變化趨勢,即炮口制退器處射流噪聲能量在低頻段較高,隨著頻段的升高,噪聲能量逐漸變低。同時,隨著監(jiān)測點與聲源的距離越來越遠,炮口制退器處射流噪聲的強度也在逐漸減小。在炮口制退器軸線30°方向1 m處噪聲值最終減小至80 dB;在炮口制退器軸線150°方向1.5m處噪聲值最終減小至74 dB;在炮口制退器軸線165°方向1.8 m處噪聲值最終減小至76 dB。

在實際射擊中,射手常處于炮口制退器60°,距離1 m的位置,對該處的聲壓頻譜曲線進行處理可以得到正相壓力峰的脈寬T為2.5 ms,假設(shè)小口徑火炮連續(xù)射擊2發(fā),按公式(3)計算射手位置射手能承受的噪聲值約為172.80 dB。在火炮連續(xù)射擊2發(fā)時,按公式(4)可得射手位置的噪聲值為290 dB,超出了公式(3)計算的可允許噪聲值為172.80 dB,會導(dǎo)致射手的耳膜破裂,因此，射手在該位置應(yīng)佩戴防護耳罩。其余位置射手的噪聲防護可根據(jù)所計算的變化趨勢參考炮口制退器60° 1 m處。

5 結(jié)束語

本文基于Fluent,在炮口制退器優(yōu)化的基礎(chǔ)上對炮口制退器附近的超壓值與噪聲強度進行了數(shù)值分析,為炮口制退器附近的射手安全防護提供了理論參考。仿真采用了15個監(jiān)測點,分別對1 m、1.5 m及1.8 m半徑內(nèi)進行了超壓與噪聲的監(jiān)測。得出以下結(jié)論:

1)適用于此小口徑高射速火炮的炮口制退器在擋板角度為15°時制退效率最高；

2)距離炮口制退器1 m處超壓峰值達到72 kPa,超過了安全值14 kPa,易造成射手肺腑損傷,射手應(yīng)佩戴防護用具；

3)在火炮連續(xù)射擊兩發(fā)時,炮口制退器60° 1 m處的噪聲值超過了計算允許的噪聲值,會導(dǎo)致射手耳膜破裂,該位置進行射擊操作時應(yīng)佩戴防護耳罩。