梁洧豪， 羅建華

（陸軍裝甲兵學(xué)院演訓(xùn)中心， 北京 100072）

引言

火力是作戰(zhàn)平臺在戰(zhàn)斗中迅速而準(zhǔn)確的殲滅、毀傷或壓制目標(biāo)的能力；機動能力是快速機動、進入及轉(zhuǎn)換陣地的能力[1]。提高平臺火力，作戰(zhàn)平臺的質(zhì)量和體積都會增加，從而機動能力會下降。隨著對作戰(zhàn)平臺火力及機動能力要求的提高，火力與機動能力要求之間的矛盾日益尖銳。

炮口制退器的主要作用是在后效期改變火藥燃?xì)獾牧髁糠峙洚a(chǎn)生向前的沖量，給炮身提供向前的作用力，可抵消部分炮膛合力，減小后坐動能，從而減小射擊時的后坐阻力。

后坐阻力的減小，降低了對底盤承受能力要求，底盤能進一步輕量化，戰(zhàn)斗全重也相應(yīng)的降低，機動能力得意提高；同時后坐阻力的減小還會增加火炮射擊時的穩(wěn)定性，這樣就有可能提高火炮的威力，以提高裝甲戰(zhàn)車作戰(zhàn)效能。

1 制退器的應(yīng)用問題

1.1 炮口制退器的作用原理

炮口制退器作為一種炮口裝置，是炮身的一個組成部分，是控制后效期火藥氣體流量分配、氣流方向和氣流速度的排氣裝置，其目的是減小后坐動能從而降低后坐阻力、減小全炮質(zhì)量以提高火炮機動性。炮口制退器的作用大小以效率表示，即火炮安裝炮口制退器后所減小的后坐動能與無炮口制退器時最大后坐動能的百分比。

炮口制退器按其作用原理可分為兩種類型，沖擊式炮口制退器和反沖擊式炮口制退器（如圖1、圖2所示）。

沖擊式炮口制退器結(jié)構(gòu)特點是有較大的開腔，腔室內(nèi)徑d 較大（DK/d＞1.3），側(cè)孔面積很大，前方有一定角度的反射擋板。

反沖擊式炮口制退器結(jié)構(gòu)特點是腔室內(nèi)徑d 較?。?.0≤DK/d≤1.3），對稱多排布置條形或分散布置圓形側(cè)孔，沒有或只有很小的前反射板。

1.2 炮口流場特性

膛口流場是非定常、多相、湍流，并有方向性和化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜流場。圖3 描述了四個階段的膛口流場[2]。

膛口流場的基本特性為：膛口射流為高度膨脹不足射流；高度的瞬變性（非定常）；波系結(jié)構(gòu)和相互作用的復(fù)雜性。

由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，膛口形成了膨脹不足斜切射流、多股合成射流、擋板反射的射流以及沖擊波相交與合成、沖擊波與射流相互作用等復(fù)雜情況。

1.3 炮口制退器應(yīng)用帶來的危害

1.3.1 炮口沖擊波

炮口沖擊波場是由膛口氣流壓縮周圍空氣產(chǎn)生（如下頁圖4 和圖5 所示）。光膛口時沿膛軸前方的沖擊波進場可視作球?qū)ΨQ。加裝炮口制退器后，燃?xì)馍淞鞣謩e從中央彈孔及側(cè)孔流出，具有相互獨立的射流結(jié)構(gòu)，射流按各自的出口參數(shù)及角度流出，壓縮周圍空氣，形成各自獨立的沖擊波。射流邊界交叉時多個側(cè)孔形成一個大的激波系，射流的合成決定側(cè)孔沖擊波的方向性。炮口制退器的應(yīng)用不僅加劇了沖擊波，并導(dǎo)致劇烈的沖擊波向炮口后方傳播，人員工作區(qū)危害加大。

當(dāng)作用于人的沖擊波超壓值達到0.03 MPa 時，會嚴(yán)重影響炮手安全（人耳的承受能力為0.002 1 MPa），而炮手區(qū)沖擊波超壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人員損傷標(biāo)準(zhǔn)。除了對人員有危害外，炮口沖擊波還會對車身及車載設(shè)備造成很大沖擊，尤其是動力艙蓋、前窗、大燈等車體前方部位，離炮口近、結(jié)構(gòu)表面的壓力大，受到炮口沖擊波的損害也較其他部位嚴(yán)重。

1.3.2 對火炮射擊精度的影響

滑膛炮發(fā)射尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈，彈丸在通過炮口制退器時，易受到更多的干擾，影響射擊精度。美國陸軍彈道研究所相關(guān)試驗結(jié)果表明，加裝炮口制退器使脫殼穿甲彈的散布增大了3 倍[3]。

炮口制退器會增大身管彎曲，引起射擊時的振動；炮口制退器會增加炮身重量，其位于身管最前端，離耳軸遠(yuǎn)，它的重量對耳軸的不平衡力矩影響較大，會增加平衡機負(fù)擔(dān)，使隨動系統(tǒng)設(shè)計難度增大。

2 關(guān)于解決辦法的幾點探討

2.1 炮口制退器高效低危害技術(shù)

2.1.1 高效低沖擊波炮口制退器設(shè)計

制退器的效率取決于后效期氣流作用在炮口制退器上的總沖量。高壓燃?xì)獬浞峙蛎浬淞髁魉偬岣?，射流具有的動量也相?yīng)的增大，作用于制退器的沖量增大，制退器效率增大；另一方面，燃?xì)馑俣确较蚺c炮膛軸線夾角減小，射流作用在制退器上沖量的軸向分量增大，后坐部分獲得的全沖量減小，制退器效率增大。

炮口沖擊波是膛口氣流壓縮周圍空氣產(chǎn)生。沖擊波大小與側(cè)孔火藥氣體相對流量、氣流傾角、氣流壓力比、氣流馬赫數(shù)等參數(shù)有關(guān)；沖擊波場的方向性由炮口火藥氣體射流的方向性決定。

由以上分析可以看出，雖然提高制退器效率與減小沖擊波存在著矛盾，但是他們也有共同點，就是調(diào)整出口處氣流參數(shù)。從結(jié)構(gòu)上講，中央彈孔直徑、腔室數(shù)量和形狀、腔室長度和直徑、側(cè)孔形狀和方向、側(cè)孔數(shù)量和位置分布等結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響制退器效率和沖擊波波場分布。

可在保證效率的前提下，應(yīng)盡量減小炮口沖擊波超壓值。通過炮口制退器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，調(diào)整腔室和噴口大小、側(cè)孔傾角、形狀、數(shù)量，控制最佳出口氣流參數(shù)，充分利用炮口剩余能量，利用大側(cè)孔流量分配比，提高效率的同時使炮口后方的沖擊波最低。

從沖擊波產(chǎn)生的機理出發(fā)，若使燃?xì)獾靡猿浞峙蛎?，出口氣流壓力低，則沖擊波會得到較好的抑制。如果使火藥燃?xì)庠谂诳谥仆似鲀?nèi)徑向分流，并使其分流氣體盡量多，在腔室內(nèi) 滯留時間長，能量損耗多那么從腔室流出的氣體壓力將大大減小，則沖擊波等負(fù)效應(yīng)能得到較好的抑制。

利用炮口沖擊波的方向性及炮口沖擊波能量連續(xù)有限釋放機理，降低氣室及出口壓力，減小初速氣流偏角，利用結(jié)構(gòu)調(diào)整改變?nèi)細(xì)饬鲃臃较蚣八俣?，控制沖擊波初始陣面方向，使沖擊波場最大分布偏離人員和設(shè)備區(qū)域。

利用燃?xì)饬鞯哪芰?，采用對吹型制退器，第一氣室氣流向前，第二及其余氣室氣流向后，從而減小炮口后方?jīng)_擊波。

提高制退器效率和降低壓力波的技術(shù)途徑并不唯一，除了通過結(jié)構(gòu)調(diào)整實現(xiàn)炮口制退器高效低危害，值得探討的途徑還有很多，可以利用機械裝置消耗轉(zhuǎn)化氣流能量、利用消聲原理及聲學(xué)理論控制炮口噪聲等措施降低危害[4]。通過正確的理論分析，采用合理的技術(shù)途徑，可實現(xiàn)炮口制退器的高效低危害。

2.1.2 減小制退器對射擊精度的影響

因炮口制退器內(nèi)的流場極其復(fù)雜，暫時無法通過試驗來觀察和顯示炮口制退器內(nèi)氣流與脫殼穿甲彈的相互作用。一般認(rèn)為，炮口制退器內(nèi)的不對稱氣流和擋板的反射氣流影響彈丸的起始擾動是造成散布增大的主要原因之一。

設(shè)計炮口制退器時充分考慮其對射擊精度的影響。保證脫殼穿甲彈在小壓力梯度下通過炮口制退器，減小腔室氣流折轉(zhuǎn)，避免反射氣流及渦流對彈體形成不均勻干擾，減小對彈道性能的干擾，提高射擊精度。可采取的技術(shù)路線包括：制退器側(cè)孔軸間距分布合理、側(cè)孔分布對稱均勻、腔室直徑在盡可能的小。

為了提高射擊精度，炮口制退器也可以設(shè)計內(nèi)膛線等其它獨特結(jié)構(gòu)。

在滿足強度要求的情況下，炮口制退器的尺寸和重量應(yīng)盡可能的小，以減輕平衡機負(fù)擔(dān)，減小身管震動；對有隨動系統(tǒng)的自行火炮，尤為重要。炮口制退器在加工制造中采用新工藝，利用新材料，提高炮口制退器的強度同時減小制退器縱向尺寸、降低重量。

2.2 增強防護

炮塔或乘員艙能為乘員提供防護，在一定程度上降低沖擊波對乘員的危害。因而結(jié)構(gòu)設(shè)計時有必要針對性的加強車體及炮塔，以提高其防護能力。

隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，對膛口裝置周圍的近、遠(yuǎn)場膛口沖擊波進行較好符合的數(shù)值模擬以成為現(xiàn)實。炮口沖擊波對車身及炮塔結(jié)構(gòu)作用時間在彈丸出炮口的幾毫秒后，作用時間為毫秒級。以炮口三維非定常沖擊波流場模擬計算結(jié)果，來確定不同的射擊條件下的載荷邊界條件，根據(jù)流場計算，可以得到結(jié)構(gòu)表面隨時間變化的壓力場。

用有限元法對車身及炮塔等結(jié)構(gòu)的沖擊動態(tài)響應(yīng)分析，提前了解結(jié)構(gòu)在炮口沖擊波作用下的應(yīng)力和變形情況，對結(jié)構(gòu)的薄弱之處及時改進（如圖6 所示）。

結(jié)構(gòu)加強應(yīng)盡可能的不增加總體質(zhì)量，盡可能的應(yīng)用新結(jié)構(gòu)、新材料在增加安全性的同時不加大負(fù)荷，如薄壁炮塔可考慮在裝甲板上壓筋增加剛強度。

3 結(jié)語

炮口制退器應(yīng)用時應(yīng)立足于總體，綜合考慮戰(zhàn)技指標(biāo)的要求、炮口制退器的效率、沖擊波的防護等多方面因素。在新型火炮上綜合應(yīng)用先進的高效低危害炮口制退器技術(shù)、減重技術(shù)、高新材料等眾多關(guān)鍵技術(shù)，火炮口徑、威力能滿足未來輕型裝甲戰(zhàn)車的要求，以適應(yīng)未來戰(zhàn)爭的需求。