各种炮口制退器结构特点及应用综述分析

1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。2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3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4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。5(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Ip越小,制退效率η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6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1500~2000m/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:①口冲击波由火药气体连续但有限的补充能量。②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。③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。④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1m处的喷注湍流声压级有如下经验公式[3]:Lp=80+20lgD+20lg(R-1)2(R-015)式中:Lp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。7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。8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9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10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