奇妙的无后坐发射技术[文档资料]

奇妙的无后坐发射技术 本文档格式为 WORD,感谢你的阅读。 数年以前，美国陆军提出了研制 “ 未来战斗系统 ”（ FCS）。在 FCS 火力部分概念论证时，研究了前冲火炮、膨胀波火炮、电磁轨道炮、电热化学炮 4 种概念，后来缩小到前冲炮和膨胀波火炮。前冲炮由于迟发火、瞎火、走火等现象始终没有很好地解决，没有大规模地装备应用。膨胀波火炮的技术却一直在取得进展，并没有随着 FCS 而下马。 在介绍膨胀波火炮技术的之前，需要首先明确几个相关概念。 一是 火炮后坐。火炮在发射时整个系统遵循动量守恒定律，即弹丸和火药气体向前的动量在数值上等于火炮其余部分向后的动量，这个向后的运动可以称为后坐运动。火炮发射时膛内火药气体对膛底的压力被称为后坐力，也叫炮膛合力。确切地说，传统火炮中的后坐力控制应该是后坐阻力控制。后坐阻力即在火炮发射过程中，通过反后坐装置控制加载到火炮架体上的力。安装反后坐装置可以减小火炮架体和底盘的受力，提高火炮武器系统的机动性和精确性，但不能减小后坐力。 二是膨胀波的相关概念。膨胀波的概念属于空气动力学的范畴，这里仅对其进行简要的说明 。如图 1 所示为超声速气流通过物体时形成的流谱。图中黑色粗实线是由物体顶部尖角扰动形成的，它使气流的流动参数发生了一定程度上的变化，称为强扰动，就是我们经常提到的激波。图中黑色虚线是由物体折肩部扰动形成的，它仅仅使气流参数的数值有非常微小的改变，该扰动被称为是微弱扰动，即为膨胀波。如图中虚线部分所示。简单来说，膨胀波就是由于气流场从较小区域流入较大区域时，气流场发生 “ 膨胀 ” 而形成的扰动，由于此时气流场有 “ 被稀释的趋势 ” ，所以膨胀波也被称为 “ 稀疏波 ” 。 图 1 超声速气流通过物体时的流谱 在 明确了相关概念后，便可以更容易了解膨胀波发射技术的发展过程了。 发展过程 膨胀波火炮可以看作是传统炮尾密封式的火炮和无后坐力炮的中间产物，同时还吸收了一部分平衡炮的技术思想。如图 2 所示为美国海军少校戴维斯研制的平衡炮。 图 2 戴维斯和他研制的平衡炮 戴维斯的创意来源于意大利著名艺术家、科学家达 芬奇提出的 “ 双头炮 ” 。前者设计了一种中间固定、两端发射的无后坐火炮。把两颗质量相等、弹尾相对的弹丸放在一根两端开口的身管内，在两端同时发射，一个用于攻击目标，另一个用于平衡后坐 。由于两弹质量相等且行进的速度和行程相同，故可保证在发射过程中无后坐冲量产生。尽管戴维斯炮可以无后坐，但依然有诸多缺陷：向后发射的弹丸虽然是由凡士林和铅末等软材料制成，仍会对己方造成危险；身管长度和质量过大，弹丸初速较低、射程小。 1917 年，俄国人梁布欣斯基采用取消配重体，直接用向后喷出火药气体的方法来进行平衡。这样，抛射固体配重体的后半截炮管就不再需要，使无后坐炮的炮管缩短了一半。 1936 年，梁布欣斯基又研制出一种 76.2 毫米的无后坐炮。该火炮创新性地将尾喷孔安装在药室的前方，将喷孔改成侧喷管 。如图 3 所示为该无后坐炮的结构形式。可以说该型无后炮为后来的膨胀波火炮提供了设计灵感。 图 3 喷孔前置的无后坐炮 喷孔前置的无后坐炮工作原理如下：第一阶段，弹底部从位置 运动到位置 时。在该阶段药室中的火药被点燃，高温、高压的火药气体推动弹丸向前运动，此时该无后坐炮可视为一个炮尾密封的传统火炮，火炮正常后坐。第二阶段，弹底部从位置 运动到位置 ，药室不再密封，其内部的火药气体沿着侧喷管流出药室，起到了降低火炮后坐的作用。第三阶段，弹底完全通过位置 ，侧喷管完全打开，大量的火药气体通过侧喷 管排出，在喷管内膨胀反向推动火炮，产生反后坐的效果。 此时，人们开始考虑是否能将平衡炮和无后坐力炮两种发射形式取长补短、相互结合得到一种新型的火炮，既能消除火炮的后坐运动，又不降低弹丸的发射初速。但这个过程漫长而艰难。直到 XXXX 年，以美国陆军贝内特实验室凯瑟教授为首的研究小组在前人理论基础上提出了一种火炮，如图 4 所示。该炮在发射时，火药气体不受密封，直接从前置侧喷管中喷出，同时也推动弹丸和平衡弹分别向前和向后运动。此时因为弹丸还没有飞出炮口，故整个身管部分有前冲的运动；又因为平衡弹距离喷管口比弹 丸近得多，故膨胀波先传到平衡弹，会在一定程度上减小对平衡弹的推力，但不会对弹丸的运动产生影响。该火炮可以视作是膨胀波火炮的雏形。 图 4 膨胀波火炮雏形 在以上基础上，凯瑟教授小组又考虑是否能够采用一种方法取消平衡弹，以便保证己方战斗人员的安全。这一次他们引入了惯性炮尾来代替原始方案中的平衡弹，方案如图 5所示 图 5 惯性炮尾式膨胀波火炮 当火炮发射时，弹丸在炮膛内受到火药气体的推力向前运动，此时惯性炮尾突然打开，火药气体会沿着前置侧喷管喷出。此时药室内的压力随之下降 ，这个压力降以波动形式向前传播，即膨胀波。膨胀波的传播速度等于声速，这种压力下降传到弹底会有时间上的延迟。 Kathe 教授的团队认为可以利用这一滞后现象，精确控制惯性炮尾打开的时机和速度，使得后喷产生的膨胀波运动赶不上弹丸的运动，可以实现在弹丸动能不降低的前提下，显著降低发射过程中产生的后坐力和身管热量，达到减小后坐、降低身管热量的目的。如图 6 为膨胀波火炮发射过程示意图。 图 6 膨胀波火炮发射过程示意图 至此，膨胀波火炮技术原理的发展已经到了相对成熟的阶段了。由于它充分利用了火药燃气的工作 潜能，省去了复杂的反后坐装置，从而在保证炮口威力的同时实现了 “ 轻质轻身 ” 的效果。美国陆军对凯瑟教授的成果十分感兴趣，决定考虑将膨胀波发射技术作为一种可能应用于未来作战系统的技术做进一步的工程化。 工程化 美国陆军决定发展膨胀波火炮后，研制任务自然交由凯瑟教授的小组负责。 研究小组计划将该项目分为两个阶段来进行。第一个阶段为原理验证，主要任务是对膨胀波发射的理论进行深入研究，验证膨胀波火炮装备的可行性，该阶段制造出了 35 毫米口径的膨胀波火炮原理样机。第二个阶段初样机研制，需要将第 一阶段成果分别移植到 105 毫米多任务武器弹药系统和 45 毫米 COMVAT 自动埋头弹系统上，并制造出初样机。 第一阶段 在此阶段，凯瑟教授首先运用经过修正的集总参数模型预测膨胀波阵面的位置，并计算了不同口径膨胀波火炮的后喷打开时机。随后杜恩等人与凯瑟教授合作，在求解多相流动的 LTCP 编码和处理强间断的 TVD 方法基础上，联合开发了能够处理具有移动边界和附加质量的火药燃烧内弹道模型的 GTBL 编码，对于膨胀波火炮膛内的两相燃烧流动现象进行求解分析。 2002 年，由于项目组在计算机仿真方面经 验的积累和成熟，凯瑟小组选用了瑞士厄利空公司生产的 35 毫米高射炮，并委托皮卡汀尼兵工厂对其进行了改装，制造了一门 35 毫米的膨胀波火炮原理演示样机。该炮选用了经过改装的、药筒底盖可分离的厄利空 KD AA 型 35 毫米 穿甲弹。图 7 为35 毫米膨胀波火炮原理样机。 图 7 35 毫米膨胀波火炮原理样机 图 8 准备实验的 35 毫米膨胀波火炮 1-身管， 2-复进机， 3-架体， 4-药室部， 5-喷口， 6-后坐杆， 7-惯性炮闩， 8-点火孔。 图 8 为准备实验的 35 毫米膨胀波火炮。发 射前先将点火线从惯性炮尾中的点火孔中引出，然后手动启动电子点火器，触发弹药底火，底火进一步引燃发射药。当膛内火药气体压力到达某一数值时，安装在惯性炮闩上的剪切块受到瞬间被间断，膛内火药气体推动惯性炮闩打开；此时膛内火药气体从喷口出喷出，流过喷口的火药气体膨胀，对喷口的斜面进行冲击，可以抵消部分后坐力；惯性炮闩沿着后坐杆自由后坐直到和缓冲器碰撞后停止。试验中共发射了 60 发弹丸，速度达到了 1135 米每秒。结果证明，该火炮在没有损失炮口动能的情况下，其后坐冲量减少了 61%，身管受热减少了41%，由于部分火药气体 从炮尾排除，其炮口冲击波也减小到原来值的 2/3。 第二阶段 在 35 毫米火炮原理样机成功发射后，凯瑟小组趁热打铁，启动了第二阶段的研究工作，深入分析研究了惯性炮闩的开闩时间、排气速度、闩体受力、反后坐材料、后坐控制、弹药装填和火炮系统整合问题。在 2010 年，项目组决定将膨胀波发射技术从 35 毫米原理样机上移植到 105 毫米多用途武器弹药系统和 45 毫米 COMVAT 自动埋头弹系统上。 多任务武器弹药系统在 2001 年由通用动力公司提出，曾打算作为 “ 未来战斗系统 ” 中的进攻主力，具有 接触作战、大纵深作战等多种战场环境下的全方位火力打击、压制、支援能力。 图 9 所示为安装在多任务武器弹药系统上的 105 毫米膨胀波火炮。研究小组为该炮设计了新型反后坐装置并改进了惯性炮闩。当惯性炮闩后坐时，喷口也跟着一起后坐，后坐速度可由新型的反后坐装置进行控制，这样可延长后喷气体对炮尾的推力作用时间，大幅度减小后坐力。 图 9 处于台架实验的 105 毫米膨胀波火炮 图 10 发射中的 105 毫米膨胀波火炮 为了测试 105 毫米膨胀波火炮的发射性能，研究小组在俄亥俄州伊利湖 靶场进行了第一次试发试验，如图 10 所示。共发射了炮弹 14 发，炮口初速达到 1370 米每秒，结果优于 35 毫米样机。 由于膨胀波火炮采用了特殊炮尾结构，故传统的弹药装填机构不再适合于该火炮。为此，项目组专门研发了一种叫做摆动药室（ swing chamber）的弹药装填方案，可快速装填常规弹药或埋头弹药。该摆动药室装填系统主要由供弹机和摆动输弹机两部分组成。图 11 为供弹机，改进自美国 75毫米 XM-274 轻型坦克炮的弹药自动装填系统。供弹装置由一个可储存 6 发弹丸的立式回转弹仓和一个提弹装置组成，供弹速度 为每分钟 15 20 发。 图 11 供弹装置 图 12 所示为摆动输弹机的工作原理图：首先，摆动药室在伺服电机的驱动下转动 90 度，对准供弹装置，为如图 12所示；然后供弹机的立式弹仓转动，使待击发弹丸对准摆动药室；提弹装置开始工作，带动半柔性提弹链条将弹丸推入摆动药室；最后摆动药室在伺服电机的驱动下向上转动 90度，和火炮身管对齐，完成弹丸装填工作。 图 12 摆动药室装填方案 图 13 所示为美国防务技术公司研制的 105 毫米口径的埋头弹药系统。 图 13 105 毫米口径的埋头 弹药系统 图 14 所示为装备有 105 毫米膨胀波火炮的多任务武器弹药系统概念图。 图 14 多任务武器弹药系统概念图 此外，项目组也曾考虑过将一门 45 毫米口径膨胀波火炮安装在 “ 粗齿锯 ” 无人驾驶车辆平台上发射。如图 15 所示为该 45 毫米口径火炮虚拟样机图。项目组研究人员分别使用了传统的密封炮尾火炮和惯性炮尾膨胀波火炮，并分别进行了发射对比试验，共射弹 25 发。试验结果表明，采用了惯性炮尾的膨胀波火炮对比传统炮尾密封的火炮，初速损失约为22%，但是身管发热量仅为 47%，后坐位移为 5%。 图 15 45 毫米口径膨胀波火炮虚拟样机图 图 16 所示为装有 45 毫米 膨胀波火炮的粗齿锯（ RIPSAW）无人驾驶车辆平台。 图 16 “ 粗齿锯 ” 无人驾驶车辆平台 美国作为膨胀波火炮研究的发起国，已经对膨胀波火炮的发射机理、发射过程、发射性能、火炮结构及发射动力学特性等方面进行了较为全面、系统的研究分析，长期以来也积累了一定的工程实践经验，目前在该领域处于世界领先地位。 但对于这种新理念的武器系统，在理论研究及实际应用方面仍然存在一些问题，具体包括以下几个方面： 首