火炮设计理论

火炮设计理论

南京理工大学火炮教研室主讲：张相炎教授联系电话：84315581§3.7炮口气流现象与炮口制退器设计1炮口气流现象

在火炮射击的后效期，高温高压的火药气体从炮口高速流出，炮口周围出现各种复杂的物理现象，由此生产一系列效应，诸如：（1）气体作用在炮口装置上产生作用力；（2）气体作用于弹丸继续加速；（3）在炮口附近形成复杂的激波，并在远场也产生冲击波和噪声；（4）在炮口产生炮口焰等等。其中有些现象是十分有害的，必须对它们产生的机理及行为做深入的研究，并研究对这些危害现象进行控制的手段。§3.7炮口气流现象与炮口制退器设计1.1炮口气流流出的一般概念在火炮射击过程中，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。弹丸在膛内受到后面火药气体的压力而加速运动的同时，本身也推动前方的空气及少量火药气体的漏气，从而在弹丸前方形成激波。此激波出炮口后膨胀为一个球形冲击波，此球形冲击波称为初始冲击波。初始冲击波的强度主要取决于弹丸初速v0的大小，v0越高，弹前激波及初始冲击波就越强。跟在初始冲击波后面的是由压缩空气及火药气体漏气组成的超音速射流，称为初始射流。弹丸出炮口时，由于高压火药气体的猛烈喷射，初始射流被吞没。初始冲击波的存在对后面的火药气体流场性质产生较大的影响。弹丸出炮口后，由于高压火药气体高速喷出，在炮口周围会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的超音速射流结构。炮口冲击波的强度远高于初始冲击波。当炮口安装有各类炮口装置时，炮口流场也将随之发生变化。炮口冲击波是一个对炮手和装备有害的效应。1.2炮口冲击波

弹丸刚出炮口时,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，并推动炮口附近的已被初始流场扰动过的空气，形成第二个冲击波，即炮口冲击波。炮口冲击波的强度远高于初始冲击波，它有下述几个主要特点。

1）炮口冲击波由火炮气体连续地、但却是有限地补充能量。

2）炮口冲击波近似为一个球形冲击波，其球心是运动的。

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。当炮口带有炮口制退器时，中央弹孔及各侧孔分别形成独立的气体射流和冲击波。这些射流与冲击波的特性与单一气流相类似。这些冲击波在空间合成的结果即为最终的炮口冲击波场。炮口冲击波是一个对炮手和装备有害的效应，对炮口冲击波的分析计算方法分为数值计算方法和工程计算方法。炮口冲击波的数值计算方法利用气体动力学理论及数值计算方法编程计算。炮口冲击波的工程计算方法则在一定假设条件下对炮口冲击波简化处理，然后利用气体动力学理论，并引入一些修正系数，构造近似的计算方法。§3.7炮口气流现象与炮口制退器设计1.3炮口噪声及炮口焰炮口噪声是火炮发射过程中，炮口附近各扰动源产生的噪声的总称，这些扰动源包括弹丸激波、超音速射流及冲击波等。炮口冲击波是最强的炮口噪声源，它远离炮口向外传播，在逐渐衰减为声波后仍然保持较高的声压级。通过土壤以地震波形式传播的炮口噪声足以引起附近建筑物的震动。在炮手操作区域内，炮口冲击波仍较强，是对人员及设备、器材的主要危害因素；而在远场以外，则全部变为噪声。为了控制和减小炮口噪声的危害，采取的主要途径和方法有：降低冲击波和噪声源的强度、隔离冲击波及噪声（即在冲击波和噪声源与炮手之间设置障碍物）、采用高效能的个人防护器材等。炮口焰是后效期火药气体产生的可见光。炮口焰容易暴露己方阵地，大大增加了被对方空中及地面观察发现的概率；对于直接瞄准火炮，炮口焰影响射手视觉，妨碍瞄准。目前，削弱甚至消除炮口焰的方法主要有：装药中加入消焰剂、炮口安装消焰器等。§3.7炮口气流现象与炮口制退器设计1.4炮口装置（1）炮口制退器T（2）炮口消焰器（防火帽或灭火罩）T（3）炮口助退器T（4）炮口偏转器T（5）炮口测速及装定器T（6）其他装置炮口消烟器炮口消声器炮膛抽气装置§3.7炮口气流现象与炮口制退器设计2后效期理论计算方法火炮气体在后效期对炮身作用的冲量约占火炮后坐总冲量的20%。因此，准确地计算后效期膛内气流参数的变化规律（称为炮膛流空规律）和炮膛合力的变化规律，对于火炮的受力和运动计算，对于炮口外环境及中间弹道计算，都有十分重要的意义。后效期火药气体从炮膛内流出的过程可以模型化为一个等截面圆管形半封闭容器的流空过程；当带炮口装置时，可以模型化为口部装有某种形状扩张喷管的这种容器的流空过程。流空过程的初始参数如下：后效期开始（弹底到达炮口截面）时，令t=0，炮膛内火药气体质量为mg，内弹道平均参数为pg、Tg、ρg。§3.7炮口气流现象与炮口制退器设计2.1基本假设、推论及重要关系式

（1）基本假设为了研究炮膛流空规律，作如下假设：

1）流动是一维的；

2）流动是等熵的；

3）火药气体为完全气体，并忽略质量力；

4）炮口为临界截面，即，A=A*，v=a*；

5）后效期各瞬时，膛内气体密度均匀分布，即（2）重要推论

1）后效期各瞬时，膛内气体速度呈直线分布：2）后效期各瞬时，膛内压力沿轴线呈抛物线分布：（3）重要的关系式

1）由炮口临界压力表示的炮膛压力分布公式：2）炮口截面秒流量公式3）气流总反力公式§3.7炮口气流现象与炮口制退器设计2.2无炮口装置时的炮膛合力理论计算公式后效期膛内平均压力p随时间的变化规律：根据等熵关系，还有:无炮口装置时后效期炮膛合力的理论公式：§3.7炮口气流现象与炮口制退器设计2.3火药气体作用系数的计算火药气体作用系数β的理论公式：需要说明的是，在火炮的初步设计阶段，如无法求得β的准确值，则不妨取较大的β值，这样做可使火炮的设计偏于安全。在有条件时，可通过实验求得的β实际值。

§3.7炮口气流现象与炮口制退器设计弹丸出炮口时膛内火药气体之平均音速2.4带炮口装置时的炮膛合力及火药气体作用系数的计算当炮口装有炮口制退器或炮口助退器（消焰器）时，炮膛合力为:带炮口装置时的火药气体作用系数βT由下式定义可以推导出比较可得§3.7炮口气流现象与炮口制退器设计带炮口装置时后效期结束点的自由后坐速度炮口装置的结构特征量，它只取决于炮口装置的形状和尺寸，与气流状态参量无关。3炮口制退器设计从作用原理角度，炮口制退器是反后坐装置的一个重要组成部分。炮口制退器的作用主要有两点：（1）减小后坐动能。当后坐部分质量及后坐长度一定时，可以减小射击时对炮架的作用力，从而减小炮架纵向尺寸，减小火炮重量；在后坐阻力一定时，则缩短后坐长度。（2）便于采用统一炮架。要在同一种炮架上安装威力不同的炮身，从力学角度来看，只须保证自由后坐动能相等即可。因此，对两种炮身设计不同效率的炮口制退器，就可保证炮架负荷相近，从而采用同一炮架，这样可以简化生产，方便维护使用。然而，炮口制退器的应用也带来了一些不利的影响，主要是炮口冲击波和噪声等对炮手会产生危害作用。总之，炮口制退器的性能指标将影响到火炮的总体设计。§3.7炮口气流现象与炮口制退器设计3.1炮口制退器结构分析炮口制退器的结构形式可分为：冲击式或开腔式炮口制退器、反作用式炮口制退器和冲击-反作用式炮口制退器。冲击式（或开腔式）炮口制退器§3.7炮口气流现象与炮口制退器设计结构特点：腔室直径较大（一般不小于2倍口径），两侧具有大面积侧孔，前方带有一定角度的反射挡板。工作原理：火药气体进入炮口制退器的腔室后，沿轴向膨胀加速，然后大部分火药气体冲击反射挡板后流动方向偏转，经侧孔排出。性能：在相同重量的条件下，冲击式炮口制退器的效率一般高于其它结构形式的效率。

反作用式炮口制退器结构特点：腔室直径很小（一般不超过1.3倍口径），没有或只有很小的前反射挡板，侧孔多排布置，为保证较好地膨胀，有时将侧孔加工成扩张喷管状。工作原理：火药气体进入炮口制退器的腔室后，膨胀不大，仍保持较高压力。一部分气体继续向前，从中央弹孔流出；另一部分气体经侧孔二次膨胀后排出。性能：在效率相同的条件下，纵向尺寸较长，加工也较复杂。多用于带尾翼弹的滑膛炮，以避免弹丸的尾翼与炮口制退器相碰。§3.7炮口气流现象与炮口制退器设计

冲击-反作用式炮口制退器结构特点：具有较大直径的腔室（大于1.3倍口径）和分散的圆形或条形侧孔。工作原理：火药气体进入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极低的压力，因而侧孔仍起到第二次膨胀加速和分配流量的作用。性能：这种炮口制退器兼有冲击式与反作用式两类炮口制退器的性能特点。

§3.7炮口气流现象与炮口制退器设计3.2炮口制退器性能的计算（1）炮口制退器结构特征量计算（略）（2）后效作用系数β计算（4）炮口制退器冲量特征量

§3.7炮口气流现象与炮口制退器设计（3）炮口制退器效率T

3.3炮口制退器结构设计原则炮口制退器的作用是在后效期提供一个制退力，以减小火炮射击所产生的后坐动能。所设计的火炮口制退器的效率必须满足火炮总体设计的要求。为了保证所要求的结构特征量和效率T，炮口制退器的结构型式和几何尺寸可以有很多种组合。例如，同样的结构特征量可以用较大直径的腔室和较小的侧孔角度实现，也可以用较小直径的腔室和较大的侧孔角度实现；既可以用多腔室冲击式结构实现，也可以用单腔室多排侧孔的冲击——反作用式结构实现。似乎炮口制退器设计的自由度比较大。然而实际上，炮口制退器的设计还要受到其它诸多因素的限制和制约。特别是随着火炮威力的提高，炮口气流对环境的危害加剧，这一因素是炮口制退器设计时必须予充分重视的限制性因素。§3.7炮口气流现象与炮口制退器设计炮口制退器的设计应根据以下几个原则进行：（1）根据火炮及弹药等情况选择合适的炮口制退器结构类型。例如，对于带尾翼弹的滑膛炮，应选用反作用式炮口制退器。（2）保证火炮总体设计对炮口制退器效率的要求。（3）在保证效率的前提下，应使炮口气流对环境的危害最小。具体地说，对于野炮，应使炮手操作位置的冲击波和噪声级最低；直接瞄准火炮的炮口制退器形成的炮口焰应不妨碍瞄准；多管自动炮的炮口制退器应使气流相互干扰最小等等。当炮口气流对环境的危害过大，且经过优化设计仍不能达到要求时，则应考虑与总体协调，降低效率指标。（4）炮口制退器的尺寸和质量应尽可能小，以减轻平衡机负荷，减小身管振动。（5）炮口制退器应满足强度要求，特别是对于大口径高效率的炮口制退器，强度问题更应引起重视。

§3.7炮口气流现象与炮口制退器设计在炮口制退器的所有需要确定的几何尺寸中，腔室直径Dk、制退器长度Lk及侧孔角度取决于效率，需要通过优化设计确定。其他参数诸如中央弹孔直径dcp、侧孔总面积Ai、侧孔导向性l/c及腔室半锥角c等则应预先确定。具体确定原则为：（1）中央弹孔直径dcp

中央弹孔直径的确定应保证弹丸能顺利通过，但过大又会使效率降低。一般应保证根据经验，对于单腔室炮口制退器，dcp=(1.07~1.15)d；对于双腔室炮口制退器的第二腔室，dcp=(1.20~1.30)d

。§3.7炮口气流现象与炮口制退器设计炮膛阴线直径弹丸长度中央弹孔轴线的安装偏差角5′弹丸炮口章动角10′～40′（2）侧孔总体面积Ai

从有效利用炮口制退器结构出发，侧孔的有效面积应与腔室的前反射面积