一种122mm炮口制退器的设计方法及应用

齐文　赵俊利　马春梅、山西中北大学机电工程学院　2、中国科学院宁波材料技术与工程研究所

一种122mm炮口制退器的设计方法及应用

齐文1，2赵俊利1马春梅1
1、山西中北大学机电工程学院2、中国科学院宁波材料技术与工程研究所

根据自行火炮的特点要求，从炮口制退器效率的计算方法出发，分析影响效率参数，对已有的炮口制退器进行效率计算，找到最优的计算方法；在计算结果基础之上，设计出一种能满足发射122mm榴弹的炮口制退器，使其达到高效可靠的要求并进行验证。

炮口制退器；轻量化；高效率

引言

炮口制退器作为解决火炮机动性与威力之间矛盾的重要部件，在火炮技术的发展过程中起到至关重要的作用。但是，炮口制退器不仅会降低火炮后坐动能及后坐力，同时会导致发射时炮手区冲击波超压明显上升。因此，在提高炮口制退器效率的同时降低负面影响的设计方法非常必要，本文从影响炮口制退器效率的参数设计，角度，找到一种能满足发射122mm榴弹的炮口制退器最优的计算方法，使其具有良好的工作性能、良好的结构工艺性、较轻的重量、较高的可靠性和效率，并进行相应验证。

1　炮口制退器效率的计算公式

炮口制退器最重要的作用是减小火炮发射时的后坐力及后坐行程，但由于牵涉到复杂的火药气体流动等问题，炮口制退器的腔室、弹孔、侧孔和挡板发生任何微小的变化都会对制退效果、冲击波超压分布和炮口波系产生很大的影响。而炮口制退器效率ηT是衡量制退器性能的首要特征量。炮口制退器效率指带炮口制退器时火炮后坐部分减小的自由后坐动能与未采用炮口制退器时后坐部分的自由后坐动能之比，公式为：

因为各方面条件限制，并不能实时进行所有的炮口试验测试，且计算火炮发射时膛内与炮口流场非常耗时，一般对于非CFD工程人员来说非常困难。本文编制了炮口制退器的理论计算模型在改进的奥尔洛夫方法下的数值计算程序，通过仿真，分析、对比了对炮口效能影响较大的几个参量对炮口制退器效率的影响。

2　对改进的奥尔洛夫方法的炮口制退器影响因素进行分析

对炮口制退器效率造成影响的结构参数诸多，包括各腔室的截横面积、中央弹孔、中央弹孔出口的半锥角、各侧孔的出口与入口面积、各侧孔的几何轴向角度、侧孔的厚度比、侧孔入口面与出口面的倾角等。如果考虑到所有结构参数，并对其进行分析优化，工作量将非常巨大，本文仅分析其中的关键参数。由于对制退力起主要作用的是除吹孔以外的侧孔，所以在没有改变第一个侧孔结构的条件下，且排除吹孔的影响，对各影响因素进行了分析。

2.1侧孔几何轴线角度对炮口制退器效率的影响

通常，在理论分析中侧孔倾角对制退器效率的高低意义重大，倾角不同，反射气流的角度就会发生改变，流量同时发生改变，此时被反射的气流对炮口制退器的影响也不尽相同。制退器侧孔示意图见图1，炮口位于侧孔的右端。为安装有炮口制退器时的后坐动能。m0和m1分别为不安装和安装制退器时身管的质量，Wmax0和Wmax1分别为不安装和安装退器时身管的最大自由后坐速度。

图1　制退器侧孔示意图

通过改变侧孔几何轴线与腔室轴线之间的夹角，数据分析之后得到了如图2所示的效率值。

图2　不同侧孔几何轴线倾角下的效率值

从图中可以看到侧孔几何轴线倾角对效率的影响呈现逐渐递增的趋势，且增幅相对较大，因此说明此影响因素对结果具有很高的敏感度。改变侧孔倾角的同时，气流流出的方向也发生了改变，由此导致动量发生了改变，侧孔倾角变大导致大部分冲击侧孔反射挡板的气体发生较大的偏转，从而使制退器的效率增大。

2.2侧孔面积对制退器效率的影响

侧孔面积一发生改变，侧孔气流秒流量（单位时间进出侧孔的气体流量）首先受到影响，气流量的改变对进入制退器腔室和侧孔腔室的流量分配比产生影响，也就是侧孔面积增大导致进入侧孔的气流量增大，此外进入中央弹孔的气流量减少，这样制退力的气流量增大使得制退器的受力也加大了，因此制退器的效率就会提高。侧孔面积示意图见图3。改变侧孔面积即是改变示意图中孔的大小。

图3　侧孔示意图

通过改变不同侧孔的面积，数据分析后得到不同制退器效率值见图4。

从图4中可以看到侧孔面积对效率影响呈递增趋势，且增幅很大，说明其对结果的敏感度高。改变侧孔面积可达到径向分流效果，使炮膛合力减小，增大制退器的效率。

2.3中央弹孔面积对制退器效率的影响

中央弹孔发生改变导致制退器腔室的面积比发生改变，进而对中央弹孔的气流速度系数与气流的反作用系数产生影响，反作用系数发生改变的同时，流量分配发生改变，导致制退器结构参数变化，最终导致制退器效率的改变。中央弹孔的示意图见图5。

图4　不同侧孔面积下的效率值

图5　中央弹孔示意图

通过改变中央弹孔，数据分析后得到了不同情况下的制退器效率值见图6。

图6　不同中央弹孔面积下的效率值

从图中可以看出制退器效率与中央弹孔面积大小成反比，当中央弹孔面积增大导致中央弹孔的流量增大时，使得制退器的效率降低。但是弹丸能否安全顺利地穿过制退器腔室，中央弹孔的直径大小应该得到适当控制，通常中央弹孔直径宜取身管直径的1.15倍左右，因此本文分析中选用的中央弹孔直径约为0.15。因此，确定合理的两种侧孔出口面积对制退器结构的设计至关重要，再通过对影响因素进行定性分析，对制退器结构的设计优化起到很好的借鉴作用。

3　对新型炮口制退器的研究

本文基于改进的奥尔洛夫方法对炮口制退器效率的影响因素进行了理论与数据分析，从而得出了侧孔几何轴线倾角、侧孔面积和中央弹孔面积对效率的影响规律。在此基础之上，设计了一款满足本文所要求的炮口制退器。

3.1大倾角炮口制退器

基于前文侧孔集合轴线对炮口制退器效率的影响分析，设计出一款侧孔几何轴线较大的炮口制退器。侧孔几何轴线角度为125°，其他的保持不变，炮口制退器效率为46.05%，重量为72kg。其示意图如图7所示。

图7　大倾角炮口制退器示意图

3.2大侧孔炮口制退器

基于前文侧孔面积对炮口制退器效率的影响分析，设计出一款侧孔面积较大

图8　大侧孔炮口制退器示意图

的炮口制退器。侧孔面积为80cm2，其他的保持不变，炮口制退器效率为46.9%，重量为75kg。其示意图如图8所示。

3.3最终方案

综合考虑前两种方案，最终确定本文炮口制退器结构方案，如图9所示。炮口制退器倾角为125°，侧孔面积为60cm2，炮口制退器效率为47.3%。

图9　新型炮口制退器示意图

4　结论

本文基于改进的奥尔洛夫方法，从炮口制退器的传统计算方法出发，对影响效率的部分因素进行了分析，对如何降低负面冲击波影响作了探讨，得到一种轻质、高效且具有良好的结构工艺性、较高的可靠性的122mm炮口制退器模型，这对提高设计效率、降低设计成本具有一定借鉴意义。

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齐文，1990年出生，辽宁锦州人，硕士研究生，研究方向：机动武器系统工程总体技术。