埋头弹火炮高效低危害炮口制退器的实验研究

王加刚, 余永刚, 周良梁

(1.南京理工大学 能源与动力工程学院， 江苏 南京 210094; 2.重庆望江工业有限公司， 重庆 400071)



埋头弹火炮高效低危害炮口制退器的实验研究

王加刚1,2, 余永刚1, 周良梁1

(1.南京理工大学 能源与动力工程学院， 江苏 南京 210094; 2.重庆望江工业有限公司， 重庆 400071)

为降低埋头弹火炮发射过程中炮口制退器产生的冲击波危害，设计了高效低危害炮口制退器的实验装置。通过对比射击实验，将新型高效低危害炮口制退器与原炮口制退器性能进行了对比。实验结果表明：高效低危害炮口制退器能够有效减小火药燃气的侧向流动；同时降低流场中冲击波的强度，炮手位置冲击波强度减小了61.4%，大大降低了射击过程中冲击波对炮手的危害。在高效低危害炮口制退器基础上使用了消声碗，虽然炮口冲击波强度略有增强，但制退器的制退效果得到显著改善。

兵器科学与技术； 火炮； 炮口制退器； 高效； 低危害； 实验研究

0 引言

火炮发射过程中会在膛内产生大量高温高压燃气，当弹丸出炮口时，膛口压力高达60～80 MPa. 高温高速燃气在膛口形成复杂的流场，对火炮发射产生强烈的冲击作用，对火炮发射的精度产生较大影响[1]。埋头弹火炮又称嵌入式弹药，其主要特点是：弹丸缩在药筒内，发射药装填在弹丸周围及尾部，弹药外形呈现规则的圆柱状，火炮自动机大多采用旋转闭锁原理，以大幅缩短其纵向长度[2]。因此战车在相同条件下可以装备口径更大的火炮，随着火炮口径的增加，发射过程后坐效应增强。

炮口制退器的使用，可以控制后效期气体流动，在炮口产生一个向前的冲量，为炮身提供一个制退力，减小发射过程中的扰动作用[3]。但是炮口制退装置的使用也会形成一些危害，如发射过程会产生噪声和冲击波对射手造成身体伤害[4]。

目前，对于炮口制退器发射性能的研究主要是通过数值模拟方法进行。如Florio等[5]采用计算流体力学软件Fluent模拟了在身管尾部增加简单侧向喷孔对炮口流场特性的影响。江坤等[6]对装有炮口制退器的车载炮膛口冲击流场进行数值模拟，获得了流场波系结构以及车身上的冲击波作用规律。刘欣宁等[7]利用三维非定常欧拉方程，结合动网格技术，模拟了弹丸运动过程中炮口制退器膛口流场的变化过程。文献[8-9]对比分析高速弹丸穿越不同炮口制退器时，流场波系结构的变化，并进一步探讨了制退器结构对制退器效率的影响，研究结果表明多孔制退器能更有效地改善系统的后坐性能。王惠源等[10]采用计算流体力学(CFD)数值模拟技术对转管机枪对有、无膛口旋转制退装置的膛口流场进行了数值仿真。这些研究主要关注于提高发射装置的后坐效率，并未考虑到发射过程中产生的冲击波与噪声。

战车装备埋头弹火炮时，火炮口径增大，对后坐装置后坐效率提出了更高的要求。相关研究表明炮口制退器在控制火药燃气减小后坐力的同时，增强了炮口压力波，容易对武器系统、场地以及人员安全产生不利影响[11]。为了缓解这一矛盾，根据分段多级降压原理，设计了埋头弹火炮高效低危害炮口制退器，它通过控制炮口火药燃气分段多级喷出，分散喷流，使高压火药燃气充分膨胀做功，从而达到降低噪声和衰减冲击波的目的。该项研究对提高制退器效率，降低最大后坐力，降低炮口冲击波对炮手的危害以及提高埋头弹火炮适装性具有重要的军事意义。

1 实验系统设计

图1 炮口制退器结构示意图Fig.1 Structure diagrams of muzzle brakes

基于炮口制退器的高效性与低危害性的要求，本文在原35 mm埋头弹火炮炮口制退器(见图1(a))基础上，设计了高效低危害炮口制退器与附加消声碗的高效低危害炮口制退器两种新型炮口制退装置。其中高效低危害炮口制退器通过附加分段多级导向筒(见图1(b))，以期达到降低噪声和冲击波的目的。分段多级导向筒泄压孔方案为4级降压设计：前3级采用泄压孔降压，泄压孔宽度距离炮口由L、L1、L2逐步增大，泄压孔截面采用45°倒角设计(见图2)，炮口的火药燃气压力经3级泄压后迅速降低，最后再通过尾部通孔进一步泄压，从而保证火药燃气充分膨胀做功，进而达到降低噪声和冲击波的作用。为了进一步提高制退效率，在分段多级导向筒前方附加了消声碗(见图1(c))，以期达到在较高制退效率情况下，降低噪声和冲击波对炮手的危害。分段多级导向筒与支撑环和消声碗采用焊接连接，分段多级导向筒前方通过支撑环利用原炮口制退器外圆柱面支撑，后方通过安装座采用抱箍的方式与炮管环形槽固定。为了解两种新型炮口制退器的工作性能，将其与原炮口制退器进行了对比实验分析。

图2 分段多级导向筒Fig.2 Multistage guide cylinder

图3为实验现场示意图，图3中A、B、C 3点为压力监测点，采用声压传感器监测射击过程中流场的压力脉冲；D点为噪声监测点，使用声级计来监测燃气通过制退器时产生的噪声。

图3 实验现场示意图Fig.3 Schematic diagram of experimental site

2 实验结果与讨论

针对3种制退器，采用相同的装填条件，进行了模拟射击实验。图4给出炮口流场照片，图4(a)为传统炮口制退器，图4(b)为高效低危害炮口制退器，图4(c)为附加消声碗的高效低危害炮口制退器。

图4 炮口流场形态Fig.4 Muzzle flow field

如图4(a)所示，在火炮发射过程中，燃气经过传统炮口制退器时，会形成较为明显的侧向气流，这样会在侧面流场产生较强的冲击作用。而使用高效低危害炮口制退器时，燃气经过缓冲，侧向气流的冲击作用减弱，从图4(b)可以看出侧向气流尺寸明显减小。而在使用附加消声碗的高效低危害炮口制退器时，炮口处的消声碗抑制了部分燃气的轴向流动，通过炮口制退器侧向喷孔流出气体增加，因此图4(c)中侧向气流增强。

图5～图7分别给出了3种制退器发射过程中冲击波曲线。

针对图5～图7中测量曲线进行变换处理，可以得到发射过程中监测点的冲击波特性参数；结合D点测得的噪声参数，以及位移试纸测得的后坐位移，可以得到炮口制退器射击特性参数，如表1所示。

结合图5～图7与表1可以看出，采用传统炮口制退器时，发射过程测得A、B、C的冲击波声压值分别为11.68 kPa、12.71 kPa、3.21 kPa，而D点的噪声平均值为128.5 dB，此时最大后坐位移为31.3 mm. 在传统炮口制退器附加高效低危害炮口制退器装置后，发射过程中A、B、C测试点冲击波声压强度分别为7.09 kPa、7.80 kPa、1.24 kPa，D点的噪声平均值为127.3 dB，最大后坐位移为31.2 mm，与传统炮口制退器相比，A、B、C测试点冲击波强度分别降低了39.3%、38.6%、61.4%. 由此可以看出：在炮口安装高效低危害炮口制退器装置后，火药燃气压力经3级泄压后迅速降低，最后再通过尾部通孔进一步泄压，从而保证火药燃气充分膨胀做功，对冲击波的降低效果显著，特别是炮手位置的冲击波降低了61.4%，大大减小了冲击波对操作人员的危害。

图5 传统炮口制退器产生的冲击波曲线Fig.5 Shock waves generated by traditional muzzle brake

图6 高效低危害炮口制退器产生的冲击波曲线Fig.6 Shock waves generated by high efficiency and low hazard muzzle brake

表1 炮口制退器射击特性参数Tab.1 Launching characteristic parameters of muzzle brakes

图7 附加消声碗的高效低危害炮口制退器产生 的冲击波曲线Fig.7 Shock waves generated by high efficiency and low hazard muzzle brake with silencing bowl

在高效低危害炮口制退器的基础上，在炮口安装消声碗后，发射过程中A、B、C测试点测得冲击波声压分别为9.30 kPa、9.75 kPa、1.48 kPa，D点噪声平均值为126.3 dB，最大后坐位移为26.8 mm. 与高效低危害炮口制退器相比，A、B、C测试点测得的冲击波强度分别上升了31.1%、25.0%、15.6%. 与原炮口制退器相比：A、B、C测试点冲击波强度分别降低了20.4%、23.3%、53.9%；由于只在附加装置前端加了消声碗，后端未作处理，因此噪声只降低了2.3 dB；燃气出炮口后，部分燃气继续沿轴线膨胀，当燃气撞击到消声碗时，燃气与消声碗相互作用，产生一个沿轴向的推力，增强了炮口制退器的制退效果，从而有效减小了火炮后坐力，最大后坐位移值减少了14.1%. 由表1可以看出：在火炮上安装附加消声碗的炮口制退器后，最大后坐位移减少了4.4 mm.

3 结论

本文根据35 mm埋头弹火炮炮口流场的特点，基于火药制退器高性能低危害的要求，设计了两种状态的高效低危害炮口制退器，并与原制退器进行了对比射击实验，得到以下结论：

1)对比射击过程中炮口流场形态可以看出，使用高效低危害炮口制退器能够有效抑制炮口燃气的侧向流动，降低射击阵地被发现的几率。

2)使用高效低危害炮口制退器后，大大降低了冲击波的强度，射手位置冲击波强度降低了61.4%，大大降低了射击过程中冲击波对炮手的危害。

3)在高效低危害炮口制退器基础上，在炮口装置上增加消声碗，虽然炮口冲击波强度略有增强，但冲击波强度还是小于传统炮口制退器；而消声碗的使用进一步增强了制退器的制退效果，最大后坐位移减小了14.1%.

References)

[1] 尤国钊，许厚谦． 中间弹道学[M]． 北京: 国防工业出版社，2003． YOU Guo-zhao, XU Hou-qian. Intermediate ballistics[M]. Beijing:National Defense Industry Press, 2003.(in Chinese)

[2] 张浩，陆欣，余永刚，等. 某口径埋头弹火炮的密封与装药设计[J]. 兵工学报, 2006, 27(4): 630-633. ZHANG Hao, LU Xin, YU Yong-gang, et al. Design for the seal system and charge of a CTA gun[J]. Acta Armamentarii, 2006, 27(4): 630-633.(in Chinese)

[3] 高跃飞． 火炮反后坐装置设计[M]． 北京: 国防工业出版社，2010． GAO Yue-fei. Artillery recoil mechanism design[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2010.(in Chinese)

[4] 杨志焕, 姚德胜. 空气冲击波重复作用的生物效应[J]. 爆炸与冲击, 1991, 11(2):170-176. YANG Zhi-huan, YAO De-sheng. The biological effects under repeated air blast shock waves[J]. Explosion and Shock Waves, 1991, 11(2):170-176.(in Chinese)

[5] Florio L A. Effect of vent opening area and arrangement on gas flow field as gas propelled cylinder exits a flow tube[J]. Meccanica, 2010, 45(4): 475-501.

[6] 江坤, 钱林方. 某火炮炮口制退器性能的研究[J]. 弹道学报, 2006, 18(3): 55-57. JIANG Kun, QIAN Lin-fang. A study on the muzzle brake performance of guns[J]. Journal of Ballistics, 2006, 18(3): 55-57.(in Chinese)

[7] 刘欣宁, 岳明凯. 带炮口制退器的火炮膛口流场三维数值模拟[J]. 四川兵工学报, 2015, 36(7): 56-59. LIU Xin-ning，YUE Ming-kai. Numerical simulation of 3D flow fields of gun with muzzle brake[J]. Journal of Sichuan Ordnance, 2015, 36(7): 56-59. (in Chinese)

[8] 张焕好, 陈志华, 姜孝海, 等. 高速弹丸穿越不同制退器时的膛口流场波系结构研究[J]. 兵工学报, 2012, 33(5): 623-629. ZHANG Huan-hao, CHEN Zhi-hua, JIANG Xiao-hai, et al. Investigation on the blast wave structures of a high-speed projectile flying through different muzzle brakes[J]. Acta Armamentarii, 2012, 33(5): 623-629.(in Chinese)

[9] Zhang H H, Chen Z H, Jiang X H, et al. Investigations on the exterior flow field and the efficiency of the muzzle brake[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2013, 27(1): 95-101.

[10] 王惠源, 黄建业, 张成卿. 基于CFD的转管机枪助旋制退器流场超压仿真及对弹丸初速影响分析[J]. 弹道学报, 2016, 28(1):26-32. WANG Hui-yuan，HUANG Jian-ye，ZHANG Cheng-qing. Simulation of flow-field overpressure of torque assist and brake for rotating-barrel machine-gun based on CFD and analysis of its effect on projectile muzzle velocity[J]. Journal of Ballistics, 2016, 28(1): 26-32.(in Chinese)

[11] 王永河，张世全，赵静，等. 炮口制退器高效率低危害技术探讨[J]. 火炮发射与控制学报, 2007,28(3): 37-39. WANG Yong-he，ZHANG Shi-quan，ZHAO Jing，et al. Discussion about muzzle brake of high efficiency but low hazard technology[J]. Journal of Gun Launch and Control, 2007,28(3): 37-39.(in Chinese)

Experimental Study of High Efficiency and Low HazardMuzzle Brake for CTA Gun

WANG Jia-gang1,2, YU Yong-gang1, ZHOU Liang-liang1

(1.School of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China;2.Chongqing Wangjiang Industry Co., Ltd., Chongqing 400071, China)

To reduce the hazard of shock wave induced by muzzle brake during the launching process of cased telescoped ammunition (CTA) gun, a high efficiency and low hazard muzzle brake is designed. The high efficiency and low hazard muzzle brake is compared with the traditional muzzle brake through launching experiment. The experimental result indicates that the high efficiency and low hazard muzzle brake can be used to effectively restrict the lateral flow of combustion gas, weaken the shock wave in the flow field greatly, and reduce the intensity of shock wave at the location of launcher by 61.4%, which reduces the harm of shock wave to gunner. Although the intensity of shock wave is slightly enhanced after a silencing bowl is used in the high efficiency and low hazard muzzle brake, but the recoil performance of launching system is significantly improved.

ordnance science and technology; gun； muzzle brake； high efficiency; low hazard； experimental study

2016-09-08

王加刚(1979—), 男, 博士研究生。E-mail: wjgnjust@163.com

余永刚(1963—), 男, 教授，博士生导师。E-mail: yyg801@njust.edu.cn

TJ303+.2

A

1000-1093(2017)05-1035-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.05.025