以火药为能源的炮口式火炮动态后坐技术研究

杨砺志，陈永才，李 鹏，狄长春

(军械工程学院,河北 石家庄 050003 )

以火药为能源的炮口式火炮动态后坐技术研究

杨砺志，陈永才，李 鹏，狄长春

(军械工程学院,河北 石家庄 050003 )

在分析国内外以火药为能源的火炮动态后坐技术现状的基础上，设计了置于火炮炮口处的火炮动态后坐发生装置。以某型地面火炮为例，建立了该方法的内弹道计算模型，并进行了内弹道方程组的诸元解算，并以某型地面火炮炮身为研究对象，基于有限元仿真软件ABAQUS对火炮动态后坐过程中的火炮身管进行了有限元仿真，同时也进行了多次以火药为能源的火炮动态后坐试验。仿真和试验结果均证明，结构设计合理、可靠，满足火炮动态后坐性能检测要求。

火炮；动态后坐；结构设计；有限元仿真

目前火炮动态后坐检测中常用的技术及方法有以火药为能源的火炮动态后坐技术、水弹试射技术和模拟弹丸代替实弹射击方法等。其中以火药为能源的火炮动态后坐技术是目前较为先进的取代实弹射击检查火炮大架强度、反后坐装置性能及后坐部分运动状况的理想方法，有着使用装药少、试验场地小、试验费用低、使用安全方便等优点，特别便于在营区、厂区或教学区使用。据有关资料报道，国外美国岩岛兵工厂研制出一种固定式火药型仿真试验台，用于对炮架及后坐机构进行验收试验。德国莱茵金属公司集团阿维亚斯特公司也研制出一种火炮动力试验台，供德国联邦部队使用。国内某些科研单位对这一技术已经作了深入研究，取得了相应成果，证明了这一方法的科学性和技术的实用性[1-5]。通过分析发现，火炮动态后坐装置结构复杂，为此，笔者设计了将火炮动态后坐发生装置的动力部分直接结合在一门火炮炮口上的方案，从而简化了整体结构，提高了该装置的使用性和勤务性。笔者将对炮口式火炮动态后坐发生装置的结构、内弹道设计、火炮运动规律仿真及试验结果作一论述。

1 总体结构

动态后坐发生装置结构原理图如图1所示。试验时，将炮口式火炮动态后坐发生器旋在承载火炮的炮口上，将被试验火炮(安装有炮口护帽)与后坐发生器中的活塞杆对正并顶住。在后坐发生器的药室内装入适量火药，点火具点燃火药，产生高压火药气体，活塞杆推动被试炮后坐部分产生后坐运动，当被试炮的后坐运动部分达到所规定的最大后坐运动速度时，活塞杆到达活塞缸壁上的排气孔，气体从此孔泄漏到大气中，缓冲器阻止活塞杆向前运动，活塞杆不再对被试炮施载，火炮后坐部分自由后坐。与此同时，承载炮的后坐部分也产生后坐运动。两门炮后坐运动结束后，各自复进到位。

2 内弹道数学模型及计算结果

2.1 内弹道数学模型

由于两门炮运动较慢，且装药量较少，后坐发生器膛压较小且膛内火药气体流速较小，故可根据经典内弹道理论进行计算。

建立基本模型，其中下标n为1、2，分别代表被试火炮和承载火炮，故有

(1)

计算模型的辅助方程组为

(2)

当l1+l2>l时，p=0。式中：v为火炮后坐速度；s为活塞面积；p为火药气体压力；M为后坐部分质量；R为后坐阻力；φ为液压阻力；Pf为复进机力；F1为反后坐装置摩擦阻力。其他符号可参考文献[1]、[2]，本文不再赘述。

2.2 数值模拟

由式(1)和(2)加上反后坐装置阻力公式即可组成后坐运动计算模型，用龙格-库塔法给定装药量即可求出被试炮后坐情况(如膛压、后坐阻力和后坐速度变化)。

数值模拟计算的要求是：

1)后坐发生器对于被试炮后坐体的最大推力，等于实弹射击时被试炮后坐体受到最大膛内合力。

2)在后坐发生器内弹道结束时被试炮后坐体具有的速度、位移等于实弹射击后效期终了时被试炮后坐体的速度和位移。计算时只需将误差范围控制在设计指标的5%即可。

以某型火炮为例运用Matlab进行模拟计算。输入初始量如下：后坐发生器作用长度l=150 mm；药室容积W0=1.3 dm3；活塞面积S=2.54 dm2。装药量为180 g时，后坐发生器内膛压力、后坐长度均能满足技术指标，计算结果如图2、3所示。

3 试验装置及火炮强度分析

3.1 装置关键件强度分析

利用有限元分析方法对本装置的关键部件活塞缸和活塞杆进行了变形和应力分析，活塞缸最大变形发生在药室内壁，为0.384 mm；在膛底应力为最大，为858 MPa。活塞杆最大变形发生在杆靠近活塞套端，为0.16 mm；最大应力点在活塞杆凸台后部，最大应力为578 MPa。结果显示两构件安全。图4为活塞缸后处理变形以及应力结果，图5为活塞杆后处理变形以及应力结果。

3.2 试验火炮身管受力分析

以某型加榴炮炮身为分析对象，材料为PCrNi1Mo，其特性值为：E=206.920 GPa；G=81.2 GPa；μ=0.271；σb=885 MPa；σs=785 MPa，通过有限元法划分网格，并在炮口断面和炮尾端面分别施加动力载荷和阻力载荷，得到身管轴向受到推力时的应力和应变图，如图6、7所示。身管最大应力为21.25 MPa，身管安全。

在经过30余次的火炮动态后坐试验后，对试验火炮身管进行了弯曲度检验，试验中身管直度径规能顺利通过炮膛，证明身管弯曲度合格，动态后坐试验对身管无损伤。

4 3种试验对比分析

火炮的水弹射击试验同样是一种替代实弹射击来检查火炮各个部件性能及后坐部分运动状况的试验方法。其试验技术原理为用水代替弹重，木塞堵挡炮膛构成模拟弹丸，配以适当的装药条件进行射击以达到考核火炮的目的。水弹试射技术原理可靠且检测效果较为理想，因此水弹试射技术作为一种重要的火炮后坐动态测试方法在我国火炮检测中被广泛认可和使用。

为进一步证明炮口式动态后坐实验装置的可行性和合理性，特以某型加榴炮为试验对象，对其分别进行了实弹射击、水弹射击和动态后坐试验，分别获取了各自的火炮后坐运动参数，具体数据如表1～3所示，图8为火炮试验后坐速度对比图。表1～3数据表明，水弹射击与实弹射击相比，火炮后坐部分的后坐运动性能差别较大，尤其是后坐部分最大后坐速度时对应的后坐行程差值百分比较大，为69.2%，这将严重影响火炮强度的检验。而火炮动态后坐试验与实弹射击相比，最大后坐速度差值百分比为4.1%，最大后坐速度对应的后坐行程的差值百分比仅为-1.18%，后坐长度的差值百分比为3.3%。上述试验数据表明，水弹射击可以满足火炮后坐长度的需要，但后坐部分运动规律与实弹射击误差较大；而炮口式火炮动态后坐技术，可以较好地实现火炮后坐运动的需求。

表1 3种情况下的最大后坐速度对比

试验方式 数值/(m·s-1)差值/(m·s-1)差值比/%实弹射击11．20——水弹射击10．17-1．03-9．1动态后坐试验11．660．464．1

表2 3种情况下的最大后坐速度对应的后坐行程对比

表3 3种情况下的后坐长度对比

注：以实弹为基准计算水弹射击和动态后坐试验相关参数的差值。

5 结束语

炮口式火炮动态后坐技术的试验验证结果表

明了笔者设计的火炮动态后坐发生装置的正确性和合理性，实现了设计目的。在使用中，炮口式动态后坐发生装置结构尺寸小、质量小、使用方便、勤务性好，宜于推广，可为火炮的研制、试验、教学研究及部队火炮检测提供一种科学、实用的技术手段。

References)

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[5]张鸿浩,陈永才,王瑞林，等.火炮动力后坐运动的数值模拟[J].军械工程学院学报，2000，12(3):12-16. ZHANG Honghao,CHEN Yongcai,WANG Ruilin,et al．Numerical simulation of gun power recoil movement[J]．Journal of Ordnance Engineering College，2000，12(3):12-16. (in Chinese)

Study on Muzzle Artillery Dynamic Recoil Technologywith Energy of Gunpowder

YANG Lizhi, CHENG Yongcai, LI Peng, DI Changchun

(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003,Hebei, China)

Based on the analysis of the current situation of gunpowder-energy artillery dynamic recoil technology, designed is the artillery dynamic recoil device arranged on the gun muzzle. With the interior ballistic calculation model of the method established, the interior ballistic calculation is carried out. With a certain type of ground artillery muzzle department taken as the research object, finite element simulation was made on dynamic recoil process of gun barrel based on the finite element simulation software ABAQUS. At the same time a number of gunpowder-energy artillery recoil dynamic tests have been conducted. Simulation and test results prove that the structural design is reasonable and reliable, which can meet the performance detection requirements for artillery dynamic recoil.

artillery; dynamic recoil; structural design; finite element simulation

2016-03-14

杨砺志(1993—)，男，硕士研究生，主要从事武器系统理论技术与仿真技术研究。E-mail：15511498330@163.com

10.19323/j.issn.1673- 6524.2017.02.013

TJ303

A

1673-6524(2017)02-0059-04