炮口超压设计论文

0 序言

在军事活动中，常常有各种冲击波出现。例如，火炮发射时，由于弹丸离开炮口，膛内高温高压的火药气体从炮口喷出，压缩炮口周围的空气，激起空气剧烈地扰动，产生空气密度和压强的突变，形成炮口冲击波。火箭、导弹等在空中飞行时，其头部的空气被压缩，成为密区；在飞行物运动过后的瞬间，飞行物原先所处位置上的空气变得稀薄，成为疏区，密区与疏区的交替就形成了弹道冲击波。超音速飞机或舰艇航行时也会产生轨道冲击波。炸弹或核武器在空中爆炸时，形成高温高压的气体，挤压其周围邻近的空气层形成密区，层层向外推进，从而形成爆炸冲击波。无论哪一种冲击波都属于机械波，在一定的条件下会产生杀伤破坏作用。

冲击波的杀伤作用主要是由冲击波超压和冲击波作用时间来决定的。冲击波超压就是冲击波压强与空气静止时的气压（l个大气压）的压强差；冲击波作用时间就是冲击波超压所维持的时间。对于普通炸药在空中爆炸，当冲击波超压为0.1大气压时，就会引致门窗损坏、玻璃破碎；超压为0.5大气压时，能使屋顶掀盖；超压为1大气压时，会造成房屋倒塌。0.1大气压的超压相当于每平方厘米受0.1公斤的力，粗看起来，这个力很小，可是当它作用在长、宽各1米的玻璃窗上时，受力竟达1000公斤，虽然这个力的作用时间很短，但这么大的冲击力仍能产生相当可观的破坏作用。对于人体而言，冲击波超压为0.5大气压时，人的耳膜破裂，内脏受伤；超压为1大气压时，作用在人体整个躯干的力可达4－5千公斤，在这么大的冲击力挤压下。人体内脏器官严重损伤，尤其会造成肺、肝、脾破裂，以至导致人员死亡。

对火炮而言，弹丸飞出炮口时，膛内高温高压的火药气体被突然释放，向炮口外急剧喷射，形成非常复杂的炮口流场。这一流场会影响弹丸的飞行以及火炮的受力和运动，还会影响火炮周围的环境。弹丸穿过炮口流场的过程称为火药气体对弹丸的后效作用时期。随着膛内火药气体不断地向外排出，火药气体仍对火炮提供作用力，直到膛内压力接近外界大气压为止，这一过程称为火药气体对炮身的后效作用时期，这一时期总时间远大于火药气体对弹丸的后效作用时期，在火炮设计及弹道学中，这一时期又称为火药气体后效期。

炮口流场是非定常、多相、湍流，并有方向性和化学反应的复杂流场。伴随冲击波射流而产生的有害扰动有强激波、冲击波、声波、电磁辐射、炮口焰和炮口烟等。大口径火炮和高性能高速武器产生的炮口流场的有害扰动极其强烈。从原理上说，由枪到各种火炮、火箭的炮口流场特性和相应扰动无重大的本质区别。

炮口气流排出对冲击波的能量输入特性是持续（非瞬间）多相（瞬变）的，此能量输入特性决定了炮口流场基本特性：第一、高度的瞬变（非定常）性。第二、强烈的方向性：静止炸药爆炸产生的冲击波是各向同性，球心静止的球形冲击波；膛口射流为炮口冲击波连续、有限地补充能量，在瓶状激波生长期内马赫盘距离不断沿膛轴向前推进，相当于不

断前移的动球心，从而使炮口冲击波具有明显的方向性，它是一个各向异性的冲击波。第三、波系结构和相互作用的复杂性：波系结构包括初始冲击波、炮口冲击波、冠状冲击波、弹底激波、瓶状激波和接触面、滑移面等。相互作用存在于初始流动和火药燃气流动、弹丸与射流、冲击波以及射流与冲击波之间。

火炮发展一般集中在提高弹丸初速、射程、射速、准确度、机动性等方面。随着大威力、远射程、高初速火炮的出现，炮口冲击波超压场给人的影响也越来越大，高效率炮口制退器的采用加剧了炮手生存环境的恶化，同时也使炮口焰更加明亮，暴露战场的可能性加大。为了保护炮手人身健康和安全，提高火炮战场生存能力，应对炮口冲击波超压场进行更多的研究。比如进行更贴近实际情况的假设以建立更实际的计算模型，利用、寻找更合理的格式进行数学仿真。本文主要就炮口超压场超压进行计算，在此之前先介绍了炮口流场的有关知识，计算之后又对超压场影响因素进行了探讨，期望能在这方面的研究深入到一定层次。

1 炮口制退器作用原理

1.1研究炮口制退器的意义

炮口制退器通过控制后效期火药气体的流量分配和气流速度对炮身提供一个制退力，使炮膛合力减小，从而减小火炮后坐动能和炮架的射击负荷，其中α<1。研究高效率的炮口制退器有助于弹性炮架的发展。一般来说，炮口制退器的作用主要有两条：第一，减小后坐动能。当后坐部分质量及后坐长度一定时，可以减小后坐时对炮架的作用力（见表1.1），从而减小炮架纵向尺寸，减小火炮质量；或者在后坐阻力一定时，缩短后坐长度。炮口制退器的应用缓解了火炮的威力与机动性的矛盾；第二，便于采用统一炮架，即制造出姊妹炮。要在同一种炮架上安装威力不同的炮身，从力学角度来说，只需保证自由后坐动能相等即可，即

2

2

22

112

12

1T h T h W m W m =

依此，对两种炮身设计不同的炮口制退器，就可保证炮架受力相近，从而采用同一炮架，这样可以简化生产，方便维护使用。在国内、外火炮系列中，都有采用统一炮架的实例，例如我国的54-122L 、与56-152L(%30=T η)；60-122J(%59=T η)与66-152JL(5.54=T η%)等。

以上是应用炮口制退器所带来的好处。然而，炮口制退器的应用也带来一些不利的影响，主要是炮口冲击波和噪声等会对炮手产生危害作用。

1.2 炮口制退器结构分析

由于尺寸、重量及加工工艺性等方面的要求和限制，炮口制退器的实际结构较简单，一般由1～2个腔室组成，腔室前方是中央弹孔，两侧为导引火药气体的侧孔与挡板。腔室作用是使进一步膨胀加速，以获得冲击前壁的速度和导引至侧方的流量分配比；侧孔的形状有许多种，它与挡板主要起引导火药气体的作用；中央弹孔只起提供弹丸飞行通道的作用。

就现有地面火炮而言，炮口制退器的结构形式可分为下述三类。 （1）冲击式或开腔式炮口制退器

这种类型炮口制退器的结构特点是腔室直径较大（一般不小于两倍口径），两侧具有

大面积侧孔，前方带有一定角度的反射挡板。例如56-85J炮口制退器和66-152JL的炮口制退器都属于冲击式炮口制退器。当火药气体进入这种结构的炮口制退器的腔室后，首先沿轴向膨胀加速，然后，除中心附近的气流经中央弹孔流出外，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，从而赋予炮身向前的冲量，形成制退力。如图：

1.1单室冲击式炮口制退器 1.2多室冲击式炮口制退器

这种结构依靠大面积反射挡板和大侧孔获得较大的侧孔流量及较大的气流速度，气流方向取决于挡板导流面的角度和长度。为了进一步利用从中央弹孔流出的这一部分气体，许多冲击式炮口制退器都采用了双腔室结构。由于进入第二腔室的气体流量已较小，压力也较低，故第二腔室的尺寸可小于第一腔室。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。

（2）反作用式炮口制退器

这种类型炮口制退器的结构特点是腔室直径很小（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。图2.3所示就是一种反作用式炮口制退器。当火药气体进入这种结构的炮口制退器的腔室以后，膨胀不大，仍保持较高的压力。其中一部分气体继续向前，从中央弹孔流出；另一部分气体则经侧孔二次膨胀后排出，其速度方向由侧孔控制。为了获得必要的侧孔流量，要求炮口制退器足够大，以保证足够的侧孔入口面积。因此，在效率相同的条件下，反作用式炮口制退器的纵向尺寸比较大，加工也较复杂。这种炮口制退器多用于带尾翼弹的滑膛炮，以保证弹丸的尾翼在离开炮口制退器前不张开，或尾翼不与炮口制退器相碰。其它火炮较少使用反作用式炮口制退器。

1.3 反作用式炮口制退器