电磁轨道炮反后坐装置研究

电磁轨道炮反后坐装置研究马新科，邱群先，何 行，高 博，耿 昊，岳海波(中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南 郑州 450015)摘要: 随着电磁轨道炮发射能级越来越大，发射装置后坐力也越来越大，为改善炮架受力，使用反后坐装置成为必要。

本文以某电磁轨道炮为研究对象，建立了发射系统简化实体模型和动力学模型，在相同发射工况下，分别对采用3种不同类型反后坐装置的发射系统在0°和45°射角状态下的后坐复进运动规律进行仿真计算，得出在宽射角范围条件下，采用两复进机和两驻退机均匀对称布置方式的反后坐装置，反后坐综合效能更优的结论。

本研究对大能量、宽射角电磁轨道炮的发射系统总体设计具有一定的参考价值。

关键词：电磁轨道炮；射角；反后坐装置；后坐复进规律中图分类号：TJ02 文献标识码：A文章编号： 1672 – 7649(2019)03 – 0137 – 05 doi：10.3404/j.issn.1672 – 7649.2019.03.027Research on recoil mechanism of electromagnetic rail gunMA Xin-ke, QIU Qun-xian, HE Hang, GAO Bo, GENG Hao, YUE Hai-bo(The 713 Research Institute of CSIC, Zhengzhou 450015, China)Abstract: With the increasing energy level of the electromagnetic rail gun, the recoil of the launcher is getting bigger and bigger. In order to improve the force of the carriage, it is necessary to use the recoil device. In this paper, an electromag-netic rail gun was taken as the research object, and the simplified model and dynamic model of launch system were estab-lished. Under the same launching conditions, the recoil law of the launching system with three different types of recoil mech-anism at 0°and 45°elevating angle , was simulated respectively. It is concluded that under the condition of wide angle of fire, the comprehensive efficiency of the recoil mechanism with two reentry machine and two recoil machine in symmetrical ar-rangement is better than two others. This study has a certain reference value for the overall design of the launch system of the electromagnetic rail gun with large energy and wide angle of fire.Key words: electromagnetic rail gun；angle of fire；recoil mechanism；recoil law0 引　言电磁轨道炮是一种靠电磁力将弹丸加速到超高速度的新概念武器，由于在军事领域具有广阔的应用前景，目前已有多个国家对这一电能武器开展研究[1]。

由牛顿第三定律，电磁轨道炮推动弹丸向前运动时，炮身会受到一个反方向的后坐力[2 – 3]。

美国ISL研究中心和TEXAS研究中心在试验中也验证了电磁轨道炮存在后坐力[4 – 5]。

从美国公开的其位于达尔格伦海军水面作战武器中心进行的32 MJ电磁轨道炮发射试验视频资料中可以看出，在发射过程中，装置存在明显的后坐运动，同样验证了后坐力的存在。

随着研究的进展，电磁轨道炮的发射能级将不断提高，炮口动能越来越大，发射装置的后坐力也将越来越大。

如果身管与炮架刚性连接，则将对炮架形成很大的冲击，为保证结构稳定，炮架需要设计的很大[6]，这将不利于后续工程化应用。

因此，为改善炮架受力，缩小架体结构尺寸，需在身管与炮架间设置起缓冲作用的反后坐装置，使二者间成为弹性连接方式。

目前，常规火炮使用的反后坐装置已较为成熟，发展过程中形成了多种结构类型和布局方式的反后坐装置，如某57G火炮采用的是与身管同心的弹簧式复进机和带针式复进节制器的节制杆式制退机，某85J火炮采用的是液体气压式复进机和带沟槽式复进节制器的节制杆式制退机，上述2种火炮的复进机和制退机第41 卷 第 3 期舰 船 科 学 技 术Vol. 41, No. 3 2019 年 3 月SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY Mar. , 2019收稿日期: 2018 – 07 – 27作者简介: 马新科(1986 – )，男，工程师，主要从事电磁发射技术研究。

均分别布置在身管的上下两侧；美国M2A1-105榴弹炮采用了双筒式短节制杆制退复进一体机，2个外筒同样分别布置在身管的上下两侧[7]。

相对于常规火炮，电磁轨道炮作为新概念武器具有其自身的特点，如后坐部分质量大、炮口动能大等，发射过程中，尤其是高射角发射时，后坐工况复杂，对反后坐装置结构类型和布局方式具有更高要求，而国内外在此方面的研究较少，因此对电磁轨道炮反后坐装置的研究十分必要。

本文基于某轨道炮发射系统实体模型，分别对采用3种类型反后坐装置时的后坐规律进行仿真计算，从而研究反后坐装置结构类型和布局方式对后坐过程的影响。

1 发射系统模型建立1.1 发射系统模型发射系统简化实体模型如图1所示，包括身管、反后坐装置连接板、上下导电轨道和馈电装置，这些部件组成轨道炮的后坐部分。

1.2 动力学模型取后坐部分为研究对象，对射击时后坐部分进行受力分析。

分析受力时，忽略弹丸对内膛的摩擦力，并假设所有的力均作用在射面内，且后坐部分为刚体[8 – 9]。

射击时后坐部分受力情况如图2所示。

后坐过程中，反后坐装置为后坐部分提供制动力直至装置停止后坐。

以炮膛轴线为x 轴，轨道炮模型的动力学方程为：m h d 2xd t2=F pt −F T −(F f +F z +F )+m h g sin α。

(1)F pt m h m h g式中：为后坐主动力；为后坐部分质量；F N F T F f +F z +F 为后坐部分自身重力；为架体导轨对后坐部分的法向反力；为架体导轨与后坐部分的摩擦力；为反后坐装置阻力和密封件摩擦力。

2 3种类型反后坐装置及反后坐效能分析对于有后坐运动的发射器，其后坐规律取决于自身结构和所使用的反后坐装置，在自身结构确定的情况下，不同类型的反后坐装置和布局方式，会对后坐规律产生不同的影响。

结合3种不同类型的反后坐装置，对电磁轨道炮的后坐规律进行仿真，并进一步分析3种类型反后坐装置的反后坐效能。

2.1 3种类型反后坐装置2.1.1 反后坐装置布局图结合图1所示的某轨道炮的简化实体模型，3种类型的反后坐装置布局图如图3所示。

图3（a ）所示的类型1反后坐装置（简称类型1）由1套复进机和1套驻退机组成，二者对称布置在身管的上下两侧；图3（b ）所示的类型2反后坐装置（简称类型2），由2套与类型一具有相同结构尺寸的复进机和驻退机组成，两复进机对称布置在身管的上下两侧，两驻退机对称布置在身管的左右两侧；图3（c ）所示的类型3反后坐装置（简称类型3），由4套相同的单筒式驻退复进机组成，均匀布置在身管的四周。

2.1.2 3种类型反后坐装置结构方案1）复进机结构方案类型1和类型2的复进机为气压式复进机，结构方案如图4所示。

其中复进杆端部与后坐部分相连，外筒与炮架相连，储气腔内气压可调，活塞的工作面积为0.013 m 2，储气腔初容积为0.018 m 3，其工作原理是：后坐过程中，轨道炮后坐部分拉动复进杆使其与外筒产生相对运动，进而压缩储气腔中的气体储存复进能量。

2）驻退机结构方案类型1和类型2的驻退机为带针式复进节制器的图 1 发射系统简化实体模型Fig. 1 Simplified entity model of launch system图 2 后坐部分受力示意图Fig. 2 Schematic diagram of recoil force图 3 三种类型反后坐装置布局图Fig. 3 Layout of three types of recoil device· 138 ·舰 船 科 学 技 术第 41 卷节制杆式驻退机，结构方案如图5所示。

驻退杆端部与后坐部分相连，外筒与炮架相连，其工作原理是：后坐过程中，后坐部分带动驻退杆与节制杆产生相对运动，节制杆与节制环间形成变截面流液孔，液体流过该流液孔时形成液压阻力，复进过程中，液体流过针式复进节制器上的变截面沟槽形成液压阻力。

3）驻退复进机结构方案类型3的驻退复进机为带复进缓冲弹簧的驻退复进一体机，结构方案如图6所示。

其中大活塞杆端部与后坐部分相连，外筒与炮架相连，储气腔内气压可调，活塞的工作面积为0.01 m2，储气腔初容积为0.002 m3，其工作原理是：后坐过程中，后坐部分带动大活塞杆与外筒产生相对运动，通过储油腔中的油液将压力传递到浮动活塞，使其压缩储气腔气体储存复进能量，同时液体流过节制杆与节制环之间的变截面流液孔形成液压阻力，复进过程中，浮动活塞通过油液将复进力传递给大活塞杆，使大活塞杆与外筒产生相对运动，通过复进缓冲弹簧进行缓冲。

2.2 后坐复进过程仿真对后坐复进过程的仿真计算就是对式（1）的求解计算，在VC环境下编制计算程序，时间步长设置为0.1ms，在相同的发射工况下，对某轨道炮分别使用3种类型反后坐装置时的后坐复进过程进行仿真计算。

2.2.1 输入条件设定发射工况如表1所示。

计算过程中，由于3种类型反后坐装置的储气腔数量不同，因此需设置不同的气压初值，所设置的气压初值为保证轨道炮在射角范围内均能够复进到位的最小值。