李貴虎，李振新，趙俊魁，武 荔，張春梅

(山西北方機(jī)械制造有限責(zé)任公司，山西 太原 030051)

0 引言

炮口制退器可有效降低大口徑火炮的后坐阻力和炮架質(zhì)量[1]。目前各國(guó)裝備的炮口制退器重量均較大，主要原因在于材料選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，材料方面基于經(jīng)濟(jì)性和工藝的考慮采用鋼材制造，而鋼材密度大，造成炮口制退器重量也大，同時(shí)，炮口制退器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用得少、肥頭大耳現(xiàn)象較多。

鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐熱性好、抗腐蝕性好等特點(diǎn)，在地面武器裝備上(如M777榴彈炮、AH4型155榴彈炮炮架、M1A1主戰(zhàn)坦克的艙門護(hù)罩等)大量采用了鈦合金[2]，減重效果明顯，這為炮口制退器輕量化提供了材料基礎(chǔ)。但是，炮口制退器工作時(shí)處于火炮發(fā)射產(chǎn)生的高溫、高壓以及高速火藥燃?xì)獾淖饔弥?，由于金屬鈦的化學(xué)活性較高，在高溫環(huán)境中極易被氧化，生成脆性的無(wú)保護(hù)性疏松氧化層，氧分子可以透過氧化層繼續(xù)氧化鈦合金基體[3-6]，因此，鈦合金材料應(yīng)用于炮口制退器時(shí)應(yīng)注意抗燒蝕性設(shè)計(jì)。而鋼材作為炮口制退器常用材料具有較好的耐燒蝕性能，在炮口制退器設(shè)計(jì)中使用鋼鈦復(fù)合結(jié)構(gòu)可將材料性能合理應(yīng)用。

某105 mm突擊炮炮口制退器重量大(39 kg)，為研究輕量化的可行性，本文以炮口制退器減重23 kg、效率與原炮口制退器相當(dāng)、滿足現(xiàn)有彈藥發(fā)射要求為條件，研發(fā)設(shè)計(jì)了一種鋼鈦復(fù)合結(jié)構(gòu)的炮口制退器，并對(duì)其進(jìn)行了仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 鋼鈦復(fù)合結(jié)構(gòu)炮口制退器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以鋼鈦為基材的輕量化復(fù)合結(jié)構(gòu)炮口制退器技術(shù)方案如圖1所示。鋼鈦復(fù)合結(jié)構(gòu)炮口制退器采用內(nèi)鋼外鈦的過盈復(fù)合結(jié)構(gòu)，由炮口制退器本體、內(nèi)襯套、噴口內(nèi)襯和連接螺釘?shù)冉M成，由炮鋼和鈦合金材料過盈復(fù)合而成,內(nèi)襯套和噴口內(nèi)襯選用炮鋼，炮口制退器本體選用綜合性能優(yōu)良的TA15鈦合金。TA15鈦合金為近α型中等強(qiáng)度級(jí)別的鈦合金，長(zhǎng)時(shí)間(3 000 h)工作溫度可達(dá)500 ℃，瞬時(shí)可達(dá)800 ℃，具有良好的綜合力學(xué)性能和工藝性能。制退器整體形式為反作用式，內(nèi)鋼外鈦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免了火藥氣體對(duì)鈦合金材料的直接沖刷，提高了炮口制退器的耐燒蝕性。

圖1 鋼鈦復(fù)合結(jié)構(gòu)炮口制退器

制退器采用大側(cè)孔后噴結(jié)構(gòu)，側(cè)孔由2排組成，每排4個(gè)對(duì)稱分布，側(cè)孔的后噴角度和直徑都相同，中央彈孔為等口徑形式，結(jié)構(gòu)尺寸通過MATLAB軟件對(duì)重量與效率進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)綜合優(yōu)化后求得，其主要變量如圖2所示，包括長(zhǎng)度變量5個(gè)(L1、L2、L3、L4、L5)、直徑變量5個(gè)(d1、d2、d3、d4、d5)和角度變量1個(gè)(A)。制退器重量通過體積與密度乘積計(jì)算求得，通過文獻(xiàn)[7]規(guī)定的反沖擊式炮口制退器計(jì)算方法求得炮口效率。優(yōu)化計(jì)算過程如圖3所示，目標(biāo)重量Q0=15.8 kg、目標(biāo)效率ηT0=37%，Qn、ηT為重量和效率的計(jì)算值，設(shè)置F(n)=1-QnQ0×1-ηTηT0為優(yōu)化函數(shù)，通過逐次計(jì)算求取F(n)最小為優(yōu)化結(jié)果，求得的制退器效率和重量見表1。

圖2 制退器結(jié)構(gòu)尺寸變量示意圖

圖3 優(yōu)化計(jì)算過程

表1 優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

2 效率仿真

2.1 計(jì)算方法

隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，膛口流場(chǎng)的數(shù)值模擬成為研究膛口氣流現(xiàn)象的重要方法[8]。Fluent是一款功能強(qiáng)大的通用流體分析軟件，通過Fluent軟件可求取炮口制退器效率數(shù)值，其方法是通過計(jì)算發(fā)射過程中火炮后坐部分的全沖量來直接計(jì)算最大自由后坐速度，進(jìn)而求得炮口制退器能量特征效率。計(jì)算時(shí)，對(duì)帶和不帶炮口制退器流場(chǎng)的非定常模擬可以得到身管軸向受力隨時(shí)間的變化曲線，對(duì)曲線進(jìn)行積分計(jì)算即可得到后效期炮身受到的全沖量I。分別以m0和m1代表不帶和帶炮口制退器時(shí)的后坐部分質(zhì)量，根據(jù)炮口制退器效率的定義可得：

ηT=m0v2max0-m1v2max1m0v2max0×100%.

(1)

其中：vmax0、vmax1分別為不帶和帶炮口制退器時(shí)身管的最大自由后坐速度。

后效期過程中炮身做自由后坐運(yùn)動(dòng)滿足動(dòng)量定理，即：

mivmaxi-mivi=Iii=0,1.

(2)

其中：vi為后效期開始時(shí)身管的自由后坐速度；Ii為后效期身管受到的全沖量。

2.1.1 后效期開始時(shí)身管后坐速度vi的計(jì)算

后效期開始時(shí)刻身管的自由后坐速度vi表示為：

vi=q+ω2mi+ω+qvgi=0,1.

(3)

其中：ω為火藥氣體質(zhì)量；q為彈丸質(zhì)量；vg為火藥氣體平均速度。

2.1.2 后效結(jié)束時(shí)身管最大自由后坐速度vmaxi的計(jì)算

后效期內(nèi)任意時(shí)刻的后坐部分動(dòng)能的增量等于炮膛合力的沖量，即：

Ii=∫τ0Fidt=mi(vhi-vi)i=0,1.

(4)

其中：vhi為后效期內(nèi)任意時(shí)刻身管自由后坐速度；τ為后效期時(shí)間。后效期內(nèi)身管的自由后坐速度vhi為：

vhi=vi+Iimi.

(5)

由式(5)可得后效期結(jié)束時(shí)身管的最大自由后坐速度vmaxi為：

vmaxi=vi+Ihimi.

(6)

將vmaxi代入公式(1)即可得到炮口制退器的能量效率。

2.2 網(wǎng)格劃分與求解器設(shè)置

使用ICEM劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，建立3D網(wǎng)格模型，得到的制退器網(wǎng)格模型如圖4所示，網(wǎng)格數(shù)量為75萬(wàn)(混合網(wǎng)格)。計(jì)算域?yàn)?/4圓柱形計(jì)算域，分別計(jì)算發(fā)射炮彈時(shí)刻、后效期開始時(shí)刻膛內(nèi)各物理量的分布情況，作為流場(chǎng)計(jì)算的初始化條件。

圖4 制退器網(wǎng)格模型

Fluent參數(shù)設(shè)置為：采用密度基隱式非定常求解器，一階迎風(fēng)離散格式；使用理想氣體模型代替火藥氣體；出口邊界定義為壓力出口邊界，身管邊界定義為無(wú)滑移壁面條件，根據(jù)內(nèi)彈道計(jì)算結(jié)果編寫UDF文件初始化內(nèi)膛參數(shù)；時(shí)間步長(zhǎng)為1 μs，庫(kù)朗數(shù)為1，每個(gè)時(shí)間步迭代50次，仿真時(shí)間為60 ms。

2.3 仿真結(jié)果

通過監(jiān)測(cè)炮身受力情況，可得到炮身的軸向受力曲線，如圖5、圖6所示。

由炮身的受力-時(shí)間曲線積分得到帶炮口制退器和不帶炮口制退器時(shí)的后坐沖量，然后根據(jù)式(1)～式(6)得到炮口制退器能量效率，詳見表2。

3 試驗(yàn)情況

鋼鈦復(fù)合結(jié)構(gòu)炮口制退器重量稱量結(jié)果為15.9 kg。在某105 mm突擊炮炮臺(tái)架上對(duì)鋼鈦復(fù)合結(jié)構(gòu)炮口制退器與原鋼制炮口制退器進(jìn)行了對(duì)比射擊測(cè)試，每型炮口制退器分別射擊榴彈和穿甲彈各1發(fā)。通過監(jiān)測(cè)后坐長(zhǎng)對(duì)比分析炮口制退器效率，通過觀察制退器外觀檢測(cè)炮口制退器的承載能力和抗燒蝕性能，通過觀察彈丸飛行情況檢測(cè)炮口制退器對(duì)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定的榴彈和尾翼穩(wěn)定的穿甲彈的發(fā)射適應(yīng)能力，通過測(cè)試炮架跳動(dòng)對(duì)比分析炮口制退器對(duì)炮架振動(dòng)的影響，射擊試驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖5 發(fā)射榴彈時(shí)炮身受力-時(shí)間曲線

圖6 發(fā)射穿甲彈時(shí)炮身受力-時(shí)間曲線

表2 制退器效率仿真計(jì)算結(jié)果

試驗(yàn)表明：鋼鈦復(fù)合結(jié)構(gòu)炮口制退器與原炮口制退器相比效率相當(dāng)、重量減輕了59.2%，射擊試驗(yàn)后炮架振動(dòng)顯著減小,射后檢查炮口制退器無(wú)明顯燒蝕及開裂情況，同時(shí)，保留了對(duì)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定的榴彈和尾翼穩(wěn)定的穿甲彈的發(fā)射適應(yīng)能力。

表3 射擊試驗(yàn)情況

4 結(jié)論

鋼鈦復(fù)合結(jié)構(gòu)炮口制退器具有炮口效率高、輕量化程度高、抗燒蝕性好等特點(diǎn)，可滿足穿甲彈和榴彈發(fā)射的需求，射擊時(shí)炮架振動(dòng)小于使用傳統(tǒng)炮口制退器，有利于提高射擊精度，可作為某突擊炮炮口制退器的選型。