制退器效率对密集度的影响-zs

1火炮制退器效率对密集度的影响张晓明于世勇李玉林陈奇（齐齐哈尔北方机器有限责任公司军品所161000）［摘要］本文论述的是火炮制退器效率对密集度的影响，在目前的教科书及国内外资料中，认为炮口制退器效率只是减小火炮后坐阻力，减轻炮架受力，提高射后的稳定性，提高机动性有关。而没有对炮口制退器效率，对火炮射击精度和密集度的影响关系，有所论述。本文论述了火炮制退器效率对火炮射击精度和密集度的重要影响和相互关系。［关键词］炮口制退器射击精度密集度炮口扰动制退器效率Abstract：Thepaperdealswiththeeffectofthemuzzlebrakeefficiencyonthedispersion.Asitiswell-knownthatthemuzzlebrakeefficiencyisdesignedtoreducegun’srecoilresistanceandtheforcebornbygun’scarriageandtoincreasegun’sstabilityafterfiringandgun’smobility,butitisraretodiscusstherelationshipbetweenthemuzzlebrakeefficiencyanddispersioninpapers.Thispaper,therefore,describestheeffectofthemuzzlebrakeefficiencyonthefiringaccuracyandtheirrelationship.Keywords:MuzzlebrakeFiringaccuracyDispersionMuzzledisturbanceMuzzlebrakeefficiency一．前言近几年以来，我国最新科研活动中，火炮或弹丸在射击精度或最大射程密集度上，都遇到了技术攻关难题。产生这一技术攻关难题的原因，与当代世界对武器系统的技术发展有关。其中：1）对弹丸、火炮的射程要求越来越远；2）对弹丸、火炮的射击精度要求越来越高；3）对火炮的机动性、轻量化要求越来越高。火炮的射击精度和最大射程密集度，影响因素由弹丸、火炮、装药、底盘（自行炮、车载炮、自走炮）、气象等诸多因素综合影响结果。射击精度和密集度是考核火炮的一个重要指标，在影响火炮射击精度和密集度的各种因素2中，弹丸飞离炮口瞬间的炮口振动状态，即炮口扰动对火炮的射弹散布影响较大。炮口扰动的影响因素中：1）炮口振动角位移是最大的振动分量；2）炮口振动线速度是其次的影响因素。长期以来，人们对炮口制退器效率的认识，只停留在教科书中，认为炮口制退器效率只是减小火炮后坐阻力，减轻炮架受力，提高射后的稳定性，提高机动性有关。而没有对炮口制退器效率，对火炮射击精度和密集度的影响关系，有所论述。本文从炮口制退器效率出发，探讨炮口制退器效率，对炮口扰动的影响，从而改善炮口振动角位移振动分量；炮口振动线速度等影响因素。使火炮射击精度和密集度有所提高，有所改善。二．火炮系统射击精度和密集度的影响因素分析提高火炮射击精度和密集度，减小射弹散布的技术途径有：1)提高炮身的质量身管的直线度、刚度、炮膛的耐磨性对射击密集度有显著影响；2)提高弹药的质量弹药的质量对射击密集度的影响相当严重。发射药性能指标的稳定性和性能参数的匹配以及点传火的结构严重地影响着内弹道过程的一致性。弹丸的结构和制造精度等级决定着外弹道的稳定性。3）火炮发射系统的动力学分析、优化和控制火炮发射时弹丸飞出炮膛的时刻，火炮振动导致炮口扰动，炮口扰动对射击精度的影响，反映在弹丸飞出炮口时，炮口的位移、速度、加速度等参数引起的弹丸起始扰动，造成射弹散布。影响炮口扰动的因素，包括身管的弯曲和振动、发射时火炮的稳定性、弹丸的启动压力、身管的磨损等等。4）弹丸外弹道飞行过程的稳定性研究改进弹丸的空气动力外形和保证高速旋转弹丸轨迹的稳定性，应加大力度研究；三．火炮系统技术状态对射击精度和密集度的影响因素分析3.1火炮系统技术状态对密集度影响的理论分析对于一定的火炮系统，在严格控制生产条件和试验条件下，在最大射程射击时，有一些敏感因子及E0、Ewx、Ewz、Ep变化不大。由：ＣD＝Ｃ0D（１＋Ｋδ2）ω2＝ψ2oy＋ψ2cpyθ0＝ψoy＋ψcpy＝0tsin3ψcp＝hRA200推导出：ＣD＝ｆ1（0）ω＝ｆ2（0，ψo）θ0＝ｆ3（0，ψo）ECD＝ｆ4（0）E0＝ｆ5（ψo，0）E＝ｆ6（ψo，0）对于一个综合的火炮系统，火炮的技术状态对地面散布的影响，反应在敏感因子和起始扰动ψo和0上。火炮的技术状态对地面射击密集度影响的分析，要考虑敏感因子和起始扰动散布。对于同一火炮系统或发射参数不变的火炮，只分析起始扰动的变化，就可以分析火炮对地面射击密集度的影响。3.2１５５ｍｍ火炮系统技术状态与敏感因子的关系１）敏感因子的影响几种远程火炮最大射程时的敏感因子火炮名称0vXcXxWX54-122214938D30-12227(1.29)96(1.96)50(1.32)59-13047(2.24)182(3.70)65(1.70)PLZ45-15562(2.95)230(4.69)61(1.60)PLZ05-15557(2.71)220(4.49)68(1.79)PLZ52-15560(2.86)235(4.8)61(1.6)敏感因子由ν0、θ0、C决定，在最大射程射击时，由ν0、C决定，ν0越高，C越小，敏感因子越大，特别对cX影响更为突出；2）１５５ｍｍ车载火炮阻力系数敏感因子影响的权重分析在火炮主要技术指标，X=30000m，Ex=106.8m，Ex/X=1/280，EZ=34.4m，EZ=1.14mil；确定后，影响火炮密集度的敏感因子，主要有：0vX=60，cX=235，xWX=61；4由以上分析可知，阻力系数敏感因子高达235占全部影响的权重：=235/（60+235+61）=66％，20世纪80年代以前的火炮，初速低，阻力大，敏感因子小，火炮的技术状态对地面射击密集度影响小。20世纪80年代以后研制的火炮，敏感因子成倍增大，火炮的技术状态明显地影响射击密集度。阻力系数敏感因子与炮口扰动直接相关。3.3火炮系统技术状态下的敏感因子理论基础近二十内发展起来的刚体弹道学，对弹丸在全弹道的飞行状况有了非常详尽的描述；刚体弹道学让人们在过去质点弹道学下解释不清的许多问题，得到完满解释。在刚体弹道学中，弹丸在全弹道飞行过程中，始终受到各种扰动（起始扰动和阵风），弹轴不能与质心速度方向一致，于是产生攻角，对于高速旋转弹称为章动角。由于攻角的存在又产生了空气动力和力矩，如升力、马格努斯力、静力矩、马格努斯力矩等，它们引起弹丸相对于质心的转动，又反过来影响质心运动，如形成气动跳角、螺旋弹道和偏流等。弹丸的起始扰动和不对称因素产生的攻角具有随机性，由此引起的气动力将引起各发弹的弹道散布。1）弹道系数（c=id2×103/m,i=c0x（１＋Ｋδ2）/cnx0）的随机变化是由弹丸质量m和阻力系数c0x（１＋Ｋδ2）引起的，当弹丸质量比较均匀一致时，攻角δ的大小和变化，就成为主要矛盾，是造成弹道系数的随机变化主要的敏感因子。2）由：起始扰动产生的气动力跳角，ψcp=R2A0/（hv）分析公式，可以看出气动力跳角与章动角速度0成正比，与压心到质心的距离h成反比；减小章动角速度0和增大h都可以使气动力跳角减小，0/v越小越好，这个值与弹丸在膛内的运动及炮口制退器效率和火药后效期内的运动有关。3）根据参考资料[10]，由弹丸膛内时期章动角δ和章动角速度0，推导出弹丸后效期章动角δ和章动角速度0，从而，由外弹道学推导出弹丸空气中自由飞行的质心运动和绕心运动方程，通过求解方程组，求解出包括炮口振动响应在内的影响因素对弹丸密集度的影响规律，给出弹丸密集度计算结果。四．中间弹道学及炮口制退器对射击密集度的影响因素分析弹丸飞出炮口时火药气体突然释放，急剧喷射，形成复杂的炮口流场。炮口流场影响弹丸的速度和姿态，也影响炮身和炮架受力。后效期火药气体对炮身的作用占火炮后坐总动量的20%左右。炮口制退器对后效期的炮口流场的影响是决定性的。炮口制退器控制后效期火药气体的流量分配、流动方向和流出速度等参数。弹丸的中间弹道过程，在炮口制退器控制下，使弹丸的速度和姿态产生重要影响。4.1中间弹道学的理论基础51）火药气体剩余能量E0及炮口压力pg火药气体剩余能量E0：弹丸出炮口后火药气体自炮口释放的总能量。E0↑高时→炮口压力pg↑高。2)炮口压力pg和炮口流场压力P炮口压力pg与炮口流场压力P之间有：P=pgebT，炮口压力pg↑高时→炮口流场压力P↑高。3）带炮口装置时对火炮的射击精度影响数值仿真结果根据参考资料[8]数值仿真结果证明,炮口制退器对膛口流场结构有较大影响,并会影响弹丸受力状况及运动状态,从而影响火炮射击精度和密集度。在大口径火炮内外弹道性能满足规定误差条件下，火炮结构振动响应对其射击密集度有着重要影响，甚至是决定影响。火炮振动响应是引起弹丸起始扰动，并影响火炮射击密集度的关键参数。4.2炮口制退器对弹丸的扰动影响近些年来，新发展起来的火炮发射动力学和流体力学仿真软件，使人们能够从定量分析中得到弹丸的中间弹道过程，在炮口制退器控制下，使弹丸的速度和姿态产生影响的量化值。使人们能够找到解决这种状态的改进方法。1）通过对以往大口径火炮的统计，对身管弯曲、炮膛间隙、弹丸质量分布不均等数值，应用火炮发射动力学和流体力学仿真软件计算，其单一变化值对对弹丸的气动力跳角，ψcp影响很小；其综合因素极限值，会对ψcp影响较大；2）弹丸出炮口后，当章动角为零时（几率很低的极度小），章动角速度0的值很小，对弹丸的气动力跳角ψcp影响很小；当章动角不为零时（由于身管弯曲、炮膛间隙、弹丸质量分布不均等，其是产生章动角的诱因。），火药气体自炮口释放的冲量，对弹丸的气动力跳角，ψcp影响增大到8~10倍；因此，降低火药气体自炮口释放的冲量，可以使章动角速度0的值减小，从而使弹丸的气动力跳角ψcp也减小；而降低火药气体自炮口释放的冲量，就需要提高炮口制退器效率。3)当火炮的炮口制退器效率低时，η↓小→炮口冲量I↑→炮口压力pg↑高→炮口流场压力P↑高→a↑高→0↑高→C0x↑高；当火炮的炮口制退器效率高时，η↑高→炮口冲量I↓→炮口压力pg↓低→炮口流场压力P↓低→a↓低→0↓低→C0x↓低；4）根据参考资料[11]，弹丸出炮口后，在后效期火药气体炮口流场中，弹丸在攻角和旋转同6时存在时，弹丸表面压力不均匀，对火炮的射击精度产生重要影响。降低火药气体自炮口释放的冲量，提高炮口制退器效率，使弹丸在后效期火药气体炮口流场中，攻角和弹丸表面压力不均匀的复杂激波流场影响减弱，使弹丸出炮口后的章动角δ、章动角速度0的大小和变化量减小，就可以使阻力系数、气动力跳角大小和变化量降低。五.当代世界上火炮射击密集度指标高的火炮，炮口制退器效率5.1国外的射击密集度指标高的火炮，炮口制退器效率国别/火炮美国/十字军骑士俄国/2C19德国/PzH2000制退器效率：η45％（估计）50％48％密集度：Ex/X1/4201/3431/4005.2国内的射击密集度指标高的火炮，炮口制退器效率中国/火炮D-30（122mm车载）05A-15560-122mm榴弹炮制退器效率：η54％42％48％密集度：Ex/X1/369（指标：1/260）1/309（指标：1/280）1/391（指标：1/267）六.总结法国人发明炮口制退器，已经有150多年历史。最初发明炮口制退器时，认为炮口制退器有三大作用：1）减小火炮后坐阻力，减轻炮架受力；2）改善了内弹道性能；3）提高火炮射击密集度；当时世界上还在使用黑火药作为发射药，燃速低，药力小，初速低，射程近。诺贝尔发明硝化棉火药后，使火药力增强，燃烧速度提高，