文档介绍：火炮设计理论
南京理工大学火炮教研室
§ 炮口气流现象与炮口制退器设计
1 炮口气流现象
在火炮射击的后效期,高温高压的火药气体从炮口高速流出,炮口周围出现各种复杂的物理现象,由此生产一系列效应,诸如:
(1)气体作用在炮口装置上产生作用力;
(2)气体作用于弹丸继续加速;
(3)在炮口附近形成复杂的激波,并在远场也产生冲击波和噪声;
(4)在炮口产生炮口焰等等。
其中有些现象是十分有害的,必须对它们产生的机理及行为做深入的研究,并研究对这些危害现象进行控制的手段。
§ 炮口气流现象与炮口制退器设计
炮口气流流出的一般概念
在火炮射击过程中,在炮口周围会形成随时间变化的两个流场,即初始流场和火药气体流场。
弹丸在膛内受到后面火药气体的压力而加速运动的同时,本身也推动前方的空气及少量火药气体的漏气,从而在弹丸前方形成激波。此激波出炮口后膨胀为一个球形冲击波,此球形冲击波称为初始冲击波。
初始冲击波的强度主要取决于弹丸初速v0的大小, v0越高,弹前激波及初始冲击波就越强。
跟在初始冲击波后面的是由压缩空气及火药气体漏气组成的超音速射流,称为初始射流。
弹丸出炮口时,由于高压火药气体的猛烈喷射,初始射流被吞没。初始冲击波的存在对后面的火药气体流场性质产生较大的影响。弹丸出炮口后,由于高压火药气体高速喷出,在炮口周围会产生一个不断向外传播的炮口冲击波和一个相对来说稳定在炮口的超音速射流结构。
炮口冲击波的强度远高于初始冲击波。
当炮口安装有各类炮口装置时,炮口流场也将随之发生变化。炮口冲击波是一个对炮手和装备有害的效应。
炮口冲击波
弹丸刚出炮口时,高温、高压的火药气体首先从锥形的弹尾部周围溢出,向侧方剧烈膨胀,速度高达1500~2000m/s。然后,火药气体向前包围弹丸,并推动炮口附近的已被初始流场扰动过的空气,形成第二个冲击波,即炮口冲击波。炮口冲击波的强度远高于初始冲击波,它有下述几个主要特点。
1)炮口冲击波由火炮气体连续地、但却是有限地补充能量。
2)炮口冲击波近似为一个球形冲击波,其球心是运动的。
3)炮口冲击波具有明显的方向性,是一个各向异性的非均匀冲击波。
4)炮口冲击波前方嵌以另一个冠状冲击波,组成了复杂的相交波系。
当炮口带有炮口制退器时,中央弹孔及各侧孔分别形成独立的气体射流和冲击波。这些射流与冲击波的特性与单一气流相类似。这些冲击波在空间合成的结果即为最终的炮口冲击波场。
炮口冲击波是一个对炮手和装备有害的效应,对炮口冲击波的分析计算方法分为数值计算方法和工程计算方法。炮口冲击波的数值计算方法利用气体动力学理论及数值计算方法编程计算。炮口冲击波的工程计算方法则在一定假设条件下对炮口冲击波简化处理,然后利用气体动力学理论,并引入一些修正系数,构造近似的计算方法。
§ 炮口气流现象与炮口制退器设计
炮口噪声及炮口焰
炮口噪声是火炮发射过程中,炮口附近各扰动源产生的噪声的总称,这些扰动源包括弹丸激波、超音速射流及冲击波等。炮口冲击波是最强的炮口噪声源,它远离炮口向外传播,在逐渐衰减为声波后仍然保持较高的声压级。通过土壤以地震波形式传播的炮口噪声足以引起附近建筑物的震动。在炮手操作区域内,炮口冲击波仍较强,是对人员及设备、器材的主要危害因素;而在远场以外,则全部变为噪声。为了控制和减小炮口噪声的危害,采取的主要途径和方法有:降低冲击波和噪声源的强度、隔离冲击波及噪声(即在冲击波和噪声源与炮手之间设置障碍物)、采用高效能的个人防护器材等。
炮口焰是后效期火药气体产生的可见光。炮口焰容易暴露己方阵地,大大增加了被对方空中及地面观察发现的概率;对于直接瞄准火炮,炮口焰影响射手视觉,妨碍瞄准。目前,削弱甚至消除炮口焰的方法主要有:装药中加入消焰剂、炮口安装消焰器等。
§ 炮口气流现象与炮口制退器设计
炮口装置
(1 )炮口制退器 T
(2)炮口消焰器(防火帽或灭火罩) T
(3)炮口助退器 T
(4)炮口偏转器 T
(5)炮口测速及装定器 T
(6)其他装置
炮口消烟器
炮口消声器
炮膛抽气装置
§ 炮口气流现象与炮口制退器设计
2 后效期理论计算方法
火炮气体在后效期对炮身作用的冲量约占火炮后坐总冲量的20%。因此,准确地计算后效期膛内气流参数的变化规律(称为炮膛流空规律)和炮膛合力的变化规律,对于火炮的受力和运动计算,对于炮口外环境及中间弹道计算,都有十分重要的意义。
后效期火药气体从炮膛内流出的过程可以模型化为一个等截面圆管形半封闭容器的流空过程;当带炮口装置时,可以模型化为口部装有某种形状扩张喷管的这种容器的流空过程。
流空过程的初始参数如下:后效期开始(弹底到达炮口截面)时,