馬新科，邱群先，何 行，高 博，耿 昊，岳海波

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

電磁軌道炮是一種靠電磁力將彈丸加速到超高速度的新概念武器，由于在軍事領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，目前已有多個(gè)國(guó)家對(duì)這一電能武器開展研究[1]。由牛頓第三定律，電磁軌道炮推動(dòng)彈丸向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，炮身會(huì)受到一個(gè)反方向的后坐力[2 – 3]。美國(guó)ISL研究中心和TEXAS研究中心在試驗(yàn)中也驗(yàn)證了電磁軌道炮存在后坐力[4 – 5]。從美國(guó)公開的其位于達(dá)爾格倫海軍水面作戰(zhàn)武器中心進(jìn)行的32 MJ電磁軌道炮發(fā)射試驗(yàn)視頻資料中可以看出，在發(fā)射過程中，裝置存在明顯的后坐運(yùn)動(dòng)，同樣驗(yàn)證了后坐力的存在。

隨著研究的進(jìn)展，電磁軌道炮的發(fā)射能級(jí)將不斷提高，炮口動(dòng)能越來(lái)越大，發(fā)射裝置的后坐力也將越來(lái)越大。如果身管與炮架剛性連接，則將對(duì)炮架形成很大的沖擊，為保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，炮架需要設(shè)計(jì)的很大[6]，這將不利于后續(xù)工程化應(yīng)用。因此，為改善炮架受力，縮小架體結(jié)構(gòu)尺寸，需在身管與炮架間設(shè)置起緩沖作用的反后坐裝置，使二者間成為彈性連接方式。目前，常規(guī)火炮使用的反后坐裝置已較為成熟，發(fā)展過程中形成了多種結(jié)構(gòu)類型和布局方式的反后坐裝置，如某57G火炮采用的是與身管同心的彈簧式復(fù)進(jìn)機(jī)和帶針式復(fù)進(jìn)節(jié)制器的節(jié)制桿式制退機(jī)，某85J火炮采用的是液體氣壓式復(fù)進(jìn)機(jī)和帶溝槽式復(fù)進(jìn)節(jié)制器的節(jié)制桿式制退機(jī)，上述2種火炮的復(fù)進(jìn)機(jī)和制退機(jī)均分別布置在身管的上下兩側(cè)；美國(guó)M2A1-105榴彈炮采用了雙筒式短節(jié)制桿制退復(fù)進(jìn)一體機(jī)，2個(gè)外筒同樣分別布置在身管的上下兩側(cè)[7]。相對(duì)于常規(guī)火炮，電磁軌道炮作為新概念武器具有其自身的特點(diǎn)，如后坐部分質(zhì)量大、炮口動(dòng)能大等，發(fā)射過程中，尤其是高射角發(fā)射時(shí)，后坐工況復(fù)雜，對(duì)反后坐裝置結(jié)構(gòu)類型和布局方式具有更高要求，而國(guó)內(nèi)外在此方面的研究較少，因此對(duì)電磁軌道炮反后坐裝置的研究十分必要。本文基于某軌道炮發(fā)射系統(tǒng)實(shí)體模型，分別對(duì)采用3種類型反后坐裝置時(shí)的后坐規(guī)律進(jìn)行仿真計(jì)算，從而研究反后坐裝置結(jié)構(gòu)類型和布局方式對(duì)后坐過程的影響。

1 發(fā)射系統(tǒng)模型建立

1.1 發(fā)射系統(tǒng)模型

發(fā)射系統(tǒng)簡(jiǎn)化實(shí)體模型如圖1所示，包括身管、反后坐裝置連接板、上下導(dǎo)電軌道和饋電裝置，這些部件組成軌道炮的后坐部分。

圖 1 發(fā)射系統(tǒng)簡(jiǎn)化實(shí)體模型Fig. 1 Simplified entity model of launch system

1.2 動(dòng)力學(xué)模型

取后坐部分為研究對(duì)象，對(duì)射擊時(shí)后坐部分進(jìn)行受力分析。分析受力時(shí)，忽略彈丸對(duì)內(nèi)膛的摩擦力，并假設(shè)所有的力均作用在射面內(nèi)，且后坐部分為剛體[8 – 9]。射擊時(shí)后坐部分受力情況如圖2所示。后坐過程中，反后坐裝置為后坐部分提供制動(dòng)力直至裝置停止后坐。

圖 2 后坐部分受力示意圖Fig. 2 Schematic diagram of recoil force

以炮膛軸線為x軸，軌道炮模型的動(dòng)力學(xué)方程為：

2 3 種類型反后坐裝置及反后坐效能分析

對(duì)于有后坐運(yùn)動(dòng)的發(fā)射器，其后坐規(guī)律取決于自身結(jié)構(gòu)和所使用的反后坐裝置，在自身結(jié)構(gòu)確定的情況下，不同類型的反后坐裝置和布局方式，會(huì)對(duì)后坐規(guī)律產(chǎn)生不同的影響。結(jié)合3種不同類型的反后坐裝置，對(duì)電磁軌道炮的后坐規(guī)律進(jìn)行仿真，并進(jìn)一步分析3種類型反后坐裝置的反后坐效能。

2.1 3種類型反后坐裝置

2.1.1 反后坐裝置布局圖

結(jié)合圖1所示的某軌道炮的簡(jiǎn)化實(shí)體模型，3種類型的反后坐裝置布局圖如圖3所示。圖3（a）所示的類型1反后坐裝置（簡(jiǎn)稱類型1）由1套復(fù)進(jìn)機(jī)和1套駐退機(jī)組成，二者對(duì)稱布置在身管的上下兩側(cè)；圖3（b）所示的類型2反后坐裝置（簡(jiǎn)稱類型2），由2套與類型一具有相同結(jié)構(gòu)尺寸的復(fù)進(jìn)機(jī)和駐退機(jī)組成，兩復(fù)進(jìn)機(jī)對(duì)稱布置在身管的上下兩側(cè)，兩駐退機(jī)對(duì)稱布置在身管的左右兩側(cè)；圖3（c）所示的類型3反后坐裝置（簡(jiǎn)稱類型3），由4套相同的單筒式駐退復(fù)進(jìn)機(jī)組成，均勻布置在身管的四周。

圖 3 三種類型反后坐裝置布局圖Fig. 3 Layout of three types of recoil device

2.1.2 3 種類型反后坐裝置結(jié)構(gòu)方案

1）復(fù)進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)方案

類型1和類型2的復(fù)進(jìn)機(jī)為氣壓式復(fù)進(jìn)機(jī)，結(jié)構(gòu)方案如圖4所示。其中復(fù)進(jìn)桿端部與后坐部分相連，外筒與炮架相連，儲(chǔ)氣腔內(nèi)氣壓可調(diào)，活塞的工作面積為0.013 m2，儲(chǔ)氣腔初容積為 0.018 m3，其工作原理是：后坐過程中，軌道炮后坐部分拉動(dòng)復(fù)進(jìn)桿使其與外筒產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而壓縮儲(chǔ)氣腔中的氣體儲(chǔ)存復(fù)進(jìn)能量。

2）駐退機(jī)結(jié)構(gòu)方案

圖 4 氣壓式復(fù)進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)方案簡(jiǎn)圖Fig. 4 Schematic diagram of the structure of recuperating machine

類型1和類型2的駐退機(jī)為帶針式復(fù)進(jìn)節(jié)制器的節(jié)制桿式駐退機(jī)，結(jié)構(gòu)方案如圖5所示。駐退桿端部與后坐部分相連，外筒與炮架相連，其工作原理是：后坐過程中，后坐部分帶動(dòng)駐退桿與節(jié)制桿產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，節(jié)制桿與節(jié)制環(huán)間形成變截面流液孔，液體流過該流液孔時(shí)形成液壓阻力，復(fù)進(jìn)過程中，液體流過針式復(fù)進(jìn)節(jié)制器上的變截面溝槽形成液壓阻力。

圖 5 駐退機(jī)結(jié)構(gòu)方案簡(jiǎn)圖Fig. 5 Schematic diagram of the structure of recoil brak

3）駐退復(fù)進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)方案

類型3的駐退復(fù)進(jìn)機(jī)為帶復(fù)進(jìn)緩沖彈簧的駐退復(fù)進(jìn)一體機(jī)，結(jié)構(gòu)方案如圖6所示。其中大活塞桿端部與后坐部分相連，外筒與炮架相連，儲(chǔ)氣腔內(nèi)氣壓可調(diào)，活塞的工作面積為0.01 m2，儲(chǔ)氣腔初容積為0.002 m3，其工作原理是：后坐過程中，后坐部分帶動(dòng)大活塞桿與外筒產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過儲(chǔ)油腔中的油液將壓力傳遞到浮動(dòng)活塞，使其壓縮儲(chǔ)氣腔氣體儲(chǔ)存復(fù)進(jìn)能量，同時(shí)液體流過節(jié)制桿與節(jié)制環(huán)之間的變截面流液孔形成液壓阻力，復(fù)進(jìn)過程中，浮動(dòng)活塞通過油液將復(fù)進(jìn)力傳遞給大活塞桿，使大活塞桿與外筒產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過復(fù)進(jìn)緩沖彈簧進(jìn)行緩沖。

圖 6 駐退復(fù)進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)方案簡(jiǎn)圖Fig. 6 Schematic diagram of the structure of recoil and recuperating integrated machine

2.2 后坐復(fù)進(jìn)過程仿真

對(duì)后坐復(fù)進(jìn)過程的仿真計(jì)算就是對(duì)式（1）的求解計(jì)算，在VC環(huán)境下編制計(jì)算程序，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.1ms，在相同的發(fā)射工況下，對(duì)某軌道炮分別使用3種類型反后坐裝置時(shí)的后坐復(fù)進(jìn)過程進(jìn)行仿真計(jì)算。

2.2.1 輸入條件設(shè)定

發(fā)射工況如表1所示。

表 1 發(fā)射工況Tab. 1 Launch condition

計(jì)算過程中，由于3種類型反后坐裝置的儲(chǔ)氣腔數(shù)量不同，因此需設(shè)置不同的氣壓初值，所設(shè)置的氣壓初值為保證軌道炮在射角范圍內(nèi)均能夠復(fù)進(jìn)到位的最小值。儲(chǔ)氣腔氣壓初值如表2所示。

表 2 儲(chǔ)氣腔氣壓初值Tab. 2 Initial pressure value of gas storage chamber

發(fā)射時(shí)，電源裝置傳輸?shù)綄?dǎo)電軌道上的電流值是電磁軌道炮的重要輸入?yún)?shù)，通過電流值可計(jì)算出同一時(shí)刻彈丸推力值，仿真計(jì)算所采用的電流曲線和計(jì)算出的彈丸推力曲線如圖7所示。

圖 7 電流曲線和推力曲線Fig. 7 Current curve and thrust curve

2.2.2 仿真計(jì)算結(jié)果

在相同計(jì)算模型下，分別對(duì)0°射角和45°射角工況下的后坐規(guī)律進(jìn)行仿真計(jì)算，得出采用3種類型反后坐裝置時(shí)的后坐運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線。

1）后坐力曲線

0°和45°射角工況下的后坐力曲線如圖8所示。

2）后坐復(fù)進(jìn)位移曲線

0°和45°射角工況下的后坐復(fù)進(jìn)位移曲線如圖9所示。

3）后坐復(fù)進(jìn)速度曲線

0°和45°射角工況下的后坐復(fù)進(jìn)速度曲線如圖10所示。

4）后坐過程中儲(chǔ)氣腔氣壓曲線

0°和45°射角工況下的儲(chǔ)氣腔氣壓曲線如圖11所示。

仿真計(jì)算結(jié)果如表3所示。

圖 8 后坐力隨時(shí)間變化曲線Fig. 8 Recoil-time curve

圖 9 后坐復(fù)進(jìn)位移隨時(shí)間變化曲線Fig. 9 Stroke-time curve

圖 10 后坐復(fù)進(jìn)速度隨時(shí)間變化曲線Fig. 10 Velocity-time curve

圖 11 氣壓隨時(shí)間變化曲線Fig. 11 Pressure-time curve

表 3 后坐復(fù)進(jìn)規(guī)律仿真計(jì)算結(jié)果Tab. 3 Simulation results of recoil rule

2.2.3 反后坐效能分析

從后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線和表3計(jì)算結(jié)果可以看出，在0°和45°射角工況下：

1）對(duì)于后坐力變化規(guī)律，類型1和類型2相對(duì)于類型3后坐力變化趨緩，類型2的最大后坐力最小，類型3最大后坐力最大，最大后坐力越小越有利于發(fā)射裝置架體的受力狀態(tài)；

2）對(duì)于位移變化規(guī)律，類型3后坐復(fù)進(jìn)位移變化更為急劇，3種類型的最大后坐位移依次增大，最大后坐位移均未超過110 mm，而常規(guī)大口徑火炮往往有數(shù)百毫米以上的后坐位移，可見電磁軌道炮的后坐位移較小，這與電磁軌道炮具有較大的后坐部分質(zhì)量有關(guān)；

3）對(duì)于速度變化規(guī)律，3種類型的最大后坐速度依次增大，類型3的復(fù)進(jìn)末速最大，類型2的復(fù)進(jìn)末速最小，復(fù)進(jìn)末速越小，后坐部分復(fù)進(jìn)終了時(shí)的動(dòng)能越小，對(duì)炮架的沖擊越?。?/p>

4）儲(chǔ)氣腔氣壓初值設(shè)置與儲(chǔ)氣腔數(shù)量有關(guān)，因此類型1氣壓初值設(shè)置的最高，類型3設(shè)置的最低，而氣壓值越高，越不利于反后坐裝置氣體密封性能。

5）3種類型反后坐裝置對(duì)后坐部分的受力和身管的擾動(dòng)具有不同的影響，由于復(fù)進(jìn)機(jī)力和駐退機(jī)力在后坐過程中不同步，因此類型1反后坐裝置的1套復(fù)進(jìn)機(jī)和1套駐退機(jī)布局，會(huì)導(dǎo)致后坐部分受到偏轉(zhuǎn)力矩作用，并造成身管的擾動(dòng)，而類型2和類型3反后坐裝置的布局方式能夠使后坐部分受力更均勻，避免產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩作用。

3 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合前述仿真計(jì)算結(jié)果和分析可以得出結(jié)論，由于高射角時(shí)氣壓初值設(shè)置過高不利于密封，以及復(fù)進(jìn)機(jī)力和駐退機(jī)力不對(duì)稱導(dǎo)致后坐部分承受偏轉(zhuǎn)力矩，類型1反后坐裝置的結(jié)構(gòu)類型和布局方式不能適用于具有后坐部分質(zhì)量大、炮口動(dòng)能高等特點(diǎn)的電磁軌道炮；類型3反后坐裝置的結(jié)構(gòu)類型和布局方式雖然能夠改善后坐部分受力，并且具有較小的氣壓值利于密封，但是最大后坐力較大，并且復(fù)進(jìn)末速較高，二者都對(duì)炮架帶來(lái)更大沖擊；而類型2反后坐裝置結(jié)構(gòu)類型和布局方式能夠使最大后坐力和復(fù)進(jìn)末速控制在最小，氣壓值雖然比類型3高，但是是在可行范圍內(nèi)。綜上所述，類型2反后坐裝置結(jié)構(gòu)類型和布局方式在反后坐綜合效能上具有更大的優(yōu)勢(shì)，更適合于電磁軌道炮。

本文進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，由于反后坐裝置結(jié)構(gòu)原因，對(duì)于不同的射角，氣壓初值取值相同（由于電磁軌道炮后坐部分質(zhì)量較大，低射角和高射角工況所需的氣壓初值往往差別較大），這將不利于反后坐裝置在低射角工況下的反后坐效能，在進(jìn)一步的研究中，可考慮能夠隨射角自動(dòng)調(diào)整氣壓的反后坐裝置的設(shè)計(jì)。