低后坐力武器噴管推力特性研究*

郭保全，黃 通，丁 寧，武憲威，欒成龍

(1 中北大學機電工程學院，太原 030051；2 中北大學軍民融合協(xié)同創(chuàng)新研究院，太原 030051)

0 引言

利用內能源技術降低槍炮發(fā)射時產生的巨大后坐力，一直是國內外身管武器減后坐技術研究的重點[1]。目前內能源減后坐技術主要有兩個方面，即以控制膛口氣流為核心的膛口制退技術[2]和以產生后噴動量為核心的無后坐技術[3]。其中無后坐技術由于降低后坐力效率較高，適合于輕量化高機動武器發(fā)展，近年來得到了研究學者的廣泛關注。

早期的無后坐技術直接利用膛內的火藥燃氣向后噴出進行動量平衡，造成了火藥能源的浪費，也使得發(fā)射特征增大，不利于戰(zhàn)場生存。為此，相關研究人員在氣流出口處安裝了噴管，使得流出噴管的氣流速度增加，從而減小了噴出的氣流量，提高了燃氣利用效率，減弱了發(fā)射特征，同時噴管還將高溫燃氣能量通過膨脹加速，為發(fā)射裝置提供了一定的反推力，降低了發(fā)射裝置所受的后坐力，有利于發(fā)射裝置的穩(wěn)定[4]。然而，目前針對噴管對無后坐技術武器作用效力的研究相對較少，主要還是集中于該型發(fā)射技術的內彈道研究上[5-6]。

文中以某型低后坐力武器為研究對象，針對噴管對后坐力的作用效力，重點研究低后坐力武器射擊狀態(tài)下的噴管流場特性和推力特性，分析了低后坐力武器噴管的作用過程，并根據特性仿真結果探究了噴管結構參數(shù)對推力特性的影響，研究結果可以為低后坐力武器的設計工作提供依據。

1 基本原理

噴管是產生推力的結構部件，主要是將火藥燃氣的熱能轉換為動能，從而形成高速燃氣射流向后噴出產生推力，其結構如圖1所示，按照型面變化可以分為收斂部、喉部和擴張部。

圖1 噴管結構圖

噴管推力主要是由動量推力和靜推力組成，其中，動量推力表現(xiàn)為火藥燃氣后噴產生的后噴動量；靜推力由火藥燃氣在噴管處膨脹做功，作用在噴管擴張部的內壁面。火藥燃氣通過噴管作用在發(fā)射裝置上的不平衡力是影響低后坐力武器射擊穩(wěn)定性的主要因素，主要由型面阻力、靜推力和摩擦阻力組成。即：

F=Ftj+Ffx+Ffz

(1)

式中：F為噴管不平衡力；Ftj為噴管靜推力；Ffx為型面阻力；Ffz為摩擦阻力。

2 推力特性分析

2.1 模型建立

文中以某型82 mm無后坐力炮尾噴管為研究對象，已知其藥室部半徑r1=46 mm，尾噴管喉部半徑r2=34 mm，尾噴管出口部半徑r3=70 mm，收斂部長度l1=33 mm，喉部長度l2=10 mm，擴張部長度l3=210 mm。

建立噴管模型計算區(qū)域如圖2所示，其中，區(qū)域1為無后坐力炮尾噴管的計算域，區(qū)域2為羽流的計算域，AB為氣流入口，定義為壓力入口邊界，AC和BD為簡化的噴管無厚度壁面，定義為無滑絕熱壁面，EFG和HMN為外流場入口，定義為壓力遠場邊界，EC、HD和GN為羽流流場出口，定義為壓力出口邊界。

2.2 噴管作用過程

低后坐力武器發(fā)射時，隨著火藥的燃燒，膛內壓力增大，火藥燃氣推動彈丸向前運動，部分火藥燃氣向后運動，產生后噴動量。如表1所示，在火藥燃氣作用初期，燃氣推動膛內空氣向后運動。首先作用在收斂部內壁面，然后經喉部壓縮后噴出，迅速碰撞作用在擴張部內壁面；其后，隨著火藥繼續(xù)燃燒，膛內壓力的不斷升高，高溫高壓燃氣噴出喉部，在噴管尾部形成超音速燃氣泡，帶動并吸附擴張部內壁面附近空氣，在擴張部內壁面形成低壓區(qū)；當膛內壓力開始下降時，由于作用壓力下降，噴出喉部的火藥燃氣開始膨脹，向周圍擴散，逐漸作用在噴管擴張部內壁面上，形成向外的作用力；隨著膛內壓力的繼續(xù)下降，作用在噴管擴張部內壁面的火藥燃氣壓強開始下降，并逐漸下降到等大氣壓。

圖2 模型計算區(qū)域

2.3 數(shù)值模擬與分析

火藥燃氣通過噴管作用在發(fā)射裝置上的力是影響低后坐力武器射擊穩(wěn)定性的主要因素，其主要由收縮部的型面阻力與擴張部的靜推力組成。由于噴管收縮部位于內膛底部，型面阻力主要受到膛內壓力的影響。如圖3所示，在火藥燃氣開始作用的瞬間，型面阻力出現(xiàn)阻力峰值，該現(xiàn)象與文獻[7]和文獻[8]的研究結果一致，這是由于膛壓瞬間升高推動膛內原有空氣快速向后運動，使得作用在收縮面上的壓力迅速增大，因為膛內空氣有限，型面阻力在出現(xiàn)阻力峰值后迅速回落，然后隨著膛壓的變化而波動變化。

靜推力作用在噴管擴張部內壁面形成向前的推力，在低后坐力武器中用于抵消部分型面阻力，保持射擊穩(wěn)定性。噴管靜推力變化規(guī)律如圖4所示。

在火藥燃氣開始作用瞬間，噴管靜推力也出現(xiàn)推力峰值，但與收縮部型面阻力峰值現(xiàn)象相比，噴管推力峰值出現(xiàn)的時間相對靠后，這是因為兩個力作用位置先后的影響，型面阻力作用的收縮部相對靠前，同時噴管推力峰值大于型面阻力峰值，這是由于氣流經過噴管喉部流速增大，迅速膨脹后壓力增加，作用在擴張部內壁，直至高溫高壓的火藥燃氣噴出喉部，推力峰值回落；此時，高壓燃氣沖出噴管，在噴管尾部產生一個超音速燃氣泡，使得噴管尾部出現(xiàn)類似的“抽真空”現(xiàn)象，形成噴管負推力，直至膛內燃氣壓力下降，噴出噴管喉部的燃氣進入欠膨脹狀態(tài)，作用在擴張部內壁面的壓強逐漸升高，隨著膛內壓力的繼續(xù)下降，作用在擴張部內壁面的壓強開始下降，因此噴管靜推力在火藥燃氣作用的中后期呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律。

表1 噴管燃氣射流典型時刻狀態(tài)變量

圖3 型面阻力變化規(guī)律

圖4 噴管靜推力變化規(guī)律

在噴管處產生的不平衡力如圖5所示，該力整體上呈現(xiàn)出先振蕩后趨于平緩的趨勢。在射擊初期中，由于受到噴管結構和膛內空氣的影響，不平衡力產生振蕩且峰值出現(xiàn)，其后隨著膛壓的變化而逐漸變化并趨于平穩(wěn)。

3 參數(shù)分析

3.1 收斂半角

收斂半角對低后坐力武器噴管不平衡力的影響如表2所示。顯然，收斂半角的變化對不平衡力的影響較小，隨著收斂半角的增大，不平衡力逐漸增大，但增幅較低。這是由于隨著收斂半角增大，收斂部對火藥燃氣的阻礙作用增強，使得收斂部內壁面壓力升高，流速降低。內壁面壓力升高引起噴管型面阻力增大，流速降低使得噴出喉部的燃氣膨脹率升高，作用在噴管擴張部的靜推力也增大，作用力的變化如圖6所示，收斂半角對低后坐力武器噴管不平衡力的影響較小，較小的收斂半角容易造成圓錐部尺寸增加，但較大的收斂半角也使得作用在噴管前后的型面阻力和靜推力均增大，對噴管的強度提出了較高的要求。

圖6 不同收斂半角對不平衡力的影響

3.2 喉部直徑

喉部直徑是噴管重要的結構尺寸，直接影響到噴管的性能。在低后坐力武器中，噴管喉部的出現(xiàn)是為了提高火藥燃燒效率和燃氣作用效率，同時也產生了型面阻力。當然，也有部分低后坐力武器噴管不存在喉部，喉部直徑對低后坐力武器不平衡力的影響如圖7所示。

圖7 不同喉部直徑對不平衡力的影響

由圖7可知:隨著喉部直徑的增大，噴管對火藥燃氣的作用逐漸減小，噴管不平衡力減小，隨著喉部直徑的減小，噴管對火藥燃氣的作用增大，不平衡力增加，燃氣作用初期的不平衡力振蕩也開始增加，不利于射擊穩(wěn)定。

3.3 面積比

面積比是噴管結構設計中的重要參數(shù)，不同的面積比對應噴管不同的膨脹狀態(tài)，在保證噴管長度不變的前提下，面積比對噴管推力的影響如圖8所示。在較大面積比時，由于氣體能夠迅速膨脹，使得前期噴管推力峰值較大，作用時間較短，而到了中期，由于膛內壓力的增大，在噴管尾部產生了一個超音速燃氣泡，噴管擴張部內壁“抽真空”現(xiàn)象較為明顯；而在較小的面積比時，前期氣體無法迅速膨脹，峰值較小，作用時間較長，中后期負推力現(xiàn)象不明顯。

4 結論

通過對低后坐力武器噴管流場特性和推力特性進行研究，得出以下結論：

1)低后坐力武器噴管在火藥燃氣開始作用瞬間推力急劇增大；在燃氣作用初期由于膛內壓力較大，火藥燃氣在噴管尾部形成低壓區(qū)產生負推力；在燃氣作用中后期，噴管推力呈現(xiàn)出先增大后減小且幅值較小的變化。

2)收斂半角對低后坐力武器噴管不平衡力影響較小；喉部直徑越小，不平衡力越大，振蕩現(xiàn)象越強；面積比越小，噴管推力峰值越大，負推力現(xiàn)象越明顯。

圖8 不同面積比對不平衡力的影響