杨 卓，王 刚，周 峰

(1.中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051；2.重庆长风机器有限责任公司，重庆 402264)

反器材步枪膛口装置设计与仿真

杨 卓1，王 刚1，周 峰2

(1.中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051；2.重庆长风机器有限责任公司，重庆 402264)

某反器材步枪膛口装置为两腔冲击式制退器，由于结构设计原因，枪手在射击时，制退器后喷的火药燃气会产生较大的冲击波﹑声响及火焰，对射手容易造成伤害。为了解膛口装置制退效率的影响因素，优化其结构使其在相同制退效率下，减小冲击波等对射手的伤害，根据三维非定常Euler方程，利用Fluent软件对弹丸飞离改进后膛口装置时的流场建模并进行仿真，并利用Matlab软件编程对其制退效率进行了数值计算，两者结果相符。结果分析表明：优化后制退器可在保证相同制退效率下，有效地减小冲击波大小，可为解决同类问题提供有价值的借鉴。

膛口制退器；制退效率；流体仿真；冲击波

反器材步枪采用大口径高破坏力的弹药，后坐力大，枪口多采用制退器。制退器是一种减小枪口后坐能量的膛口装置。某反器材步枪原制退器为两腔冲击式制退器，利用火药气体冲击制退器前壁提供制退力，由于反射面积，侧孔入口面积及出口面积较大，制退器向后排出的火药燃气产生较大的冲击波、声响和火焰，对射手容易造成伤害[1]。因此，需要在上述制退器的基础上进行改进设计，采用反作用式制退器，利用Matlab软件结合美国工程手册方法进行编程对侧孔面积Ai、中央弹孔面积Acpi和侧孔角度φgi3个参数进行优化[2-4],并利用Fluent软件对膛口装置建立三维仿真模型，仿真对比两个制退器的冲击波压力值证明改进后制退器在相同制退效率的情况下，可有效减小冲击波、火焰对射手的伤害[5-6]。

1 原制退器与改进后制退器对比

1.1 结构模型对比

原两腔冲击式膛口制退器的结构特点是腔室直径较大，两侧具有大面积侧孔，前方带有一定角度的反射挡板。这种结构依靠大面积的反射板和大侧孔获得较大的侧孔流量及较大的气流速度，气流方向取决于挡板导流面的角度和长度。为了进一步利用从中央弹孔向前流出的这部分气体，大部分冲击式制退器都采用双腔式结构，其结构如图1所示。

改进设计的反作用式制退器的结构特点是腔室直径很小，侧孔多排布置，火药气体进入腔室后，膨胀不大，仍保持较高的压力，其中一部分气体继续向前，从中央弹孔流出，另一部分气体则经侧孔二次膨胀后流出，其速度由侧孔控制，如图2所示。

1.2 反作用式膛口制退器制退效率计算方法

改进的奥尔洛夫方法、斯鲁霍斯基方法和美国工程设计手册方法是目前计算膛口制退器效率的三种理论计算模型。笔者采用美国工程设计手册方法，因为该方法特点是考虑了膛口制退器侧孔中火药气体的二次膨胀，主要用于反作用式制退器，根据制退器各出口截面气流的动量率求出膛口制退器的冲量特征量，由后效期枪膛流空的理论公式求出后效期枪膛合力全冲量，进而求出膛口制退器的制退效率。

其制退效率ηT为

(1)

式中：βT、β分别为带膛口装置和不带膛口装置的火药气体作用系数；ω为装药量；m为弹丸质量。

首先计算各面积膨胀比νc和νe(以两排孔为例)为

(2)

式中：A为炮膛截面积；A1、A2分别为侧孔入口面积；Acp1、Acp2分别为中央弹孔面积；Ae1和Ae2分别为侧孔出口面积。

可利用式(3)计算出与νc和νe对应的增速系数λc和λe：

(3)

式中k为绝热指数。

计算侧孔相对流量系数γ1、γ2为

(4)

继而计算膛口制退器制退系数λT为

(5)

式中：φgi为侧孔角度；ψ为修正系数。

计算膛口制退器冲量特征值χ为

(6)

计算无膛口制退器时后效期炮膛合力全冲量Ih为

(7)

火药气体作用系数为

(8)

式中v0为枪口初速。

将以上结果代入制退效率计算公式即可得制退效率值。

2 计算结果中影响因素的分析

上述结构设计主要针对3个参数中央弹孔直径、侧孔直径及孔道几何轴线与腔室轴线夹角进行分析计算，分别在一定的范围取值来分析3个参数对制退效率值的影响。反作用式制退器腔室侧孔倾角取 110°～150°中的不同值；侧孔入口直径分别取6、8、10 mm；6排侧孔布置，每排4个侧孔分置两侧；中央弹孔面积分别取14、20、27 mm；并分别进行Matlab软件优化设计分析上述参数取值不同时对制退效率的影响。

以反器材步枪的膛口制退器为背景，选取中央弹孔直径d、侧孔入口直径d1及出口直径d2(其中d1=d2)及侧孔倾角φgi3个参数对制退效率值的影响分析，计算结果如图3～图5所示。

从以上3个图可以得出以下结论：

1)膛口制退器效率值与侧孔倾角、侧孔入口及出口直径及中央弹孔面积3个参数有关。膛口制退器的效率值对于侧孔倾角取值最为敏感，其次为侧孔入口及出口直径，最不敏感的为中央弹孔直径。

2)在对原冲击式制退器的结构分析基础上，改进设计的反作用式制退器采用侧孔倾角120°，中央弹孔直径在20～27 mm之间，侧孔入口直径6～10 mm等参数时制退效率值与原冲击式制退器效率值42%相近。出于对制退器重量控制的考虑，中央弹孔面积应尽量大些，所以采用中央弹孔直径为27 mm，侧孔直径为10 mm最为合适。

原膛口制退器A与改进后的膛口制退器B的性能分析比较如表1所示。

表1 性能参数比较表

3 流场仿真研究

3.1 模型计算边界条件及初始条件

建立以身管中轴线为中心线，半径为1 m、距膛口制退器前、后端面分别向前、后各1 m的1/4圆柱形计算区域。膛口流场的边界条件有：固壁边界、对称边界及出口边界。膛底、身管以及制退器壁面设置边界条件为固壁，对称面设置为对称边界条件，圆柱形区域的端面及圆柱面设置为压力出口。弹丸离开膛口，火药气体开始向外流出的时刻，即内弹道结束的时刻是膛口流场计算的初始时刻，此时膛内火药气体高温、高压状态和膛外大气压状态作为计算的初始状态，以内弹道计算结束时的膛内参数分布对膛内区域进行初始化，以大气压条件初始化膛外区域，以此作为流场模拟的初始条件。其初始膛内变化曲线如图6和图7所示。

3.2原制退器与改进后制退器流场速度云图及射手位置冲击波压力对比

基于三维非定常Euler方程及结构化动网格技术，对弹丸飞离膛口制退器过程中膛口流场的发展过程利用Fluent软件进行流场仿真，分别得出两个制退器的膛口流场速度云图，如图8和图9所示。

从图8与图9对比可以得出以下结论：在气体流量分配方面，原制退器对气体的导向主要为侧后方，且冲击波较大，因此容易对射手造成伤害，而改进后的制退器气体导向主要为正前方，大幅减小了侧后方向气流流量及冲击波，从而减轻了对射手的伤害。

对冲击波大小进行对比，并在膛口后0.8 m设定冲击波压力监测点，射手位置冲击波压力随时间变化曲线如图10所示。

由图10可以看出：在4 ms时，改进后制退器B对火药燃气的导向在射手位置的峰值压力值为0.110 MPa，而原制退器A为0.113 MPa。在1个标准大气压0.101 KPa的基础上,改进后的制退器B比原制退器A的超压值减小了约25%，在制退效率相同的情况下，有效减轻了冲击波对射手的伤害。

4 结束语

从以上分析来看，改进设计的反作用式制退器在与原冲击式制退器的效率相同的情况下，采用侧孔倾角φgi=120°，多排侧孔布置的结构特点，中央弹孔直径相对原结构增大;同时采用无腔室的结构，使得质量大大减轻。上述结构特点有效地减小了火药燃气在后效期间产生的冲击波、火焰对射击人员的伤害，使作战效率大大提高。

References)

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DesignandSimulationofMuzzleBrakeinAnti-materielRifle

YANG Zhuo1，WANG Gang1，ZHOU Feng2

(1.Mechatronic Engineering College,North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China；2.Chongqing Changfeng Limited Liability Company, Chongqing 402264, China)

The muzzle brake of an anti-materiel rifle is the impacted muzzle brake with two ca-vities. Due to its structural design, when the shooter is shooting, gunpowder gas backfired by the muzzle brake will produce a lot of the shock waves, noise and flame, this will be harm to the shooter. In order to understand the effect factors of the recoil efficiency of the rifle muzzle brake, and optimize its structure to decrease the harm to the shooter under condition of the same recoil efficiency, the process of projectile flying away from a three-dimensional muzzle brake was simulated by use of the three-dimensional unsteady Euler equations and the Fluent software. Moreover, the recoil efficiency of the muzzle brake was calculated by means of the Matlab software, and the two results were consistent. The results showed that the improved muzzle brake of the equal efficiency can effectively reduce the shock wave, and can also provide valuable reference for solving the similar problems.

muzzle brake；recoil efficiency；fluid simulation；shock wave

2014-03-28；

2014-06-25

杨卓(1963-)，男，硕士研究生，主要从事火炮自动机设计技术研究。E-mail：475373864@qq.com

TJ303+.2

A

1673-6524(2014)04-0016-04