膨胀波火炮原理及最新研究进展专业：火炮、自动武器与弹药工程膨胀波火炮原理及最新研究进展1膨胀波火炮的研究背景、发射原理及优势1・1膨胀波火炮出现的背景随着军事科技的飞速发展，各个军事强国相继提出自己对新一代火炮的改进 要求这些要求包括火炮系统的重量、最大射程、精确性以及威力、快速反应机 动能力、生存性等常规火炮由于自身结构以及发射方式的制约，发射过程中产 生的巨大后坐及高身管热量，使其无法满足上述要求为了解决常规火炮存在的 性能缺陷，提升总体作战能力以适应现代战争的需要，降低发射过程中产生的后 坐力和身管热量是首要解决的问题各国专家分别提出来各种各样的减后坐减重 方法基于新发射机理而研制的膨胀波火炮系统，就是其中一种，其在不影响作 战威力的前提下，显著降低发射过程中产生的后坐力和身管热量，成为了当前解 决这一制约常规火炮作战性能的有效途径，同时由于在技术实现上不存在任何难 以逾越的问题，而成为了能够较早投入使用的新型低后坐火炮武器1.2膨胀波火炮的发射原理在火炮发射过程中，如果炮尾突然打开，药室内火药燃气在压力梯度作用下， 从炮尾高速向后喷出，药室内燃气压力迅速下降，这种下降现象被称为“膨胀波” 或者“火药燃气稀释”现象。
药室内压力下降现象在炮膛内的扩展速度膨胀波传 播速度和声波的传播速度是相同的，因此压力下降现象传播到弹底存在一个时间 的滞后，膨胀波火炮正是利用这一延迟特性，在炮尾加装后喷装置，通过控制后 喷装置的打开时机和打开速度，利用燃气后喷产生的前冲量及后喷动能实现减小 后坐和降低身管热量的目的如果能够精确地控制后喷装置的打开时机，使膨胀 波在弹丸飞离炮口前追赶不上弹丸即可实现在不影响弹丸初速的条件下减小后 坐和降低身管热量可以说，膨胀波火炮在后喷装置打开前与常规闭膛火炮的发 射过程是一致的，在后喷装置打开后与无后坐炮的发射过程相类似，只是在性能 上有较大的改进下图即为膨胀波火炮的发射原理图Nozzle图1膨胀波火炮发射原理图1.3膨胀波火炮的优势由于膨胀波火炮的发射方式比较新颖，其带来的优势也比较明显：（1） 减小或消除后坐 在膨胀波火炮发射过程中，膛内火药燃气后喷产生 的前冲量将显著的减小发射过程中产生的后坐2） 减轻身管烧蚀 在膨胀波火炮发射过程中，由于膛内大量火药燃气的 后喷，身管升温现象及冲刷腐蚀现象均得到了减轻3） 提高发射速度后坐冲量的减小使得膨胀波火炮后坐周期可以缩短， 身管升温情况得到改善使得膨胀波火炮单位时间内可以承受更多次弹丸的发射， 此外膛内火药燃气的二次排放通过膛口和后喷装置使其排出时间缩短。
以上因素 使得膨胀波火炮可以获得更大的爆发射速和持续射速4) 减小炮口焰及炮口冲击波膨胀波火炮通过引入后喷装置，将常规闭 膛火炮炮口燃气一次性排放分解成两次排放，减小了用于生成炮口焰和发射征候 的能量，减轻了炮口冲击效应5) 减轻重量后坐冲量的减小使得膨胀波火炮不需配备复杂的后坐缓冲 装置，身管受热及烧蚀腐蚀作用的减轻使得身管变薄变轻，结合先进的复合材料 技术，与常规火炮相比，膨胀波火炮的重量可减轻一半甚至更多6) 提高持续作战能力 使用体积小、重量轻、坚固耐用的炮弹能够大大 减轻炮弹的再补给负担与常规火炮相比，膨胀波火炮能够携载更多的炮弹，从 而提高了火炮的持续作战能力7) 清洁药室当采用可燃药筒时，最大的缺点是设计时必须处理好可燃 药筒的结构刚度、快速的炮尾闭锁方法和火药残渣允许量三者之间的关系膨胀 波火炮利用燃气后喷产生的超音速气流能够清除膛内的余烬、残渣和碎片，保持 药室清洁2国内外的研究情况及最新进展2.1国外的研究情况2・1・1膨胀波火炮发射过程的理论研究在膨胀波火炮研制初期，Kathe运用经过修正的集总参数模型预测膨胀波波 阵面的位置，并计算了不同口径膨胀波火炮的后喷打开时机。
随后Dunn等人与 Kathe以为首的研究小组，利用在求解多相流动的LTCP编码和处理强间断的 TVD方法基础上，联合开发的能够处理具有移动边界和附加质量的火药燃烧内 弹道模型的GTBL编码，对于膨胀波火炮膛内的两相燃烧流动现象进行求解分 析，并与采用NOVA编码得到的结果进行比较，所得结果除了弹底气相温度等 个别结果有所偏差外，其余均有较好的一致性随着膨胀波火炮研制工作的顺利 开展，Kathe以博士论文的形式，对膨胀波火炮的发射机理、发射过程进行了系 统的阐述，并给出了膨胀波火炮的具体结构随后Coffee在总结用于求解内弹 道模型的各类编码的基础上，结合用于求解液体发射火炮内弹道过程的计算程 序，采用基于有限容积的ALE编码对35mm 口径膨胀波火炮内弹道过程进行数 值仿真，给出了不同后喷结构方案下的内弹道过程及后坐运动特性分析2.1.2膨胀波火炮发射过程实验研究在膨胀波火炮研制开发的过程中，实验室以Kathe为首的研究小组，为了测 试膨胀波火炮的发射性能而进行了相关的试验研究2001年8月，在俄亥俄州 伊利湖靶场进行了膨胀波火炮的第一次试发实验，该实验使用的样炮是由 105mm多用途火炮和弹药系统的武器部件及转膛装填系统结合瑞士高射炮炮身 改装而成的，发射弹药选用的是经过改装的药筒底盖可分离的35mm炮弹。
在测 试过程中，针对不同的后喷结构进行了次试发试验，通过布置在身管不同位置处 的测压点和测温点、炮口初速测试装置、后坐测试装置以及高速摄像仪，记录了 发射过程中，膛内各位置处的压力和温度的变化、膨胀波波阵面的推进过程以及 弹丸初速和后坐力的数值，取得了良好的实验结果随后，阿瑞斯军械公司又将 M1A2主战坦克上装备的M256型120mm滑膛炮改装成膨胀波样炮，并将其安 装在轻型装甲车辆底盘上，同时利用动能穿甲弹改装成一些试发炮弹进行相关的 试发实验，但目前尚未见到有相关实验成果公布2.2国内的研究情况2.2.1膨胀波火炮内弹道的理论研究国内最先研究膨胀波火炮的是南京理工大学的张帆，张帆于2006年撰文探 讨了膨胀波枪炮的内弹道机理在文章中，他在均相流膨胀波枪炮内弹道模型的 基础上，运用两相流理论简历膨胀波枪炮内弹道模型并将整个发射过程划分为4 个阶段同时他还编写了计算程序，并以14.5mm制式机枪、14.5mm膨胀波弹 道枪和14.5mm无后坐力弹道枪3种武器为对象进行了计算最后得出结论是对 于膨胀波枪炮而言，如果膛底在某一时刻打开后从膛底发出的膨胀波能够在弹 丸出膛口时追上弹丸底部，则这一时刻就是膛底打开的最佳时间。
以此为判据可 以算出，膛底打开最佳时刻在弹丸启动后的1.667ms因此膨胀波枪炮能够减小 后坐而不会降低弹丸初速结果表明，14.5mm膨胀波弹道枪在基本不降低枪炮 初速的前提下能减少59%的后坐动量2008年该作者研发了膨胀波弹道枪的新 型结构，指出喷孔前置式膨胀波弹道枪在结构参数匹配合理的情况下，可以不降 低弹丸初速并可以降低40.56%的后坐动量同时他也分析了影响膨胀波火炮性 能的各种因素，比如最佳开尾时间对初速和降低后坐效率的影响、装填条件以及 装药量对发射性能的影响以及尾喷管设计参数对发射性能的影响随后南京理工大学的王颖泽对膨胀波火炮的身管振动响应进行了分析他根 据膨胀波火炮发射过程中身管实际受载情况，联立内弹道方程组，建立了计及身 管柔性响应的振动响应方程采用Rayleigh-Ritz模态法对振动犯错解耦离散， 得到便于数值求解的二阶时变方程组通过数值求解给出了膨胀波新发射机理发 射过程中的振动响应规律以及不同参数条件下内弹道性能与身管振动响应间的 关系，其结论是在相同炮口速度下，膨胀波火炮身管的振动效应要小于传统闭膛 火炮身管的振动效应，验证了膨胀波火炮系统的整体优越性2009年，该作者 对对膨胀波火炮后喷装置的流场进行了分析，作者将内弹道程序嵌入到Fluent 中进行耦合计算，结果显示不同喷管结构的流场的后喷流量、后效期范围、温度 场、压力场等。
并且认为，在三种不同的喷管结构中，I型喷管的在减小后坐冲 量和身管热量方面具有较好的效果随后作者有对膨胀波在膛内传播规律进行了 研究，他结合膨胀波火炮系统的发射机理和气体动力学相关理论，分析了膨胀波 在膛内的传播特性，并在此基础上结合膨胀波火炮两相流内弹道方程，利用膛内 压降沿轴向传递现象对膨胀波进行扑捉计算，结果发现，膨胀波在膛内传播速度 呈现不规则分布，其中间阶段速度上升幅度较明显，而且传播距离近似线性分布, 随着后喷打开时机的推迟，膨胀波的传播速度及传播距离有所增大最后该作者 还对膨胀波火炮两相流内弹道性能进行了分析，作者选用了 35mm膨胀波火炮, 采用惯性炮尾，经过计算发现，膨胀波火炮在不减小弹丸初速的情况下后坐冲量 减小53.04%，身管燃气内能减小50.42%南京理工大学的陈新也对膨胀波火炮后喷装置冲击波流场进行了数值仿真， 他采用一阶精度的迎风总差分变小格式以及自适应网格技术其结果表明，随着 时间的推进，主冲击波到达地面，并在地面上发生反射，在0.88ms时，出现最 大压力点，位于喷口水平方向1.15m处他认为其仿真可以确定膨胀波火炮后喷 冲击波的危险区域，并因此确定试验台的高度以及防护装置的厚度和距离。
西北机电工程研究所的岳文龙对膨胀波火炮的内弹道进行了初步的研究，他 采用一维非定常两相流方程最后的结论是，如果后喷装置打开时机适当，则炮 内压降刚好在弹丸出炮口时到达弹底，这时对弹丸的初速几乎没有任何影响而 且后坐动量减少的百分比随着闩体质量的增大而增大，随着喷管膨胀比的增大而 增大2011年，军械工程研究院的张小嘎对双门式炮闩膨胀波火炮最佳开闩时机 进行了研究其认为，最新设计的双门式炮闩摆脱了闩体导杆式的结构模式，使 结构布局更加合理，操作更加简单，维护保养更加方便他认为采用反推法，选 取弹丸出炮口时刻为初始时刻，以炮口截面中心为初始计算位置，进行倒推计算， 进而得到最佳开闩时机随后他又研究了装填条件对膨胀波火炮发射性能的影 响，最后研究发现，药室容积增大对开闩时机影响最大，对温度减小率影响最小 装药量对开闩时机影响最大，对温度减小率影响最小弹丸质量增大会引起最大 膛压升高和初速的降低，同时后坐动量增大对温度减小率几乎没有影响军械工程学院的支建庄也对膨胀波火炮进行了研究，他研究了惯性炮尾的膨 胀波火炮，最后认为膨胀波火炮后效期提前结束率为41.9%，身管温度减小率为 34.1%，后坐冲量减小率为88.3%。
2.2.2膨胀波火炮发射过程实验研究国内的实验只有南京理工大学的张帆做过，他将67-2式7.62mm轻重两用 机枪改装成喷气反推式低后坐实验枪和喷孔前置式膨胀波实验枪进行了实验在 实验中主要测定了弹丸的初速、枪身后坐动量、膛压三个参量，其中测量弹丸初 速和枪身后坐动量的目的是研究两种枪械的主要性能——后坐减小率和弹丸初 速损失比，而测量膛压的目的则是主要为了验证内弹道仿真计算程序结果的准确 性在试验中，作者加工了两根枪管，导气孔的位置也不相同，同时采用了不同 的活塞和不同的尾部喷管组后作者得出结论：由于延迟通气阀的作用，在结构 参数相同的情况下喷孔前置式膨胀波实验枪的弹丸初速比喷气反推式低后坐实 验枪要高，但是减后坐效率较低，一般在26.5%左右。