奇妙的无后坐发射技术

体会沿着前置侧喷管喷出。此时药室内的压力随之下降，这个压力降以波动形式向前传播，即膨胀波。膨胀波的传播速度等于声速，这种压力下降传到弹底会有时间上的延迟。Kathe教授的团队认为可以利用这一滞后现象，精确控制惯性炮尾打开的时机和速度，使得后喷产生的膨胀波运动赶不上弹丸的运动，可以实现在弹丸动能不降低的前提下，显著降低发射过程中产生的后坐力和身管热量，达到减小后坐、降低身管热量的目的。如图6为膨胀波火炮发射过程示意图。

图6 膨胀波火炮发射过程示意图

至此，膨胀波火炮技术原理的发展已经到了相对成熟的阶段了。由于它充分利用了火药燃气的工作潜能，省去了复杂的反后坐装置，从而在保证炮口威力的同时实现了“轻质轻身”的效果。美国陆军对凯瑟教授的成果十分感兴趣，决定考虑将膨胀波发射技术作为一种可能应用于未来作战系统的技术做进一步的工程化。

工程化

美国陆军决定发展膨胀波火炮后，研制任务自然交由凯瑟教授的小组负责。

研究小组计划将该项目分为两个阶段来进行。第一个阶段为原理验证，主要任务是对膨胀波发射的理论进行深入研究，验证膨胀波火炮装备的可行性，该阶段制造出了35毫米口径的膨胀波火炮原理样机。第二个阶段初样机研制，需要将第一阶段成果分别移植到105毫米多任务武器弹药系统和45毫米COMVAT自动埋头弹系统上，并制造出初样机。

◎第一阶段

在此阶段，凯瑟教授首先运用经过修正的集总参数模型预测膨胀波阵面的位置，并计算了不同口径膨胀波火炮的后喷打开时机。随后杜恩等人与凯瑟教授合作，在求解多相流动的LTCP编码和处理强间断的TVD方法基础上，联合开发了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。

2002年，由于项目组在计算机仿真方面经验的积累和成熟，凯瑟小组选用了瑞士厄利空公司生产的35 毫米高射炮，并委托皮卡汀尼兵工厂对其进行了改装，制造了一门35 毫米的膨胀波火炮原理演示样机。该炮选用了经过改装的、药筒底盖可分离的厄利空KD AA型35 毫米 穿甲弹。图7为35 毫米膨胀波火炮原理样机。

图7 35 毫米膨胀波火炮原理样机

图8 准备实验的35 毫米膨胀波火炮

1-身管，2-复进机，3-架体，4-药室部，5-喷口，6-后坐杆，7-惯性炮闩，8-点火孔。

图8为准备实验的35 毫米膨胀波火炮。发射前先将点火线从惯性炮尾中的点火孔中引出，然后手动启动电子点火器，触发弹药底火，底火进一步引燃发射药。当膛内火药气体压力到达某一数值时，安装在惯性炮闩上的剪切块受到瞬间被间断，膛内火药气体推动惯性炮闩打开；此时膛内火药气体从喷口出喷出，流过喷口的火药气体膨胀，对喷口的斜面进行冲击，可以抵消部分后坐力；惯性炮闩沿着后坐杆自由后坐直到和缓冲器碰撞后停止。试验中共发射了60发弹丸，速度达到了1135 米每秒。结果证明，该火炮在没有损失炮口动能的情况下，其后坐冲量减少了61%，身管受热减少了41%，由于部分火药气体从炮尾排除，其炮口冲击波也减小到原来值的2/3。

◎第二阶段

在35 毫米火炮原理样机成功发射后，凯瑟小组趁热打铁，启动了第二阶段的研究工作，深入分析研究了惯性炮闩的开闩时间、排气速度、闩体受力、反后坐材料、后坐控制、弹药装填和火炮系统整合问题。在2010年，项目组决定将膨胀波发射技术从35 毫米原理样机上移植到105 毫米多用途武器弹药系统和45毫米 COMVAT自动埋头弹系统上。

多任务武器弹药系统在2001年由通用动力公司提出，曾打算作为“未来战斗系统”中的进攻主力，具有接触作战、大纵深作战等多种战场环境下的全方位火力打击、压制、支援能力。

图9所示为安装在多任务武器弹药系统上的105 毫米膨胀波火炮。研究小组为该炮设计了新型反后坐装置并改进了惯性炮闩。当惯性炮闩后坐时，喷口也跟着一起后坐，后坐速度可由新型的反后坐装置进行控制，这样可延长后喷气体对炮尾的推力作用时间，大幅度减小后坐力。

图9 处于台架实验的105 毫米膨胀波火炮

图10 发射中的105 毫米膨胀波火炮

为了测试105 毫米膨胀波火炮的发射性能，研究小组在俄亥俄州伊利湖靶场进行了第一次试发试验，如图10所示。共发射了炮弹14发，炮口初速达到1370米每秒，结果优于35 毫米样机。

由于膨胀波火炮采用了特殊炮尾结构，故传统的弹药装填机构不再适合于该火炮。为此，项目组专门研发了一种叫做摆动药室（swing chamber）的弹药装填方案，可快速装填常规弹药或埋头弹药。该摆动药室装填系统主要由供弹机和摆动输弹机两部分组成。图11为供弹机，改进自美国75毫米 XM-274轻型坦克炮的弹药自动装填系统。供弹装置由一个可储存6发弹丸的立式回转弹仓和一个提弹装置组成，供弹速度为每分钟15～20发。

图11 供弹装置

图12所示为摆动输弹机的工作原理图：首先，摆动药室在伺服电机的驱动下转动90度，对准供弹装置，为如图12所示；然后供弹机的立式弹仓转动，使待击发弹丸对准摆动药室；提弹装置开始工作，带动半柔性提弹链条将弹丸推入摆动药室；最后摆动药室在伺服电机的驱动下向上转动90度，和火炮身管对齐，完成弹丸装填工作。

图12 摆动药室装填方案

图13所示为美国防务技术公司研制的105毫米口径的埋头弹药系统。

图13 105毫米口径的埋头弹药系统

图14所示为装备有105毫米膨胀波火炮的多任务武器弹药系统概念图。

图14 多任务武器弹药系统概念图

此外，项目组也曾考虑过将一门45毫米口径膨胀波火炮安装在“粗齿锯”无人驾驶车辆平台上发射。如图15所示为该45毫米口径火炮虚拟样机图。项目组研究人员分别使用了传统的密封炮尾火炮和惯性炮尾膨胀波火炮，并分别进行了发射对比试验，共射弹25发。试验结果表明，采用了惯性炮尾的膨胀波火炮对比传统炮尾密封的火炮，初速损失约为22%，但是身管发热量仅为47%，后坐位移为5%。

图15 45毫米口径膨胀波火炮虚拟样机图

图16所示为装有45毫米 膨胀波火炮的粗齿锯（RIPSAW）无人驾驶车辆平台。

图16 “粗齿锯”无人驾驶车辆平台

结语

美国作为膨胀波火炮研究的发起国，已经对膨胀波火炮的发射机理、发射过程、发射性能、火炮结构及发射动力学特性等方面进行了较为全面、系统的研究分析，长期以来也积累了一定的工程实践经验，目前在该领域处于世界领先地位。

但对于这种新理念的武器系统，在理论研究及实际应用方面仍然存在一些问题，具体包括以下几个方面：

首先，当前用于膨胀波火炮的惯性炮尾后喷装置工作可靠性高，但其打开过程难以精确控制，如何精确控制后喷打开过程，能否开发其他打开方式的后喷装置，有待进一步研究。

其次，膨胀波火炮的装药结构和点火结构均比较复杂，膛内流场呈现多维效应。特别是后喷装置打开后燃气后喷，加大了膛内两相湍流脉动效应。为此需要建立膨胀波火炮的多维两相流模型以及湍流两相流模型，这是膨胀波发射技术应用于大口径火炮所必须解决的问题。

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