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反后坐装置课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解反后坐装置的基本原理，掌握其结构组成和工作机制。
2. 学生能了解反后坐装置在军事和民用领域的应用，认识到其在科技发展中的重要性。
3. 学生掌握与反后坐装置相关的物理知识，如力学、运动学原理等。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，分析反后坐装置在实际应用中的优缺点。
2. 学生能够通过小组合作，设计简单的反后坐装置模型，并展示其功能。
3. 学生能够运用科学探究方法，针对反后坐装置进行实验操作和数据收集，提高实践能力。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对军事科技的兴趣，激发学习热情，提高国家自豪感。
2. 学生在学习过程中，培养团队协作精神，增强沟通与表达能力。
3. 学生能够关注反后坐装置在环境保护和可持续发展方面的意义，树立正确的社会责任感。
本课程针对高年级学生，结合学科性质，注重理论与实践相结合，提高学生的科学素养。
课程设计充分考虑学生的认知特点，激发学生的学习兴趣，培养其创新精神和实践能力。
通过课程学习，使学生能够掌握反后坐装置相关知识，为未来在相关领域的发展奠定基础。
二、教学内容本章节教学内容主要包括以下三个方面：1. 反后坐装置基本原理及其结构组成- 引导学生了解反后坐装置的定义、作用及其在军事和民用领域的重要性。
- 详细讲解反后坐装置的结构组成，包括弹簧、液压系统、缓冲器等部件。
- 分析反后坐装置工作原理，如力的作用、能量转换等。
2. 反后坐装置的应用案例及优缺点分析- 介绍反后坐装置在不同武器系统中的应用，如坦克、火炮等。
- 分析各种应用案例的优缺点，讨论反后坐装置对武器性能的影响。
3. 反后坐装置模型设计与制作- 教授学生如何运用所学知识，设计简单的反后坐装置模型。
- 指导学生进行小组合作，完成反后坐装置模型的设计、制作和功能展示。
- 安排实验课程，让学生亲自动手操作，提高实践能力。
教学内容依据课程目标制定，注重科学性和系统性。
教学大纲明确教学内容安排和进度，结合教材相关章节，确保学生能够系统地学习和掌握反后坐装置知识。
目录1.自由后坐诸元的计算1.1膛内时期自由后坐诸元计算1.2后效期自由后坐诸元计算1.2.1火药气体作用系数1.2.2后效期开始时炮膛合力1.2.3 时间常数和后效期作用时间1.2.4炮口制退器冲量特征量1.2.5有炮口制退器自由后坐诸元计算2.后坐制动图和后坐制动诸元2.1制定后坐制动图2.2.求解制退后坐诸元3.复进机设计4.制退机设计4.1制退机的工作长度4.2活塞工作面积4.3制退杆外径及制退筒内径4.4制退杆内腔直径5.5节制环直径4.6制退筒外径4.7流液孔面积5.节制杆外形调整1.自由后坐诸元的计算1.1膛内时期自由后坐诸元计算0.5d h dm Wv m m0.5d h dm Ll m m膛内运动时期自由后坐诸元 序号 t/ms v/(m/s) l/m W/(m/s) L/m1 0 0 0 0.000 0.0002 2.091 77.1 0.055 0.948 0.0013 2.651 125.84 0.111 1.548 0.001 4 3.342 204.08 0.221 2.510 0.0035 3.8 265.59 0.332 3.267 0.0046 3.996 291.77 0.387 3.589 0.005 7 4.346 337.85 0.498 4.156 0.006 8 5.191 442.09 0.831 5.438 0.010 9 6.403 463.37 0.925 5.699 0.011 10 6.816 575.75 1.661 7.082 0.020 11 8.17 641.41 2.492 7.889 0.031 12 9.023 670.74 3.045 8.250 0.037 13 9.712 690 3.51 8.487 0.0431.2后效期自由后坐诸元计算 1.2.1火药气体作用系数β弹丸脱离炮口瞬间，当t g =9.712ms ，时由内弹道数据可知： p g =56Mpa ，W g =8.4512m/s , L g =0.043m 。
1.火炮为什么要采用反后坐装置？答：和刚性炮架火炮相比，反后坐装置的作用主要有以下两个方面。
（1）减小火炮架体在射击时的受力。
（2）把射击时的全炮后坐运动变为可控的炮身后坐运动，并能自动复位。
2.什么是正面问题？什么是反面问题？两者之间有什么关系？答：后坐正面问题是指在正常射击条件下，已知后坐阻力规律，求解后坐运动方程，确定制退机流液孔尺寸和反后坐装置的结构尺寸。
后坐反面问题是指在各种射击条件下，已知反后坐装置的结构尺寸和制退机流液孔尺寸，求解后坐方程得到后坐阻力和后坐运动诸元。
两者之间是互逆的关系。
3.后坐过程中，火炮后坐部分受哪些力的作用？其运动方程如何建立？答：主动力：炮膛合力、后坐部分重力约束反力：摇架导轨提供的法向反力阻力：制退机力、复进机力、反后坐装置密封装置的摩擦力、摇架导轨的摩擦力运动方程：以炮膛轴线为x轴，由牛顿第二定律，有m h d2x/dt2=F pt-FΦh-F f-F-F T+m h g sinφ4.什么是炮膛合力？炮膛合力三个时期（启动时期、弹丸在膛内运动时期、火药气体后效时期）怎样计算？变化规律如何？答：火炮射击时，在身管内膛火药燃烧产生的火药燃气压力作用于身管内膛的、向后的作用力称为炮膛合力。
如何计算：启动时期：炮膛合力较小弹丸在膛内运动时期：F pt=F t-F zm-F dx 火药气体后效时期：F pt=F g e-t/b变化规律：炮膛合力的作用时间短、变化剧烈，有很大的峰值；在炮口点，由于弹丸脱离炮口后弹带的阻力消失，炮膛合力有一个跳动；后效期内，炮膛合力逐渐衰减至一个大气压。
5.如何进行火炮后座时全炮受力分析，采用哪些假设、各力的作用位置及特点？答：基本假设如下：（1）火炮和地面均为刚体。
（2）火炮放置在水平面上，方向角为0°，忽略弹丸回转力矩的影响，所有的力均作用在射面内。
（3）射击时全炮处于平衡状态。
受力：主动力：炮膛合力，作用在炮膛轴线上；全炮的重力，作用在战斗状态时火炮的质心上。
一种基于能量转化的新型反后坐装置原理作者：彭京徽刁诗靖来源：《科技信息·下旬刊》2018年第02期摘要：根据能量转化的原理，探讨了一种将后作用能量转化为动能以降低后作用力的火炮新型反后坐装置原理。
本文介绍了应用能量转化的新型反后坐装置结构原理与系统设计，并对相关技术进行了分析和研究。
关键词：火炮；反后坐装置；能量转化；系统设计引言反后坐装置是现代火炮必不可少的关键部件之一，其性能的好坏制约着火炮系统的整体性能。
它的设计解决了火炮威力与火炮机动性之间的矛盾，也实现了刚性炮架向弹性炮架的转变。
传统火炮的反后坐装置多采用弹性储能装置在后坐终了时使炮身复进到射前位置的复进机和产生一定规律阻力来降低火药燃气的炮膛合力的制退机的组合结构。
这种设计的原理是以直接的力抵消力的方式，力的作用方向依然近似是沿着炮膛轴线，对火炮的整体稳定性和射击精度存在一定的影响。
基于能量转化的新型反后坐装置的设计原理是将火炮燃气的后作用力利用连杆机构传递给曲轴使其产生转动，从而实现内能向动能的转化，并采用合适的制停技术使其平稳安全停止转动并使后坐回到待发位置。
该设计相对于现有设计不仅复杂程度降低，同时要求也较低。
1新型装置的原理与结构设计传统火炮反后坐装置主要有弹簧或气体来储存能量和利用液体或气体产生后坐阻力来消耗炮膛合力。
在火炮反后坐装置中采用能量转化的设计，可以用将燃气后坐能量以动能的形式进行输出，同时，利用合理的制停规律使后坐复位，并完成相应的一系列动作，包括：击发、收回击针、开锁、开闩、抽筒、抛筒、供弹、输弹、关闩和闭锁等。
从而在火炮设计中不再采用复进机和制退机的使用，减低复杂程度。
该新型设计装置主要由后坐连杆组、曲轴组和制停器组成。
1.1新型反后坐装置的结构原理火炮系统在工作时后坐部分在炮膛合力作用下向后运动，后坐运动结束后又在复进机力作用下向前运动到待发位置，因此对一个工作过程来说可以看成是一个往复运动。
同时，它的能量是火药的化学能转化为热能进而转化为动能的过程，这与内燃机的工作过程相似，新型基于能量转化的反后坐装置的结构如图1所示。
火炮反后坐装置非常规技术概述本文首先通过阐述现代火炮反后坐装置的常规构造和原理，来明确何为火炮反后坐装置非常规技术。
再从火炮反后坐装置的非常规结构和火炮反后坐装置常规结构中采用的非常规技术两个方面，介绍了五种反后坐装置的非常规技术，这些技术或设计思路新颖，或技术程度先进有广阔的发展空间，供读者参考。
标签：反后坐；非常规现代火炮经过一百多年的发展，其结构和技术日益成熟，在没有重大技术突破前，结构已经相对固定，但作为其重要组成部分的反后坐装置的性能仍有上升空间，本文就介绍几种反后坐装置的非常规技术。
1 火炮反后坐装置非常规技术现代火炮普遍采用反后坐装置用以抵消或转化火炮的后坐动能，其一般由三部分组成，即制退机、复进机和复进节制器组成，它们的作用分别是：使火炮后坐部分停止在一定的位置上、使火炮后坐部分复进和使后坐部分平稳复进。
非自动火炮的制退机多属于不可压缩液体制退机，复进机多采用液体气压式；自动炮多采用弹簧式制退机和弹簧式复进机（两种装置采用的弹簧种类各不相同）。
复进机也有火药气体式和单纯气压式等现在采用不多的方式，但其不属于本文中的非常规技术，因为这里的非常规技术必须具备一定的先进性，在未来可能应用于火炮当中去。
另外，炮口制退器也可以起到减小火炮后坐能量的作用，但不是所有火炮都安装有炮口制退器，尤其是坦克炮，为减小对射手瞄准和仪器设备的影响，一般都不安装炮口制退器，而且其结构相对简单，技术相对成熟，没有非常规技术。
2 火炮反后坐装置的非常规结构这里列举的两种反后坐技术都是区别于传统的反后坐射击理念的技术，其思想有一定的独特性。
2.1 膨胀波火炮：膨胀波火炮是美国的埃里克。
凯斯博士于1999年提出的一种减小后坐力的新技术。
火炮发射时，发射药燃烧产生的火药气体推弹丸向前运动，如果在弹丸仍在膛内时，炮闩突然打开，火药气体就会向后喷出，膛内的压力就会下降，而压力下降会以波的形式向前传递，这种现象就称为膨胀波。
反后坐装置：在炮身与炮架之间安装的，用来耗散和储存火炮射击时的后座能量并使炮身复位的结构部件。
作用：1减小火炮架体在射击时的受力（①减小炮架质量，提高火炮机动性，②稳定性提高，有利于提高射击精度，③火炮质量不变的情况下，可使火炮口径增大或跑口动能增加，提高火炮威力）2把射击时的全炮后坐运动变为可控的炮身后坐运动（①火炮重复射击时的操作简化，有利于提高射速，②炮身后坐运动为自动装填提供动力，③控制炮身的后坐运动可获得要求的后坐参数或结构参数）
后坐微分方程m h d²x/dt²=F pt-F R其中F R=FΦh+F f+F+F T-m h g sinφ
火药燃气作用过程分为：1启动期(特点:1膛压低2后坐运动距离短3后坐速度低），2弹丸在堂内运动时期（炮膛合力计算：F pt=F t-F zm-F dx)，3火药气体后效时期（炮膛合力计算F pt=F g*eˆ（-t/b),有炮口制退器F pt=χF g eˆ(-t/b) )
火炮的稳定性：是指火炮射击时不跳离地面的特性。
火炮的静止性：是指火炮在射击时沿水平方向不移动的特性，
后坐静止条件F Rmax≤[F T] (驻锄所能提供的最大水平反力）
后坐稳定条件F NA=(m z g L xφ-F pt L e-F R h)/L D≥0 后坐稳定力矩：m z g L xφ；翻转力矩：FptLe+FRh
后坐稳定极限角φj：射角φ减小到一定程度时，火炮处于稳定与不稳定之间的临界状态，此时的状态称为后坐稳定极限状态，此时的射角为φj
提高火炮射击稳定性途径：1减小动力偶距F pt L e,2减小后坐阻力F R (增大后座长度lλ, 增大后坐部分质量m h，采用双重后坐系统，采用炮口制退器，采用前冲后坐系统，采用膨胀波火炮发射技术）3减小力臂h
从动量表达式看:反后做装置是一个缓冲器，它将一个幅值很大，作用时间短变化剧烈的
炮膛合力F pt转化为一个幅值较小，作用时间长变化较平缓的后坐阻力F R，传递到炮架上从动能表达式看：反后坐装置是一个能量变换器，将幅值很大，变化剧烈的炮膛合力Fpt
在短距离上做的功转化为一个幅值较小，变化较平缓的后坐阻力FR在较长距离上做的功火药气体作用系数β的物理意义：火药气体平均速度与弹丸初速之比。
Β=Vpj/V0,
炮口制退器的特征量：1、炮口制退器效率ηT：它是能量特征量，定义为：炮口制退器使后坐部分自由后坐动能减少量与原动能的百分比。
2炮口制退器冲量特征量X：它是有炮口制退器时后效期炮膛合力的全冲量TtT 与无炮口制退器时后效期炮膛合力全冲量It的比值。
制退机设计过程①根据给定的设计条件和内弹道数据，按火药气体不同作用时期计算F pt-t 曲线或表格函数②根据火炮总体设计要求拟定或选取后坐阻力制动图，确定FR-t,FR-x的规律③在初始条件t=0,x=0,v=0下求解后坐运动方程m h d²x/dt²=F pt-F R,得到v-t,x-t,v-x曲线④进行复进机设计，给出复进机力Ff的变化规律，并计算F+F T-m h gsinφ,从而得到
Fφh=F R-F f-(F+F T-m h g sinφ)⑤确定制退机的结构形式和主要结构参数⑥进行制退机流
液孔设计由制退机力的公式Fφh=f(a x)v²求制退机流液孔面积的变化规律a x-x⑦进行制退机的其他结构参数计算⑧根据火炮的工作要求和实验数据，进行不同设计条件下的反后坐问题计算，确定制退机的结构方案和结构参数
节制杆外形初调整的必要性①对火炮实际设计条件的适应性差。
若以高温，强装药和φ= Φmax的条件射击，后坐长将比正常情况增10％左右，如仍用理论外形的节制杆，必将出现后坐接近终了时v＞0，而a x=0的情形导致制退机内的压力P1将急剧升高，这种现象称为液力闭锁，另外，由于零件轴向加工误差的存在节制杆和节制环的相对位置在装配后可能出现一定的位置偏差，因此对节制杆进行调整是必要的②理论外形加工工艺性差。
一般情况，复进时反后坐装置液压阻力Fφf由三部分组成：1制退机提供的液压阻力2复进节制器提供的液压阻力3复进节制活瓣提供的液压阻力Fφfv
复进静阻力F jf=F+F T+m h g sinφ复进机力F f减去静阻力F jf称为复进剩余力F sh
复进合力Fr=Fsh-Fφf（复进剩余力减去复进液压阻力）
复进加速时期F sh﹥Fφf即F r﹥0，当F sh=Fφf,F r=0,复进达到最大速度。
﹤为减速时期复进剩余力F sh在复进过程做的功称为复进剩余能量ΔE sh，有ΔE sh=∫(0-lλ)F sh d¯χ
复进极限稳定角φjf是火炮在该射角下复进稳定性最差，当射角φ大于或小于φjf时都比该射角φjf稳定性好，在φjf时，所允许的复进合力值最小，这个复进合力称为极限稳定复进合力F rj
|F rμ|称为保证复进静止性的极限复进合力，|F rp|为保证复进稳定性的极限复进合力
火药气体作用系数β的物理意义是火药气体平均速度v kpj与弹丸速度v0之比
经验系数β=B/v0
炮口制退器的特征量①炮口制退器效率ηT（是一个能量特征量，定义为炮口制退器使后坐部分自由后坐动能减少量与原动能的百分比）②炮口制退器冲量特征量Χ(是有炮口制退器时后效期炮膛合力的全冲量IτT与无炮口制退器时后效期炮膛合力的全冲量Ιτ的比值
选择和拟定后坐制动图的原则：①减小后坐阻力FR，②减小后坐长度，③满足稳定性要求④具有可实现性，⑤规律变化简单
制定复进制动图的原则：①保证复进到位且无冲击，②保证复进制动稳定性，③复进合力变化得平稳性，④便于加工制造
制退后坐最大速度V max：利用炮口制退器的火炮，若ΧF g﹥F Rg,V max出现在后效期中，V max﹥V g,若ΧF g≤F Rg,后效期内后坐部分不再加速运动，V max出现在后效期开始时刻V max=V g，出现时刻为t g
①弹簧式复进机以机械弹簧作为储能介质，优点是结构简单紧凑，动作可靠，工作性不受温度影响，弹簧断裂仍可暂时使用，维护简单方便，缺点是质量大，口径越大质量矛盾越突出②液体气压式复进机的优点是在中大口径的火炮上比弹簧式质量轻，易于控制液流通道和调节复进速度，缺点是气体的工作特性随温度变化较大，必须经常检查液量和气压，需配备专门的检查，注气和注液工具，勤务复杂
③气压式复进机大大减少了液体，使复进机结构紧凑，质量较小但密封结构复杂，可靠性差
④筒后坐使用三筒是为了保证在任何射角下，液体都能有效的密封气体
液体气压式复进机初力和压缩比的确定：1、初力Ff0与弹簧式相同方法确定，由Ff0=Af*Pf0,因而确定初力Ff0以后，需根据复进机注气方式的不同，合理选定复进机气体初压Pf0.
2、压缩比Cm的选择应首先选择考虑尽量减少结构尺寸，质量轻以及后坐过程储存足够的能量，还应考虑后坐结束后使复进机末力满足后坐动力图的要求。
液体气压式复进机结构尺寸确定（顺序）它由多筒和复进杆组成，确定结构尺寸的顺序一般从复进杆开始由内向外，即内筒，中筒，外筒的次序进行，确定这些尺寸除应满足强度刚度要求以外，还需要保证复进机内气体密封的可靠性，（各筒连接缝隙和通孔在任何射角下应浸入液体中）和保证各筒之间液体流动畅通性
节制杆式制退机液压阻力原理：由制退机工作腔Ⅰ排出的液体形成两股液流，一股经节制杆与节制环之间的环形孔a x流入非工作腔Ⅱ，是产生制退液压阻力的主要液流，称为主流；另一股由制推杆内壁与节制杆之间的环形管道，经过节制杆端部的单向阀进入制退杆内腔Ⅲ，称为支流
液压阻力系数K：实际上是一个包含了理论模型未考虑各种因素综合影响的修正系数，是一个理论与实际的符合系数。
液压阻力系数K不但与制退机的结构有关，而且还与液压流动的速度有关，在整个后坐过程中也是变化的
为保证复进减速时期的火炮稳定性和静止性，复进合力需考虑三个限制量,由如下关系：
|F rμ|﹤|F rj|﹤|F rμ=0|
液压气体式反后坐装置工作原理：火炮射击时，炮身A在膛内火药燃气压力的作用下向后
运动，带动制退筒中的活塞杆一起运动，活塞杆上的活塞压缩制退机工作腔B中的液体，迫使液体从工作环与活塞杆之间的节流孔流过，孔的两侧形成压力差，在活塞上产生一个液压阻力使炮身的后坐运动减速。
与此同时，从制退筒流出的液体进入复进筒C腔，推动浮动活塞向前运动压缩压缩复进机工作腔D中的气体储存复进能量。
当炮身的后坐运动结束后，复进机工作腔D中的压缩气体开始作用，推动浮动活塞向后运动，复进筒C腔中液体被挤入制退筒，推动活塞并带动炮身运动恢复到射击前的位置。
