与后坐力对抗到底!从架退式到管退式,浅谈火炮反后坐装置的发展

火炮截止到今天已经发展了数百年,经过几百年间无数武器设计师的完善和发展,现代火炮的结构相对于早期火炮来说已经十分复杂。在现代火炮射击时,我们往往会看到火炮炮管会向后“缩”一下,这就是现代火炮通过反后坐装置在抵消火炮射击时产生的巨大后坐力。

炮管后缩后复位就是反后坐装置的作用

初中物理就已经学过,力的作用是相互的。随着火炮的口径越来越大、威力逐渐提升,相对应的,火炮射击时产生的巨大后坐力也对火炮本身产生了很大的影响。除了对火炮的构件造成冲击,降低牢固性之外,每次射击后火炮的位置移动使炮手不得不重新瞄准,严重降低了火炮的射速。

早期火炮之所以无法抵消火炮射击时产生的巨大后坐力,在于此时的火炮炮架大多采用的是刚性炮架,火炮的身管直接以刚性连接的方式架设在火炮炮架上。这种情况下,火炮射击时大部分的后坐力都传导回炮架上,导致火炮发生位移。

老式火炮身管和炮架是刚性连接

在1890年前后,随着液压装置和高强度工业弹簧的发展,现代火炮反后座装置开始出现。但是此时的火炮反后坐装置还比较简单,反后坐效率较差,所以主要布置在岸防炮、要塞炮、舰炮等体型较大的火炮上。

早期的火炮反后坐装置——架退式反后坐装置

早期装备反后坐装置的火炮一般都是架退式火炮,顾名思义,这种火炮是在射击时,是通过火炮炮架的整体后移来抵消火炮射击时产生的巨大后坐力。

架退式火炮结构上主要可以分为上下两个部分,上半部分主要是身管和刚性连接的滑动式炮架,下半部分则是带一定倾斜角度的滑轨。

架退式火炮的结构图

在火炮射击时,火炮炮身在后坐力的作用下从滑轨的底部沿着滑轨爬升,将火炮后座的动能转变为高度势能。随后上半部分在本身重量的带动下复位,一个完整的反后坐流程结束。

早期大部分火炮都是采用身退式设计,因为火炮本身的重量加上倾斜滑轨作用,可以弥补因早期液压装置和弹簧性能不足而导致的反后坐装置效率低的缺点。

当然,架退式火炮也存在很多问题。因为炮架和滑轨是反后坐装置中的重要部分,因此架退式火炮的口径越大,体积就越大,相应的操作也就更麻烦。其次,是架退式火炮的射击精度较低,滑轨越长、火炮射击精度越低。

架退式火炮射击时,炮管位置会出现较大

架退式火炮在点火的瞬间火炮炮管就已经开始移动,当炮弹出膛时,火炮炮管已经移动了一段距离,炮弹就会偏离射手此前已经瞄准的目标,滑轨越大、越陡、反后座效率越高,火炮射击精度就越差,如此往复,形成恶性循环。

改进后的架退式火炮

为了解决这个问题,火炮设计师开始提升液压装置和高强度弹簧在火炮反后座模块中的应用比例,多少缓解了射击精度不足的问题。但是从本质上来说,根本性的问题并没有解决,这也给架退式火炮的没落埋下了种子。

后发先至的反后坐装置——管退式反后坐装置

管退式火炮和身退式火炮最大的不同,就是管退式火炮在工作时只有火炮身管在活动,而且在火炮身管向后“缩”的过程中,火炮的炮管角度没有像架退式火炮那样出现垂直距离上的移动,多枚炮弹出膛后的角度是相近的,炮手就不用像架退式火炮那样一直去调整炮身,也有利于提升火炮的射速。

管退式火炮原理示意图

法国施耐德M1897式野炮,也就是军迷口中的“75小姐”就是一款管退式火炮。施耐德M1897式野炮的火炮身管布设在一段炮架滑轨上,火炮射击时,火炮身管回缩,将后坐力施加到炮架上的弹性装置上。随后弹性装置依靠积蓄的能量让火炮身管复位,火炮即可再次进行射击。

施耐德M1897式野炮

得益于管退式射击,施耐德M1897式野炮常规射速就能够达到15发/分钟,在极限状态下,能够达到30发/分钟。在施耐德M1897式野炮的基础上,法军开发出了自己的速射炮战法理论,即依靠管退式速射炮的快速射击形成弹幕,直接为冲锋的步兵提供火力压制。

管退式火炮的反后坐装置主要分为两个部分,即驻退机和复进机,驻退机主要用来吸收火炮射击时的后座能量,而复进机则为火炮身管的复进提供能量。

驻退机和复进机原理图

驻退机和复进机的主要储能部件就是制退筒,目前主流的制退筒都采用高压气体或者液体进行工作,储能效率较高。

当然,除此之外,还可以通过优化制退筒的设计来提升制退筒的储能效率。常见的做法是采用多套筒设计,多层制退筒之内分别填充高压气体或者制退液,通过不同储能介质之间的能量转化提升储能效率。

三层式制退筒

现代火炮的反后坐装置目前差异比较大的部分是复进机,因为复进机主要是帮助火炮的身管进行复位,因此其具体设计形态较多,目前主流的复进机有气压式复进机、液压式复进机、弹簧式复进机以及将以上几种复进机组合使用的复合式复进机。

弹簧式复进机是直接在火炮身管上,以同心圆的方式布设相应的高强度弹簧来帮助火炮身管复位。优点是弹簧的身管复进速度很快,而且结构简单轻便。缺点则是弹簧本身的强度有限,只能够复进一些质量较轻的火炮身管,因此目前主要是中小口径的自动式火炮会采用弹簧式复进机。

博福斯高射炮使用的是弹簧式复进机

气压式复进机、液压式复进机以及以这两种复进机为基础的液体气压式复进机特点是复进能量高,能够吸收较高的火炮后座能量后将较重的火炮身管附近到位,缺点是质量和体积都比较大,因此主要在大口径火炮上进行使用。

大口径榴弹炮不适合用弹簧式复进机

当然,还有小众一些的火炮,比如早期战斗机上使用的小口径航炮。这类小口径航空机炮本身射速较快,一般的弹簧式复进机已经无法满足其复进的速度要求,即使是能够满足其复进速度,也会因为复进频率过高导致弹簧过热,出现故障。

红圈处即为其复进筒

因此这类小口径航空机炮是采用火药燃气复进,在火炮红圈处即为其复进筒身管后座的过程中,一部分燃气被储藏到复进筒中,等到需要对火炮身管进行复进时,再将这部分压缩燃气释放出来对火炮身管做功,执行复进操作。

从架退式反后坐装置到管退式反后坐装置,现代火炮的反后座装置随着现代火炮分类的细化而拆分出相对应的变种。而无论是何种变种,最终都是以火炮身管后退-复进作为其反后座理论的基础,这也代表了管退式反后坐装置目前在火炮反后座领域的主导地位。

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