化斌斌，王瑞林，張軍挪，賈云非

（1.軍械工程學(xué)院，石家莊050003；2.解放軍63850部隊(duì)，吉林白城137001）

不同射頻對車載轉(zhuǎn)管機(jī)槍射擊精度的影響

化斌斌1，2，王瑞林1，張軍挪1，賈云非1

（1.軍械工程學(xué)院，石家莊050003；2.解放軍63850部隊(duì)，吉林白城137001）

為研究不同射頻對車載轉(zhuǎn)管機(jī)槍射擊精度的影響，以某型車載轉(zhuǎn)管機(jī)槍為對象，建立了該武器系統(tǒng)的剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型。通過仿真計(jì)算車體在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，機(jī)槍以不同射頻進(jìn)行射擊的過程，得到了不同射頻下車體、機(jī)槍架座和槍管的振動(dòng)特性以及射彈散布。通過對不同射頻下仿真曲線對比分析，可以得出射頻對機(jī)槍射擊精度的影響程度。仿真研究結(jié)果為該武器的研究與設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了理論支持。

車載轉(zhuǎn)管機(jī)槍，射頻，剛?cè)狁詈夏Ｐ?，?dòng)力學(xué)特性，射擊精度

0 引言

射頻作為轉(zhuǎn)管機(jī)槍的一個(gè)重要性能指標(biāo)，與武器的威力密切相關(guān)。轉(zhuǎn)管機(jī)槍一般都設(shè)置有不同的射頻，內(nèi)能源轉(zhuǎn)管機(jī)槍通過調(diào)節(jié)導(dǎo)氣孔的直徑大小實(shí)現(xiàn)射頻的變換。轉(zhuǎn)管機(jī)槍具備不同的射頻可大大增強(qiáng)其作戰(zhàn)效能，根據(jù)射擊目標(biāo)的特點(diǎn)使用不同的射頻，也將使轉(zhuǎn)管機(jī)槍的使用更加合理，并有利于延長武器的使用壽命［1］。

不同射頻對武器系統(tǒng)的性能影響是不同的，主要是由于不同射頻使得武器工作時(shí)各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)速度和后坐沖量的頻率發(fā)生變化，從而引起發(fā)射平臺與各零部件振動(dòng)的變化。文獻(xiàn)［2-3］針對機(jī)槍不同射頻對車載轉(zhuǎn)管機(jī)槍射擊精度的問題進(jìn)行了研究，但都是考慮的車體自由狀態(tài)下的情況。而車載武器在實(shí)際射擊過程中往往都是處于制動(dòng)狀態(tài)的，車體在不同制動(dòng)狀態(tài)下的振動(dòng)情況也是不同的［4］，因此，對機(jī)槍的射擊密集度及散布影響也是不同的。本文通過對某車載轉(zhuǎn)管機(jī)槍進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，建立槍-車-路面的剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型，仿真計(jì)算不同射頻下的車載轉(zhuǎn)管機(jī)槍的射擊過程，通過仿真分析，找出不同射頻對車載轉(zhuǎn)管機(jī)槍射擊精度的影響規(guī)律，為轉(zhuǎn)管武器的總體設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù)。

1 車載轉(zhuǎn)管機(jī)槍動(dòng)力學(xué)模型的建立

1.1 機(jī)槍系統(tǒng)拓?fù)潢P(guān)系分析

車載轉(zhuǎn)管機(jī)槍系統(tǒng)主要由機(jī)槍子系統(tǒng)和改裝車輛組成，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，車體通過懸架-輪胎結(jié)構(gòu)與地面接觸，通過支撐座圈與機(jī)槍子系統(tǒng)連接；托架與搖架在耳軸處通過旋轉(zhuǎn)副連接，并在鎖緊塊處通過固定副連接；機(jī)匣體在搖架上通過雙向緩沖簧以及搖架尾部導(dǎo)軌前后運(yùn)動(dòng)，故在搖架與機(jī)匣體之間施加平移副和彈簧連接；槍管組件在射擊過程中繞機(jī)匣體旋轉(zhuǎn)，兩者之間為旋轉(zhuǎn)副。

圖1 車載轉(zhuǎn)管機(jī)槍拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 載荷的計(jì)算

該內(nèi)能源轉(zhuǎn)管機(jī)槍主要利用槍彈擊發(fā)生成的火藥氣體進(jìn)入導(dǎo)氣室推動(dòng)活塞帶動(dòng)自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，在射擊過程中所受的載荷主要有槍膛合力、氣室壓力、槍口制退力以及撥彈阻力、抽殼阻力等阻力。槍膛合力可通過經(jīng)典內(nèi)彈道方程組［5］進(jìn)行求解得到，槍口制退力采用氣體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行計(jì)算［6］，撥彈阻力、抽殼阻力等可通過經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行求解［7］，在此主要介紹氣室壓力的確定。氣室壓力采用氣體動(dòng)力學(xué)的計(jì)算方法進(jìn)行求解，計(jì)算公式為［8］:

其他參數(shù)表達(dá)式為:

式中，pq、ρq、Tq分別為導(dǎo)氣室內(nèi)的火藥氣體壓強(qiáng)、密度、溫度；γ為絕熱指數(shù)；Vq0為導(dǎo)氣室初始容積；Sh為活塞端面面積；xh、vh分別為活塞的位移、速度；Q為導(dǎo)氣室散失的熱量；ei、eq分別為從導(dǎo)氣孔流入導(dǎo)氣室、從氣室活塞間隙漏出導(dǎo)氣室的單位質(zhì)量氣體的能量；qmb、qmq分別為流入導(dǎo)氣室、流出導(dǎo)氣室的氣體流量；mh為活塞質(zhì)量；Rf為活塞所受的阻力；Cp為定壓比熱容；pp、ρp、Tp分別為膛內(nèi)導(dǎo)氣孔處的火藥氣體壓強(qiáng)、密度、溫度；Tc為氣室壁溫度；Sq0為氣室初始散熱面積；μb、μq分別導(dǎo)氣孔、氣室活塞間隙火藥氣體流量系數(shù)；Sb為導(dǎo)氣孔面積；ΔSh為氣室與活塞的間隙面積；ζ為臨界壓力比。

1.3 輪胎-路面模型的建立

對車載武器系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，輪胎模型是其中最重要的部分之一。輪胎一般由橡膠、簾布層等合成材料以及充氣結(jié)構(gòu)組成，具有高度非線性、可壓縮性、各向異性和粘彈性，使得輪胎物理模型的建立比較特殊和復(fù)雜，因而，一般都將輪胎單獨(dú)模型化，用一組數(shù)學(xué)模型來表現(xiàn)。不同的輪胎模型對應(yīng)的數(shù)據(jù)要求和輸出精度并不完全相同，需要同仿真要求相一致［10］。本文采用UA輪胎模型，UA輪胎模型綜合考慮了縱向和側(cè)向滑移的情況，是一種所需試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)較少的比較精確的解析模型。

試驗(yàn)中車載武器在水泥路面進(jìn)行射擊，因此，本文采用剛性路面，即不考慮路面的變形。

1.4 車載轉(zhuǎn)管機(jī)槍剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/p>

將車載轉(zhuǎn)管機(jī)槍系統(tǒng)的CAD模型導(dǎo)入到多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS中建立虛擬樣機(jī)模型，通過拓?fù)潢P(guān)系分析添加合適的約束。由于在射擊過程中，槍管、搖架、托架和底座等結(jié)構(gòu)都會(huì)發(fā)生較大變形，因此，將它們利用有限元軟件生成柔性體，建立轉(zhuǎn)管機(jī)槍系統(tǒng)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，能夠更真?shí)地反映機(jī)槍在射擊過程中的振動(dòng)情況。在本文中，將搖架、托架和底座統(tǒng)稱為機(jī)槍架座。建立的車載轉(zhuǎn)管機(jī)槍剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型如圖2所示。

圖2 車載轉(zhuǎn)管機(jī)槍虛擬樣機(jī)模型

2 模型計(jì)算與驗(yàn)證

某轉(zhuǎn)管機(jī)槍射頻有高、低射頻兩種，其中，低射頻約為2 300發(fā)/min，高射頻約為3 000發(fā)/min。射擊時(shí)，車輛制動(dòng)在水平水泥路面。仿真計(jì)算設(shè)置計(jì)算步長為0.000 1 s，一次射擊30發(fā)彈，表1為高、低射頻的仿真與試驗(yàn)對比值，由表中數(shù)據(jù)可以看出，仿真計(jì)算的射頻與試驗(yàn)射頻非常接近。圖3為高、低射頻時(shí)槍管的轉(zhuǎn)速仿真曲線，從圖中可以看出，高、低射頻第一發(fā)彈擊發(fā)時(shí)的槍管轉(zhuǎn)速是相同的，這是由于第一發(fā)彈擊發(fā)是由人工儲能裝置渦卷簧釋放簧力帶動(dòng)槍管組轉(zhuǎn)動(dòng)到第一次擊發(fā)位置進(jìn)行擊發(fā)，第一發(fā)彈擊發(fā)后，開始由火藥燃燒氣體進(jìn)入導(dǎo)氣室驅(qū)動(dòng)槍管組轉(zhuǎn)動(dòng)，高射頻下的轉(zhuǎn)速開始比低射頻下的轉(zhuǎn)速有了提升，最后穩(wěn)定在各自的射擊頻率。這與實(shí)際射擊過程是相符的。

表1 射頻對比

圖3 不同射頻下的轉(zhuǎn)速

3 不同射頻下的動(dòng)力學(xué)分析

通過對高、低射頻下的車載轉(zhuǎn)管機(jī)槍進(jìn)行仿真計(jì)算，分析不同射頻下的武器系統(tǒng)的振動(dòng)情況，可以得出不同射頻對車載轉(zhuǎn)管機(jī)槍射擊精度的規(guī)律及影響。試驗(yàn)中該槍的射彈散布主要體現(xiàn)在高低散布較大，水平散布比較小，因此，主要分析高低方向的振動(dòng)情況。仿真結(jié)果對比如圖4～圖9以及表2所示。其中，β1為車體高低振動(dòng)角位移，β2為槍口高低振動(dòng)角位移，R70為100 m距離上70%射彈散布圓半徑。

圖4 車體高低方向角位移

圖5 槍口高低方向振動(dòng)角位移

圖6 彈丸出槍口時(shí)刻槍口高低方向角位移

由圖4可以看出，高射頻時(shí)，車體高低方向的振動(dòng)比低射頻時(shí)更大。其中，高射頻時(shí)車體高低方向角位移最大值為0.54°，低射頻時(shí)為0.43°。這是因?yàn)楦哳l射擊時(shí)后坐沖量對轉(zhuǎn)管機(jī)槍搭載平臺的沖擊比低頻射擊時(shí)更加急促，從而導(dǎo)致車體的振動(dòng)更大一些。由圖5和圖6可以看出，低頻射擊時(shí)，彈丸出槍口時(shí)刻槍口高低角位移先逐步增大然后又開始下降至比較平穩(wěn)，這與實(shí)際射擊過程中觀察到的彈著點(diǎn)分布比較相符，高射頻時(shí)槍口角位移要比低射頻時(shí)要大，這主要是由發(fā)射平臺的振動(dòng)導(dǎo)致的。

圖7 機(jī)槍架座高低方向振動(dòng)變形角位移

圖8 槍口高低方向振動(dòng)變形角位移

圖9 槍口高低方向速度曲線

圖10 后坐位移曲線

表2 仿真結(jié)果對比

由圖7可以看出，對于機(jī)槍架座，不同射頻下振動(dòng)變形的變化趨勢是一致的，都是隨著射頻的逐步穩(wěn)定振動(dòng)變形幅度逐漸減小并穩(wěn)定在一定的區(qū)間內(nèi)變化。機(jī)槍架座在兩種射頻下的振動(dòng)變形角位移的峰值基本相同，而高頻射擊時(shí)的振動(dòng)幅值要比低頻射擊時(shí)的振動(dòng)幅值小一些。由圖8和圖9可以看出，高射頻時(shí)，槍管高低方向的振動(dòng)變形角位移與速度比低射頻時(shí)要低一些。結(jié)合圖10可以看出，這是由于低射頻時(shí)，槍管的后坐與復(fù)進(jìn)的行程要比高射頻時(shí)大，低射頻時(shí)，在射頻達(dá)到穩(wěn)定之后，機(jī)槍沿軸向的前后運(yùn)動(dòng)為后坐-復(fù)進(jìn)-前沖，后坐力方向不斷發(fā)生變化；而高射頻時(shí)則基本只有后坐-復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)，后坐力的方向比較穩(wěn)定，從而導(dǎo)致低射頻時(shí)引起的槍管變形要更大一些。但是射擊精度還是受發(fā)射平臺的影響最大，故發(fā)射平臺的振動(dòng)是制約大口徑轉(zhuǎn)管武器射擊精度的一個(gè)重要因素。

4 結(jié)論

本文通過對車載轉(zhuǎn)管機(jī)槍進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，建立了轉(zhuǎn)管機(jī)槍-車-路耦合的虛擬樣機(jī)模型，并對機(jī)槍不同射頻下的射擊過程進(jìn)行了仿真計(jì)算。分析仿真結(jié)果可以得出，高射頻射擊時(shí)高頻的后坐沖量使得車體的高低方向振動(dòng)角位移比低射頻射擊時(shí)要大得多，這也直接導(dǎo)致高射頻時(shí)彈丸出槍口時(shí)刻槍口的高低方向角位移比低射頻時(shí)要大，使得高頻射擊時(shí)的散布更大一些。雖然高射頻時(shí)的機(jī)槍架座與槍管振動(dòng)變形要比低射頻時(shí)小一些，但轉(zhuǎn)管機(jī)槍的射擊精度主要還是受搭載平臺振動(dòng)的影響更大。本文研究得出的轉(zhuǎn)管機(jī)槍系統(tǒng)在不同射頻下的振動(dòng)規(guī)律可為車載轉(zhuǎn)管機(jī)槍的總體設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論依據(jù)，對該武器裝備在部隊(duì)的射擊使用具有一定的指導(dǎo)作用。

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Influence of Different Firing Frequency on Shooting Accuracy of Vehicular Gatling Gun

HUA Bin-bin1，2，WANG Rui-lin1，ZHANG Jun-nuo1，JIA Yun-fei1
（1.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；2.Unit 63850 of PLA，Baicheng 137001，China）

To study the influence of firing frequency on shooting accuracy of a certain vehicular Gatlinggun，arigid-flexiblecouplingvirtualprototypemodelisestablished.Thevibration characteristics of vehicle，gun holder and barrel are obtained as well as dispersion by simulating the firing process of gun in different firing frequency as the vehicle in the braking state.The influence of firing frequency on fire accuracy is demonstrated by contrasting and analyzing the simulation curves. The study results have provided a theoretical support for the design and optimization of vehicular Gatling gun.

vehiculargatlinggun，firingfrequency，rigid-flexiblecouplingmodel，dynamic characteristics，shooting accuracy

TJ25

A

1002-0640（2017）04-0181-04

2016-02-05

2016-03-17

化斌斌（1987-），男，山東平陰人，博士研究生。研究方向：武器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論與應(yīng)用。