藍維彬，楊 臻，龍建華

(1.中北大學 機電工程學院，山西 太原 030051；2.重慶建設工業(yè)(集團)有限責任公司，重慶 400054)

槍管是步槍的核心零件，而槍彈的因素將直接影響自動武器的性能，其中槍械的射擊精度是武器性能的重要指標。精度包括射擊準確度和射擊密集度(即射彈散布)，而隨著射彈數(shù)的增加，槍管在火藥燃氣的加熱下逐漸升溫，高溫影響槍管材料的力學性能，材料性能的變化影響了彈丸在膛內的變形及運動，有可能引起熱槍狀態(tài)彈丸出槍口的姿態(tài)和初速發(fā)生變化，出現(xiàn)熱偏和熱散現(xiàn)象。

對于熱偏熱散的研究，Joseph South等[1]針對5.56 mm步槍進行了不同速度下的擠進試驗，對比了不同速度下的擠進阻力、環(huán)向應變、刻痕深度及質量損失情況；劉國慶等對某狙擊步槍準靜態(tài)彈頭擠進力及彈丸膛內運動進行了研究[2-3]；曹帥等對不同溫度下槍管材料的力學性能差異進行研究,得到不同溫度下槍管材料的力學性能變化情況，為深入了解槍械的熱偏熱散機理提供了基礎數(shù)據(jù)[4-5]；孫全兆等建立了某大口徑榴彈炮彈帶擠進過程模型，得出動態(tài)擠進阻力以及彈丸運動規(guī)律[6]。

槍械熱偏熱散機理的研究是一個復雜而又系統(tǒng)的課題，但現(xiàn)階段的研究大多是理論分析與仿真計算，缺少完整的試驗數(shù)據(jù)，對步槍因槍管溫度而導致精度下降的現(xiàn)象認識不夠完善。

1 彈丸結構與被甲材料特性

彈丸的構成主要由被甲、鉛套與鋼芯3部分組成，如圖1所示。其中被甲與槍管內壁發(fā)生直接作用，因此被甲的材料特性直接決定擠進過程。

目前彈丸被甲材料主要分為H90銅和覆銅鋼兩種材料。H90黃銅即含銅量90%，有良好的力學性能和壓力加工性能，表面處理性能好，可鍍金屬及涂敷琺瑯，是彈丸被甲主要材料；覆銅鋼由中間一層低碳鋼和上下兩層很薄的黃銅復合而成，有良好的延展性、足夠的強度和彈性，以及一定的密封性和小的摩擦系數(shù)，與純銅相比，覆銅鋼具有價格低廉等優(yōu)點。表1為常溫下兩種材料及其他彈丸參數(shù)的力學特性。

表1 彈丸材料機械性能參數(shù)

2 不同被甲材料射擊試驗

2.1 試驗方案

研究對象：兩支某小口徑自動步槍(新槍)及兩種被甲的試驗槍彈，被甲材料分別為H90銅和覆銅鋼。試驗槍彈技術參數(shù)如表2所示。

表2 試驗槍彈技術參數(shù)

為了便于比較試驗結果，同時說明試驗結果的真實性，對兩種試驗槍彈各抽取一定數(shù)量進行初始狀態(tài)性能測量，技術狀態(tài)如表3所示。

表3 試驗時具體技術狀態(tài)

試驗時兩支試驗槍固定在夾持試驗臺上，如圖2所示，分別對應使用兩種不同材料被甲的試驗槍彈對100 m處靶進行試驗射擊。

射擊規(guī)則：先進行1組20發(fā)試驗彈單發(fā)精度射擊，隨后進行150發(fā)的無冷卻射擊，單發(fā)、點射、連發(fā)射彈量分別為10%，70%，20%。再進行1組20發(fā)單發(fā)精度射擊。

測量數(shù)據(jù)：兩種不同材料被甲對應的射擊時槍管溫升、彈丸初速、射擊精度及槍管內膛受損情況、槍管內徑的變化。

2.2 試驗結果

2.2.1 冷槍狀態(tài)下精度試驗

初速或然誤差，是用來表征初速試驗結果散布大小的量，一般用下面的公式[7]來計算：

(1)

本試驗采用高速攝像機分別對發(fā)射兩種不同被甲材料的彈丸出膛口速度進行測量，再通過對100 m靶進行射擊，分別測出不同彈丸被甲所對應的射擊精度。測量數(shù)據(jù)如圖3～5所示。

根據(jù)試驗測量可知，冷槍狀態(tài)下銅被甲彈射擊的平均初速為885.7 m/s，初速或然誤差值為5.28 m/s，初速下降幅度值為23.8 m/s，散布中心坐標為(4 cm,-0.4 cm)，散布中心距離為4 cm，半數(shù)散布圓半徑R50為4.7 cm，全數(shù)散布圓半徑R100為10.2 cm；覆銅鋼被甲彈射擊的平均初速為897.5 m/s，初速或然誤差值為3.19 m/s，初速下降幅度值為14.8 m/s，散布中心坐標為(5.7 cm,0.3 cm)，散布中心距離為5.7 cm，半數(shù)散布圓半徑R50為5 cm，全數(shù)散布圓半徑R100為7.8 cm。

由試驗可知，銅被甲彈的精度較覆銅鋼被甲彈差，銅被甲彈的平均初速較覆銅鋼被甲彈更低，銅被甲彈的初速或然誤差也更大，同時由試驗時的技術狀態(tài)可知，銅被甲彈的彈重、彈長等技術參數(shù)的跳差較覆銅鋼被甲彈更大，使得銅被甲彈的精度參數(shù)均不如覆銅鋼被甲彈。

2.2.2 熱散溫升射擊試驗

分別進行150發(fā)的無冷卻射擊，單發(fā)、點射、連發(fā)射彈量分別為10%，70%，20%。由于射擊時槍管內膛的工作環(huán)境惡劣，到目前為止，還難以用一般的溫度傳感器測出連續(xù)射擊時的內膛表面溫度值。即使是為了測試槍管膛面溫度而研制的表面熱電偶，壽命也只有20發(fā)左右，不能滿足使用要求。因此，試驗采用紅外熱成像儀直接測量身管外壁的溫度歷程，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，可為后序仿真值進行可信性驗證。測量結果如圖6所示。

由試驗測量槍管外表面溫度可知，單發(fā)射擊結束時，兩種彈導致的槍管溫度變化情況基本一致；而到了點射和連射階段，射擊銅被甲彈時槍管溫升較射擊覆銅鋼被甲彈更劇烈；熱散試驗結束后，射擊銅被甲彈時槍管溫度更高。

2.2.3 熱槍狀態(tài)下精度試驗

經(jīng)過150發(fā)的無冷卻射擊后，槍管溫度較初始階段有明顯升高，此時再進行1組單發(fā)精度射擊，測出每一發(fā)彈的初速以及兩種彈在熱槍狀態(tài)下的射擊精度，如圖7～9所示。

根據(jù)試驗測量可知，熱槍狀態(tài)下銅被甲彈射擊的平均初速為882.8 m/s，初速或然誤差值為3.69 m/s，初速下降幅度值為22.1 m/s，散布中心坐標為(3.4 cm,9.9 cm)，散布中心距離為10.4 cm，半數(shù)散布圓半徑R50為6.3 cm，全數(shù)散布圓半徑R100為21.6 cm；覆銅鋼被甲彈射擊的平均初速為895.3 m/s，初速或然誤差值為3.58 m/s，初速下降幅度值為20.5 m/s，散布中心坐標為(4.6 cm,5.3 cm)，散布中心距離為7 cm，半數(shù)散布圓半徑R50為4.1 cm，全數(shù)散布圓半徑R100為12.4 cm。

2.2.4 槍管內膛測量

射擊開始前，先對兩支試驗槍槍管的內膛尺寸進行了測量。從口部測量時，兩支槍管可進入的最大量規(guī)為5.83 mm，可深入225 mm；從尾部測量時，兩支槍管可進入的最大量規(guī)為5.83 mm，可深入91 mm。

為了能更好觀察射彈結束之后槍管內膛磨損情況，采用工業(yè)內窺鏡對槍管內膛受損情況進行觀察，如圖10～11所示，而后采用不同尺寸量規(guī)從槍管尾端對槍管內膛尺寸變化進行測量，得到射擊兩種彈后槍管內膛尺寸；測量完畢后用隨槍附件和白布條蘸上除銅劑，均勻涂覆在槍管內膛表面,涂覆3次，放置5 min后，用隨槍附件油毛刷蘸上除銅劑，連續(xù)擦拭槍管內膛20次，除銅完畢后在此對槍管內膛尺寸進行測量，測量結果如圖12所示。

熱散試驗后，兩支槍管內膛尺寸都有明顯增大。射擊結束后5.85 mm量規(guī)可從尾端深入射擊覆銅鋼被甲彈槍管41 mm，從圖10～11來看射擊覆銅鋼被甲彈的槍管的內膛磨損較嚴重。

兩支槍管內膛尺寸變化測量如圖12所示，射擊銅被甲彈的槍管尺寸反而變“小”，從尾部測量，5.83 mm量規(guī)只能進入26 mm，5.84 mm量規(guī)則無法進入；而從口部測量，5.82 mm量規(guī)則無法全通。對槍管內膛擦拭除銅后，從尾部測量，5.84 mm量規(guī)可深入18 mm；從口部測量，5.84 mm量規(guī)可深入40 mm。

對于射擊覆銅鋼被甲彈的槍管，除銅前從尾部測量，5.84 mm量規(guī)可深入24 mm；從口部測量，5.84 mm量規(guī)可深入36 mm。對槍管內膛擦拭除銅后，從尾部測量，5.84 mm量規(guī)可深入34 mm；從口部測量，5.85 mm量規(guī)可深入15 mm。

2.3 結果分析與討論

由冷熱槍試驗結果可知，熱槍/冷槍R100變大倍率，銅被甲彈為2.08，覆銅鋼被甲彈為1.59；熱槍/冷槍平均彈著點偏差，銅被甲彈為10.3 cm，覆銅鋼被甲彈為5.1 cm；熱槍/冷槍膛口平均初速下降率銅被甲彈為6.7%，覆銅鋼被甲彈為5.8%，銅被甲彈的熱散現(xiàn)象明顯較覆銅鋼被甲彈更明顯。根據(jù)紅外測溫結果可知，射擊銅被甲彈槍管溫升較劇烈；而試驗后對槍管內膛的觀察與測量可知，射擊銅被甲彈會在槍管內膛留下較多的附著物，即出現(xiàn)較明顯的“掛銅”現(xiàn)象，對彈丸在膛內運動有一定的影響；而通過對槍管內膛尺寸的測量可知，射擊銅被甲彈槍管內膛尺寸變化幅度較射擊覆銅鋼被甲彈大，槍管不同位置內徑差異較明顯。

3 結論

對于造成某步槍射擊不同材料槍彈的精度變化的因素進行了試驗，得到了熱槍狀態(tài)下精度下降的原因，具體結論如下：由于被甲材料的不同，兩種槍彈在與槍管內壁之間的摩擦系數(shù)不同，導致銅被甲在擠進過程中的擠進阻力與彈丸在膛內運動的摩擦力比覆銅鋼被甲彈大，使銅被甲彈的初速下降比覆銅鋼被甲彈的初速下降更快；射擊銅被甲彈的槍管內壁產(chǎn)生過多的附著物，“掛銅”現(xiàn)象明顯；同時，射擊銅被甲彈的槍管溫度更高，會導致槍管熱彎曲加劇，對彈丸膛內運動和槍口的擾動有較大影響；雖然覆銅鋼被甲彈的熱散現(xiàn)象沒有銅被甲彈突出，但射擊覆銅鋼被甲彈對槍管內膛磨損較嚴重，大量使用覆銅鋼被甲彈會使槍管壽命下降。

試驗得出不同被甲材料的槍彈的射擊精度隨溫升變化的規(guī)律，可為進一步提高射擊精度和槍管壽命的研究提供參考依據(jù)。

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