基于某機(jī)內(nèi)埋式高速供彈系統(tǒng)研究＊

王爭論，黃 亮

（南京理工大學(xué)彈道國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210094）

0 引言

供彈技術(shù)的發(fā)展是伴隨著火炮發(fā)射技術(shù)發(fā)展的要求而不斷前行。從人工手動裝彈到機(jī)械臂自動裝填，從有鏈到無鏈，裝彈速度從低速到高速，由幾分鐘一發(fā)到一分鐘幾發(fā)、幾十發(fā)，發(fā)展到現(xiàn)在的每分鐘上萬發(fā)。供彈模式發(fā)展的同時，其可靠性也顯著提高。現(xiàn)在，行業(yè)內(nèi)部已經(jīng)將應(yīng)用于各軍兵種武器系統(tǒng)的高速供彈技術(shù)作為專項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行研究。

1 國內(nèi)外研究與發(fā)展?fàn)顩r

國外機(jī)載20mm火炮采用閉合彈帶式無鏈供彈系統(tǒng)，該系統(tǒng)容彈480發(fā)，可以6000發(fā)／min的速度向火炮供彈[1]。機(jī)載各口徑系列火炮供輸彈系統(tǒng)應(yīng)用或間接使用此項(xiàng)技術(shù)。我國第1代25mm戰(zhàn)車炮，采用移動式雙路供彈機(jī)。對35mm口徑自動機(jī)進(jìn)行雙路供彈技術(shù)改造，分別研制出了適應(yīng)步兵戰(zhàn)車和自行高炮需要的雙供彈機(jī)構(gòu)[2]。研制出了適合鏈?zhǔn)皆砘鹋诘碾p路供彈樣機(jī)，并進(jìn)行了性能試驗(yàn)和艦載武器系統(tǒng)適配性研究[3]，對于新型機(jī)載供彈系統(tǒng)，還需要進(jìn)行適配性研究。

2 供彈系統(tǒng)可行的組合模式

根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，設(shè)計適合于某機(jī)高速供輸彈系統(tǒng)方案。其中包括：

1）可行的高速供輸彈和回收系統(tǒng)方案設(shè)計；

2）方案分析，包括可行的幾種方案對比分析，系統(tǒng)功率估計等。

滿足無鏈供彈（彈殼回收）技術(shù)的供彈系統(tǒng)可以有如表1所示的幾種模式。其結(jié)構(gòu)組合方式如圖1～圖3所示，輸彈收殼有序方式結(jié)構(gòu)如圖4所示。彈殼有序回收方式主要考慮清膛。自動機(jī)停射后，膛內(nèi)溫度較高，膛內(nèi)存彈是很危險的，膛內(nèi)存彈對維護(hù)也極不安全。清膛將增加一個供彈收殼旁路，此旁路的工作過程與射控過程相協(xié)調(diào)。

表1 幾種可行的供彈模式

旁路工作過程：自動機(jī)停射后，處于不同位置的閉鎖機(jī)抓有炮彈或彈殼，有的彈已入膛，有的處于未閉鎖或不完全閉鎖狀態(tài)。當(dāng)自動機(jī)進(jìn)入停射控制時間段，清膛回路通過離合器控制和輸彈（殼）導(dǎo)向機(jī)構(gòu)控制使進(jìn)入停射控制時間段射擊的彈殼進(jìn)入收殼旁路。再次射擊時，清膛回路離合器工作，控制輸彈（殼）導(dǎo)向機(jī)構(gòu)使進(jìn)入收殼旁路的彈殼轉(zhuǎn)入供輸彈回路。

圖4 輸彈有序收殼回路結(jié)構(gòu)示意圖

3 方案分析

3.1 基本技術(shù)狀態(tài)對比分析

綜合對比分析幾種供彈模式，箱式、鼓式以及雙螺旋閉合彈帶式無鏈供彈性能比較如表2所示。箱式無鏈供彈采用閉合彈帶與撥彈輪組合模式，鼓式無鏈供彈采用外鼓旋轉(zhuǎn)式無鏈供彈模式。

表2 幾種供彈模式性能對比

根據(jù)以上分析、雙方技術(shù)溝通以及考慮后續(xù)發(fā)展，方案采取以箱式供彈，箱內(nèi)閉合彈帶，端頭撥彈輪交接配合的無鏈供彈模式。因此，供彈系統(tǒng)供率估算主要以箱式供彈為主。

3.2 驅(qū)動功率估算

武器系統(tǒng)以新原理、新結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展，設(shè)計水平也大幅提高，其分析仍然多采用常規(guī)的力學(xué)模型，機(jī)構(gòu)設(shè)計也多運(yùn)用傳統(tǒng)的方法。相關(guān)的方法有：動力學(xué)分析方法，結(jié)構(gòu)特征值分析方法，結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析方法，以及與系統(tǒng)功率分析密切相關(guān)的傳遞函數(shù)分析法。高速供彈系統(tǒng)功率分析將運(yùn)動方程與傳遞函數(shù)分析法相結(jié)合。

多級機(jī)械傳動的系統(tǒng)中，其系統(tǒng)運(yùn)動方程可以寫為：

其中：M為 外力作用轉(zhuǎn)矩；Mfz為作用到輸出軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Ji為各級傳動環(huán)節(jié)（負(fù)載）的轉(zhuǎn)動慣量，i＝1，2，3，…；fi為各級傳動環(huán)節(jié)阻尼系數(shù)；ω 為第一級負(fù)載轉(zhuǎn)動角速度。

根據(jù)公式：Md＝Dm（θ）＋Dv（θ）2＋DF（θ）

求出Md須先確定Dm（θ）、Dv（θ）、DF（θ），可得到一個Md關(guān)于θ的微分方程，求解此方程，即可得到不同狀態(tài)下的Md值。

將上式作對應(yīng)項(xiàng)處理，由阻力矩和功率的對應(yīng)關(guān)系：Md＝Jβ，Nd＝Jβω和摩擦力與重力項(xiàng)引起的功率，求取供彈系統(tǒng)總功率估算值。啟動過程按勻加速過程處理，即ω＝βt（或β＝ω／t）。平動速度按V＝ωR計算。

3.3 供彈模式功率估算

通過計算，得到不同情況下各種供彈模式的功率，其值如表3所示。采用勻加速啟動，時間設(shè)定1s，彈藥基數(shù)210發(fā)。

表3 各種供彈模式功率表 kW

圖像化功率如圖5和圖6所示，曲線XS、GS、SLX分別表示箱式、鼓式、雙螺旋閉合彈帶式無鏈供彈功率。計算結(jié)果表明，箱式供彈組合對系統(tǒng)最大功率的要求并不比其他供彈模式的功率要求顯著提高。

圖7 3000發(fā)／min供彈功率與時間關(guān)系圖

圖7和圖8為箱式無鏈供彈在3000和7000發(fā)／min射速條件下，啟動時間為0.3s和1s時的供彈功率估算結(jié)果。同一坐標(biāo)系下功率軸抬高者，是啟動時間為0.3s的功率估算值。圖中字母pa、pb、pc、p分別代表摩擦力項(xiàng)、慣性力項(xiàng)、重力項(xiàng)對功率的貢獻(xiàn)和總功率。

圖8 7000發(fā)／min供彈功率與時間關(guān)系圖

4 結(jié)論

通過對多種組合模式的供彈系統(tǒng)仿真分析，以及對傳動結(jié)構(gòu)的深入研究，認(rèn)為箱式無鏈供彈和多層閉合彈帶式高速無鏈供彈組合具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：

1）對空間形態(tài)要求較低，可以根據(jù)給定的空間結(jié)構(gòu)狀況，設(shè)計成相應(yīng)的供彈分布狀態(tài)，由于閉合彈帶的可折疊性，使其沿結(jié)構(gòu)空間排列方便可靠；

2）在相同許可空間條件下，可取得較高的彈量容積率，相同備彈量情況下，可同時滿足較小的系統(tǒng)功率要求；

3）由本組合的特點(diǎn)，使得箱式結(jié)構(gòu)有利于保障空間定位、傳動組合和供輸彈的順利交接；

4）較低的空間形態(tài)要求，使得箱式供彈模式適用多種平臺的高射速武器系統(tǒng)。

[1]CPHERSON J.Advanced gun system and long rangeland and long rangeland attack projectile[Z].2005－09－07.

[2]梁世瑞.雙路供彈技術(shù)研究[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報，1997（2）：42－48.

[3]張世英.小口徑速射艦炮的供彈系統(tǒng)[J].現(xiàn)代艦船，1995（6）：20－22.

[4]于道文.自動武器學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1992.

[5]羅阿妮，劉賀平，胡勝海，等.艦炮供彈系統(tǒng)設(shè)計研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2006，27（5）：757－761.