高速雙向供彈活動(dòng)導(dǎo)引控制技術(shù)研究

李子明，徐迅之

(1.海軍裝備部西安局，陜西 西安 710043；2.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033)

隨著反艦導(dǎo)彈技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)小口徑反導(dǎo)艦炮的要求也越來(lái)越高，大幅度提高反導(dǎo)艦炮的射速，是提高反導(dǎo)命中和毀傷概率的有效手段[1-3]。俄羅斯的“嘎什坦”6管30 mm火炮及瑞士的7管25 mm火炮系統(tǒng)射速達(dá)到10 000發(fā)/min[4-5]，均采用雙聯(lián)裝轉(zhuǎn)管炮，其體積和后坐力大，精度差。如果增加管數(shù)和轉(zhuǎn)速，30 mm口徑的單轉(zhuǎn)管炮也可達(dá)到9 000～10 000發(fā)/min，且結(jié)構(gòu)緊湊、后坐力小、精度高，但技術(shù)難度增加，尤其是供彈系統(tǒng)的可靠性難以解決。為解決這一難題，采用雙向交替供彈方案，使其單向供彈速度減半，供彈受力減小，可靠性提高；其關(guān)鍵技術(shù)之一是活動(dòng)導(dǎo)引的控制。本文重點(diǎn)對(duì)高速雙向交替供彈活動(dòng)導(dǎo)引的控制技術(shù)進(jìn)行研究。

1 高速雙向交替供彈原理

圖1為雙向交替供彈原理圖。左右彈鼓分別向撥彈輪4、6供彈，在撥彈輪2、3的中間上方有一活動(dòng)導(dǎo)引，當(dāng)左邊供彈時(shí)，將活動(dòng)導(dǎo)引推向右邊，當(dāng)右邊供彈時(shí)，將活動(dòng)導(dǎo)引推向左邊，從而實(shí)現(xiàn)雙向交替供彈。

設(shè)轉(zhuǎn)管炮的射速為9 000發(fā)/min，每發(fā)炮彈使活動(dòng)導(dǎo)引從左到右或從右到左擺動(dòng)1次，擺動(dòng)頻率為150次/s，可見活動(dòng)導(dǎo)引的擺動(dòng)頻率較高?？刂茖?dǎo)引擺動(dòng)最簡(jiǎn)單的辦法是利用左右供來(lái)的炮彈撞擊活動(dòng)導(dǎo)引，使其快速擺動(dòng)，到位后由擋塊擋住。

以活動(dòng)導(dǎo)引回轉(zhuǎn)中心B與撥彈輪2、3的回轉(zhuǎn)軸心連線的垂直交點(diǎn)O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，炮彈撞擊活動(dòng)導(dǎo)引時(shí)的尺寸及位置關(guān)系見圖2。

圖中，A為撥彈輪2或3的回轉(zhuǎn)軸心，D為炮彈橫斷面中心，F(xiàn)為炮彈與活動(dòng)導(dǎo)引圓弧初始撞擊切點(diǎn)。

設(shè)：OA=AD=CD=68 mm,OB=75 mm,CF=88.2 mm;∠OBE=22.5°，∠ABC=45°，則:

AB=BC=101.237mm

AF=77.724mm，BF=23.67mm，β=7.45°。

又設(shè)ω1和ω2分別為活動(dòng)導(dǎo)引和轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速，則:

ω1/ω2=AFcosβ/BF

ω1=AF×ω2cosβ/BF=29 297.3 (°)/s

由此可見，活動(dòng)導(dǎo)引被撞擊后速度非常大，到位后高速撞擊擋塊，容易發(fā)生斷裂，其壽命無(wú)法得到保證。

雖然導(dǎo)引采用價(jià)格昂貴的超高強(qiáng)度合金鋼(σb為1 900 N/mm2)并在到位時(shí)用緩沖簧緩沖后，但其使用壽命僅能達(dá)到設(shè)計(jì)值的三分之一。另一方面，撞擊時(shí)活動(dòng)導(dǎo)引對(duì)炮彈的反作用力較大，使炮彈在供彈接口中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受到一定影響，降低了供彈可靠性。

2 活動(dòng)導(dǎo)引控制裝置技術(shù)方案

上節(jié)分析表明：如果能夠控制活動(dòng)導(dǎo)引有規(guī)律的擺動(dòng)，減少其受力并避免與炮彈撞擊，則可提高活動(dòng)導(dǎo)引壽命及供彈可靠性[6-8]。

控制活動(dòng)導(dǎo)引的技術(shù)方案是在活動(dòng)導(dǎo)引后位增加一個(gè)機(jī)械控制裝置(以下簡(jiǎn)稱控制裝置)。該控制裝置主要由導(dǎo)引聯(lián)接器、轉(zhuǎn)輪1和2組成。導(dǎo)引聯(lián)接器固聯(lián)在活動(dòng)導(dǎo)引后端，轉(zhuǎn)輪1與2相同，分別安裝在撥彈輪2、3的傳動(dòng)軸上；每個(gè)轉(zhuǎn)輪上伸出3個(gè)桿，相隔120°均勻分布，其結(jié)構(gòu)原理見圖3。

圖中，活動(dòng)導(dǎo)引在左位并即將右擺，此時(shí)右路炮彈(彈1)已脫離導(dǎo)引，隨后桿1轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)導(dǎo)引聯(lián)接器(活動(dòng)導(dǎo)引)擺動(dòng)，桿1的N點(diǎn)從圖中位置到達(dá)導(dǎo)引聯(lián)接器的c點(diǎn)時(shí)，活動(dòng)導(dǎo)引(擺動(dòng)45°)到達(dá)并停在右位，隨后活動(dòng)導(dǎo)引為彈2作導(dǎo)引，當(dāng)桿1的M點(diǎn)到達(dá)導(dǎo)引聯(lián)接器的d點(diǎn)時(shí)，桿4的PQ弧與導(dǎo)引聯(lián)接器的gh弧接觸，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)桿1脫離導(dǎo)引聯(lián)接器。當(dāng)桿1轉(zhuǎn)動(dòng)60°時(shí)，桿4的Q點(diǎn)到達(dá)導(dǎo)引聯(lián)接器的g點(diǎn)，開始重復(fù)上述動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引聯(lián)接器(活動(dòng)導(dǎo)引)的有序擺動(dòng)。

由圖3還可以看出，轉(zhuǎn)輪的桿越長(zhǎng)，導(dǎo)引聯(lián)接器的擺動(dòng)速度越快，擺動(dòng)時(shí)間越短，起始點(diǎn)的撞擊速度和撞擊力越大，反之，起始點(diǎn)的撞擊速度和撞擊力越小，擺動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)。因此，在導(dǎo)引聯(lián)接器擺動(dòng)過(guò)程中，活動(dòng)導(dǎo)引不與炮彈干涉時(shí)盡量縮短桿長(zhǎng)。

圖4是活動(dòng)導(dǎo)引在左限位時(shí)控制裝置與炮彈的位置關(guān)系圖。

此時(shí)，

α=α0=22.5°,β=β0,θ=θ0

BD=88.2 mm，BG=68 mm，OE=45 mm，EF=3.34 mm

AO=BO=101.237mm，∠CBD= 39.56°

由圖4所示幾何關(guān)系可得彈1中心到活動(dòng)導(dǎo)引的距離FG、活動(dòng)導(dǎo)引轉(zhuǎn)動(dòng)角度α的關(guān)系式為：

FG=[(BC+OEsinα-EFcosα-BGcosβ)2+(OC-OEcosα-EFsinα-BGsinβ)2]0.5

(1)

tanα=AH(AO-AHcosθ)-1sinθ

(2)

α=arctan{[sin(α0+θ0)-sinα0cos(θ0-ωt)]-1sinα0sin(θ0-ωt)}

(3)

式中，ω為轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速；t為時(shí)間。

當(dāng)β由β0+∠GBD到β0的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，活動(dòng)導(dǎo)引不動(dòng)，隨后活動(dòng)導(dǎo)引在轉(zhuǎn)輪帶動(dòng)下向右擺動(dòng)，擺動(dòng)45°后到右限位，此時(shí)，轉(zhuǎn)輪1、轉(zhuǎn)輪2及炮彈轉(zhuǎn)動(dòng)2θ0，每發(fā)彈間隔60°，故:

∠CBD-β0=∠GBD=60°-2θ0

β=β0-ωt=2θ0-20.44-ωt

(4)

將式(3)、式(4)帶入式(1)，選取不同的ωt和θ0，計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 不同的ωt和θ0時(shí) FG的值 mm

只要FG的值大于炮彈的半徑，即可保證活動(dòng)導(dǎo)引與炮彈不干涉。取FG最小距離不小于22 mm(留2 mm余量)，初始角θ0選17.5°滿足要求。

將θ=17.5°帶入式(2)，可得對(duì)應(yīng)桿長(zhǎng)AO=60.3 mm。

3 計(jì)算與分析

根據(jù)式(2)，得 ：

α=arctan{[AO(AH)-1-cos(θ0-ωt)]-1sin(θ0-ωt)}

令k=AO/AH，并對(duì)上式求導(dǎo)可得出活動(dòng)導(dǎo)引的轉(zhuǎn)速ω3為：

ω3=ω[1-kcos(θ0-ωt)][k2+1-2kcos(θ0-ωt)]-1

當(dāng)θ0-ωt=0°時(shí)，ω3達(dá)到最大值，其絕對(duì)值為:

|ωmax|=11 080.8 (°)/s

可見改進(jìn)后活動(dòng)導(dǎo)引的最大速度比原方案低，下降比例為:

K1=(ω1-ωmax)/ω1×100% =54.8%

當(dāng)t=0時(shí)，ω3為初始速度，其絕對(duì)值為:

|ω0|=6 919.2 (°)/s

此轉(zhuǎn)速也是活動(dòng)導(dǎo)引擺動(dòng)到位時(shí)的轉(zhuǎn)速，由此可見，起始點(diǎn)的撞擊速度比原方案炮彈撞擊活動(dòng)導(dǎo)引的速度大幅度降低，下降比例為:

K2=(ω1-ω0)/ω1×100%=76.38%

4 結(jié) 論

增加控制裝置可有效降低活動(dòng)導(dǎo)引的撞擊速度和最大速度，從而大幅度減小了活動(dòng)導(dǎo)引受到的載荷，提高其使用壽命，另一方面，改進(jìn)方案避免了炮彈與活動(dòng)導(dǎo)引的撞擊，使供彈可靠性得到提高。

[1] 黎春林，馬順山.超近程反導(dǎo)武器系統(tǒng)探討[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2003，31(1)：12-14.

LI Chun-lin，MA Shun-shan. Research on super close-in antimissile weapon system [J].Modern Defence Technology，2003，31(1) ：12-14.(in Chinese)

[2] 張春來(lái).近程反導(dǎo)武器系統(tǒng)[J].艦載武器，2002(1)：29-32.

ZHANG Chun-lai. Close-in antimissile weapon system [J]. Shipborne Weapons，2002(1)：29-32. (in Chinese)

[3] 鄭偉新，李陸翼.反艦導(dǎo)彈與近程反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)[J].海軍工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1999(1)：68-72.

ZHENG Wei-xin，LI Lu-yi. The close-in antimissile shipborne gun weapon system and antiship missile [J].Journal of Naval University of Engineering，1999(1)：68-72. (in Chinese)

[4] 唐偉方.國(guó)外近程反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].艦船工程研究，2003(1)：40-43.

TANG Wei-fang. The current situation and development trend about foreign close-in antimissile shipborne gun weapon system [J]. Ship Engineering Research ，2003(1)：40-43. (in Chinese)

[5] 王寶成，馮宇晨.近程反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[J]. 火炮發(fā)射與控制，2008(3)：94-96.

WANG Bao-cheng，F(xiàn)ENG Yu-chen. Development trend about the weapon system of the short range antimissile naval gun[J].Journal of Gun Launch & Control，2008(3)：94-96. (in Chinese)

[6] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第4卷[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001：19-26.

CHENG Da-xian. Machine design handbook(Vol.4) [M].Beijing：China Chemical Industry Press, 2001：19-26(in Chinese)

[7] 戴成勛，靳天佑，朵英賢.自動(dòng)武器設(shè)計(jì)新編[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1990：116-128.

DAI Cheng-xun，JIN Tian-you，DUO Ying-xian. New edition of automatic weapon design[M].Beijing: National Defense Industry Press，1990：116-128. (in Chinese)

[8] 姚養(yǎng)無(wú).火炮與自動(dòng)武器動(dòng)力學(xué)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2000：71-78.

YAO Yang-wu. Dynamics of gun and automatic weapon[M].Beijing:The Publishing House of Ordnance Industry，2000：71-78. (in Chinese)