一種內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器射控裝置設計

韓 鐵，袁志華，馬坤鵬

(沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159)

一種內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器射控裝置設計

韓 鐵，袁志華，馬坤鵬

(沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159)

內(nèi)能源轉(zhuǎn)管炮射控裝置以8253可編程計數(shù)器/定時器作為自動控制系統(tǒng)的核心，通過自動控制系統(tǒng)控制電磁離合器的離合，進而控制撥彈輪的轉(zhuǎn)動與否，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)管武器點射發(fā)數(shù)控制。方案中采用脈沖計數(shù)器，可滿足轉(zhuǎn)管武器精確點射發(fā)數(shù)要求。本設計的寄存器還可以對轉(zhuǎn)管武器累計發(fā)射彈數(shù)進行計數(shù)，便于射手射擊，為后勤維修提供了方便。

轉(zhuǎn)管武器；射控裝置；自動控制系統(tǒng)；電磁離合器

轉(zhuǎn)管武器是指利用外能源或內(nèi)能源驅(qū)動身管轉(zhuǎn)動,帶動武器完成各種自動動作進行連續(xù)射擊的多管武器。轉(zhuǎn)管武器以火力密集、可靠性高等特點，在防空、地面壓制以及空對地攻擊等方面得到了廣泛應用[1]。高射頻是轉(zhuǎn)管武器的主要特點[2]，由于轉(zhuǎn)管武器射速極高，在進行航炮攻擊時，常出現(xiàn)無炮彈攻擊等現(xiàn)象，給射手造成很大的心理負擔[3]。為節(jié)約彈藥，并對不同目標進行有效射擊，更好地達到戰(zhàn)術要求，轉(zhuǎn)管武器應設計射擊控制器，控制點射的射彈數(shù)。另外，連續(xù)射擊會降低身管壽命，身管壽命可用規(guī)定合理的射擊規(guī)范加以解決[4]。

本文設計了一種內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器射控裝置，可完成對射擊彈數(shù)的控制。

1 內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器工作原理

內(nèi)能源是轉(zhuǎn)管武器利用槍彈擊發(fā)后產(chǎn)生的部分火藥氣體作動力，通過一套傳動機構使槍管組和機心匣旋轉(zhuǎn)并帶動機心完成射擊循環(huán)。當?shù)谝话l(fā)槍彈擊發(fā)后，火藥氣體進入活塞筒腔內(nèi)，通過活塞筒內(nèi)端面的作用，迫使活塞筒相對槍管作直線運動，活塞筒進行邊后退邊旋轉(zhuǎn)的螺旋運動，活塞筒內(nèi)側(cè)的傳動凸起即帶動槍管組旋轉(zhuǎn)。機心通過機心導桿上的滾輪沿著炮箱內(nèi)螺旋槽的軌跡作圓周和往復直線的合成運動。由于槍管組同機心匣聯(lián)為一體，機心匣隨之轉(zhuǎn)動，迫使機心組完成射擊循環(huán)動作[5]。

2 射控裝置總體方案

根據(jù)內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器射擊原理，設計了射控裝置總體方案。射控裝置由射控機構和自動控制機構組成。電磁離合器是射控機構的核心，它是一種自動化執(zhí)行軟件，主動軸通過電磁力可軸向移動，實現(xiàn)力的傳遞。自動控制系統(tǒng)由主控計算機、固態(tài)繼電器和脈沖計數(shù)器組成。開始工作時，安裝在撥彈輪上的脈沖計數(shù)器將計數(shù)值反饋到主控計算機，主控計算機通過固態(tài)計算器控制電磁離合器的離合。當射擊彈數(shù)達到設置值時，主控計算機使離合器分離，停止射擊。

圖1 總體方案框圖

3 射控機構

由轉(zhuǎn)管武器工作原理可知，對于內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器，只要控制武器供彈部分不再供彈，轉(zhuǎn)管武器便失去了驅(qū)動能源，即可達到停止射擊的目的。本文設計的射控機構，通過電磁離合器的離合控制撥彈輪的轉(zhuǎn)動，從而控制武器供彈，達到停射目的。射控機構如圖2所示。

圖2 射控機構原理圖

軸1為機匣傳動軸，通過齒輪1帶動齒輪2轉(zhuǎn)動。齒輪2通過斜鍵安裝在可軸向移動的軸3上。軸3右端與離合器的活動鐵心接觸，左側(cè)插入六邊形套筒內(nèi)，并與彈簧相連。軸2固定，其右側(cè)與套筒連為一體，并與彈簧相連，左側(cè)安裝撥彈輪。

離合器在斷電狀態(tài)下活動鐵心向外伸出，軸3上鍵與齒輪2鍵槽分離，彈簧處于壓縮狀態(tài)。當離合器通電后，活動鐵心向里吸合，軸3在彈簧力作用下向右移動，斜鍵與齒輪2上鍵槽結合，齒輪1帶動齒輪2轉(zhuǎn)動，通過軸向傳動，使撥彈輪轉(zhuǎn)動，武器供彈，開始射擊。離合器斷電后，活動鐵心復位，斜鍵再次與齒輪3上鍵槽分離，此時，齒輪2雖在轉(zhuǎn)動，但軸2停止轉(zhuǎn)動，撥彈輪不再供彈。

4 自動控制機構

4.1 硬件工作原理

主控計算機主要用于接收傳感器送來的武器射擊脈沖，加以識別、處理、并進行計算和比較，按照預定的程序輸出各種控制信號給接口電路，接口電路再經(jīng)過適配器控制武器進行射擊與停射，并將計算出的剩余炮彈數(shù)送給顯示器實時顯示，同時存儲武器射擊炮彈數(shù)的相關信息，并在斷電狀態(tài)下保存各種數(shù)據(jù)。

由于電磁鐵工作電流和啟動電機的工作電流很大，單片機無法提供如此大的控制電流對電磁鐵和啟動電機進行直接控制。所以采用兩個繼電器分別作為電磁鐵和啟動電機電路的開關，控制電磁鐵和啟動電機電路的關斷與閉合。

硬件工作原理如圖3所示。

4.2 編程結構

可編程計數(shù)器/定時器的功能體現(xiàn)在兩個方面，一是作為定時器；二是作為計數(shù)器[6]。

圖3 硬件工作原理圖

本方案計數(shù)器/定時器采用Intel 8253，其編程結構如圖4所示。

圖4 8253編程結構圖

8253內(nèi)部有三個計數(shù)器，分別稱為計數(shù)器0、計數(shù)器1和計數(shù)器2，其結構完全相同。每個計數(shù)器的輸入輸出都決定于設置在控制寄存器中的控制字，它們共用一個控制器，但相互之間完全獨立。每個計數(shù)器通過三個引腳與外部聯(lián)系，一個為時鐘輸出端CLK，一個為門控信號GATE，另一個為輸出端OUT。每個計數(shù)器內(nèi)部有一個16位的計數(shù)初值寄存器CR，一個計數(shù)器執(zhí)行部件CE和一個輸出鎖存器OL。執(zhí)行部件是一個16位減法計數(shù)器，其起始值就是初值寄存器的值，而初值寄存器的值由程序控制。這樣可通過設置寄存器處置來控制電路，實現(xiàn)離合器的離合與轉(zhuǎn)管武器停射。

計數(shù)器的執(zhí)行部件是計數(shù)器的核心部件，它從初值寄存器中獲得計數(shù)初值，便進行減法計數(shù)，鎖存器隨計數(shù)執(zhí)行部件的內(nèi)容而變化，當有一個鎖存命令到來時，鎖存器便鎖定當前計數(shù)，直到被讀走以后，又跟隨計數(shù)執(zhí)行部件進行下一個動作。

4.3 點射彈數(shù)控制方案選擇

實現(xiàn)點射彈數(shù)的精確控制有兩種方法，一種是定時停止射擊，另一種是控制自動機轉(zhuǎn)過一定角度停止射擊，無論采用哪種方法都需要使用定時計數(shù)器來實現(xiàn)。

4.3.1 計時方案

本方案采用延時控制，定時器的門控信號GATE與擊發(fā)按鈕連接，CLK信號連接1MHz標準時鐘信號，在進行射擊前先進行射擊彈數(shù)選擇，系統(tǒng)自動裝載延時時間。

要實現(xiàn)轉(zhuǎn)管武器30發(fā)、60發(fā)、120發(fā)的點射，可通過CLK時鐘信號控制時間，從而控制電磁鐵離合實現(xiàn)武器的停射。本方案中8253的頻率為1MHz，T=1/f=1×10，轉(zhuǎn)管武器射速為6000發(fā)/min，計數(shù)初值計算如表1所示。

表1 延時計數(shù)器計數(shù)初值

根據(jù)計算結果可以看出，如果實現(xiàn)30發(fā)點射，那么延時時間為0.3s，標準時鐘信號輸出3×105個方波信號，在延時結束后OUT信號輸出一個下降沿信號，控制電磁鐵離合，撥彈輪停止供彈。其時序圖如圖5所示。

圖5 延時控制的時序圖

由于撥彈輪開始射擊時轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，采用此方法的誤差較大。

4.3.2 脈沖控制方案

本方案采用脈沖控制，定時器的門控信號GATE與擊發(fā)按鈕相連，CLK信號連接脈沖計數(shù)器，傳動齒輪上安裝脈沖，每轉(zhuǎn)過一個齒，就有一個脈沖，計數(shù)器進行計數(shù)。射擊前通過設置計數(shù)初值來選擇射擊彈數(shù)，當撥彈輪轉(zhuǎn)過預定角度后，OUT產(chǎn)生一個下降沿，離合器分離，撥彈輪停止供彈。本方案設計的六管轉(zhuǎn)管武器，即撥彈輪每轉(zhuǎn)過360°射擊六發(fā)子彈，傳動裝置齒輪齒數(shù)設計為30，每轉(zhuǎn)過12°即產(chǎn)生一個脈沖信號。計數(shù)初值計算如表2所示。

表2 脈沖計數(shù)器計數(shù)初值

時序圖如圖6所示。

圖6 采用脈沖控制的時序圖

通過設置脈沖計數(shù)器可達到精確射擊的目的。比較兩個方案，本設計采用脈沖控制方案，即控制自動機轉(zhuǎn)過的角度。

4.4 輸入/輸出控制

由于計數(shù)器具有計數(shù)功能，可將累計脈沖數(shù)發(fā)往寄存器，計算累計發(fā)射的彈數(shù)。顯示時，系統(tǒng)將寄存器的數(shù)據(jù)調(diào)出來，換算成射擊發(fā)數(shù)，在顯示器上顯示?？傒d彈量減去累計發(fā)射的彈數(shù)即剩余炮彈量。顯示面板由6個7段LED數(shù)碼管組成六位的10進制數(shù)顯示器，可以滿足此武器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示要求。LED數(shù)碼管顯示器具有功耗低，顯示亮度高的優(yōu)點。

六位7段LED數(shù)目管顯示器功能：當顯示累計發(fā)射數(shù)目時，六位顯示器全部顯示累計發(fā)射數(shù)目的數(shù)據(jù)。在其它時間，前三位顯示轉(zhuǎn)管武器最常用的發(fā)射模式“30”、“60”或“120”各按鍵功能，控制器外觀示意圖如圖7所示。

圖7控制器外觀示意圖

“累計”：按下此按鍵時，顯示器會顯示武器的累計發(fā)射數(shù)目，“XXXXXX”。

“射擊”：按下此鍵時，武器迅速開始根據(jù)預定程序進行射擊，達到停射條件時，武器根據(jù)設定的程序停射，并顯示此次發(fā)射模式“30XXXX”、“60XXXX”或“120XXX”。

“30”：按下此鍵時，武器自動控制系統(tǒng)會預置下次發(fā)射模式，即點射數(shù)。并顯示“30XXXX”。

60發(fā)和120發(fā)同理。

“輸入”：此鍵為載彈量數(shù)據(jù)輸入按鍵，按下此鍵，可通過數(shù)字按鍵“0、1、2、3、4、5、6、7、8、9”輸入載彈量。輸入模式為從數(shù)據(jù)的高位到低位依次輸入，直到按下“確定”按鍵時完成載彈量的輸入。在“輸入”按鍵按下后，除數(shù)字鍵和“確定”鍵外，其他按鍵均無效。

控制面板操作過程：

主機接通電源后，按電源鍵，主控計算機開機，自動控制系統(tǒng)開始工作，并顯示上次武器的發(fā)射模式和載彈量，顯示格式“30XXXX”、“60XXXX”或“120XXX”為載彈量模式，“30”、“60”或“120”為發(fā)射模式，即30發(fā)、60發(fā)或120發(fā)點射。系統(tǒng)第一次工作時的初始數(shù)據(jù)為零，顯示“000000”。

按下各按鍵時，系統(tǒng)根據(jù)預置的程序識別各功能鍵和數(shù)字鍵，對武器系統(tǒng)進行各種功能控制和操作[7]。

5 裝置可行性分析

電磁離合器和計數(shù)器已成功應用于23mm航炮上，本設計中將電磁離合器和計數(shù)器組合，用于控制射彈發(fā)數(shù)是可行的。設轉(zhuǎn)管武器射速為6000發(fā)/min，則射擊一發(fā)彈藥的時間為10ms；自動控制系統(tǒng)從采集信號、作出判斷到向控制電磁鐵的繼電器發(fā)出信號的時間約為0.02ms，繼電器的反應時間為0.1ms；電磁鐵電路由于采用了逆變電容升壓電路，可認為電流上升時間很短暫，約為2ms。累計以上動作時間，武器自動控制系統(tǒng)控制停射的總時間在13ms之內(nèi)。

綜上：點射理論控制精度可控制在±2發(fā)以內(nèi)。

6 結論

針對內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器設計了一種基于電磁離合器的射控裝置，本裝置通過控制電磁離合器的離合來控制撥彈輪的轉(zhuǎn)動與停止，實現(xiàn)對高射速轉(zhuǎn)管武器點射數(shù)目的精確控制。通過計數(shù)器可對點射炮彈數(shù)和累計發(fā)射炮彈數(shù)進行記錄，并可顯示剩余炮彈數(shù)和累計發(fā)射炮彈數(shù)等功能。

[1]范會兵，朱凝華.外能源轉(zhuǎn)管武器射頻控制系統(tǒng)的設計[J].產(chǎn)品開發(fā)與設計，2006，16(5)：37-39.

[2]唐亞鳴，廖振強，王暉.新型內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器驅(qū)動技術研究[J].兵工學報，2002，23(2)：273-275.

[3]李元壘，付興振.高速航炮余彈計數(shù)器的設計[J].電子產(chǎn)品世界，2002，(2)：32-33.

[4]薄玉成，王惠源，解志堅.轉(zhuǎn)管武器總體技術的若干問題[J].火炮發(fā)射與控制學報，2005，11(3)：9-12.

[5]何志強，黃守仁，李載紅.航空自動武器設計手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社，1990：145-162.

[6]馮博琴，吳寧.微型計算機原理與接口技術[M].北京：清華大學出版社，2007：283-285.

[7]eeprom.MC34063.http://www.dianyuan.com/bbs/d/69/253333.html,2008-09-03.

DesignaMechanismtoControltheBurstFiringforOwnEnergySpinTubeGun

HAN Tie，YUAN Zhihua，MA Kunpeng

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

The mechanism to control the burst firing for the own energy spin tube gun makes 8253 programmable counter/timer as the core of the automatic control system,through the automatic control system to control the electromagnetic clutch of the clutch,then control the allocation of ammunition rounds of rotation or not,in order to control the number of burst firing of the gun.The program uses pulse counter to meet the precise burst of the gun′s requests.The design of the register can not only count the total number of the gun fired,make the shooter easily to fire,but also provide a convenient logistics service.

spin tube gun； firing number-controlled mechanism; automatic control system；electromagnetic clutch

2013-06-04

韓鐵(1986—)，男，碩士研究生；通訊作者：袁志華(1963—)，男，教授，研究方向：火炮自動武器與彈藥工程.

1003-1251(2014)01-0077-04

TJ35

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趙麗琴)