狙擊步槍新型電動擊發(fā)裝置設(shè)計與分析

劉華，范大鵬，李勝鵬，周擎坤（.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院，湖南長沙40073；.湖南兵器資江機器有限公司，湖南益陽43000）

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狙擊步槍新型電動擊發(fā)裝置設(shè)計與分析

劉華1，范大鵬1，李勝鵬2，周擎坤1
（1.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院，湖南長沙410073；2.湖南兵器資江機器有限公司，湖南益陽413000）

摘要：針對狙擊步槍手動擊發(fā)對瞄準(zhǔn)線的擾動以及響應(yīng)速度慢等不足，提出一種新型嵌入握把內(nèi)部的電動擊發(fā)裝置，分析其工作原理，建立電擊發(fā)裝置的參數(shù)化模型，并對該電擊發(fā)裝置進行了仿真分析與實驗測試。結(jié)果表明：該電動擊發(fā)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射機電控擊發(fā)，其對瞄準(zhǔn)線方位方向的擾動幅度降為手動擊發(fā)的1/5，可有效降低擊發(fā)對瞄準(zhǔn)線的擾動，提高射擊精度；響應(yīng)時間約為35 ms，遠快于手動擊發(fā)速度，提高了狙擊步槍擊發(fā)的響應(yīng)速度，有助于準(zhǔn)確把握擊發(fā)時機。

關(guān)鍵詞：兵器科學(xué)與技術(shù)；電動擊發(fā)；電磁鐵；響應(yīng)時間；擊發(fā)時機；實驗測試

0　引言

狙擊步槍射擊速度較低，其射擊精度主要由瞄準(zhǔn)的準(zhǔn)確與穩(wěn)定程度和扳機控制的水平兩個因素決定。在沒有瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定的輔助裝置前提下，瞄準(zhǔn)線一直在目標(biāo)附近動態(tài)調(diào)整，射手需要大量的實彈射擊訓(xùn)練，才能做出準(zhǔn)確判斷，選擇良好的擊發(fā)時機，獲得較好的射擊精度［1］。生物力學(xué)中理論證明：人的大腦從接受外界對肌肉的刺激到對其做出反應(yīng)并做出相應(yīng)的動作所需的時間約200～300 ms［2］，由于射手自身的抖動以及射手與目標(biāo)間的相對運動，反應(yīng)延遲很可能導(dǎo)致瞄準(zhǔn)線脫離目標(biāo)，造成射擊精度下降。同樣，扳機控制水平也直接影響射擊精度，平穩(wěn)順暢地扣壓扳機能夠有效減小槍口跳動。若扣壓力不均勻比如突發(fā)情況猛扣扳機，或者由于害怕后坐而臆測擊發(fā)，出現(xiàn)聳肩情況，都會導(dǎo)致射擊精度急劇下降。

為了提高射擊精度，使射手具有良好的扳機控制水平以及準(zhǔn)確判斷擊發(fā)時機的能力，傳統(tǒng)的方法是增加射手的生理、心理訓(xùn)練強度。該方法耗費大量的人力、物力、財力，培養(yǎng)射手的周期長。受環(huán)境以及射手心理、體能等因素的影響，該方法對提高射擊精度效果并不理想。美國陸軍實驗室等科研機構(gòu)與公司［3-5］提出了采用電動控制擊發(fā)機構(gòu)結(jié)合計算機控制與傳感器技術(shù)的方法來提高射擊精度，取得了較好的實驗效果。國內(nèi)在步槍上加裝電控裝置的主要集中于車載機槍，且采用現(xiàn)成的電磁鐵，體積重量較大，安裝于狙擊步槍上，人機工效差，難以滿足單兵作戰(zhàn)使用要求。因此，本文提出一種具有較高人機工效的握把式電擊發(fā)裝置，免除射手扣扳機引入的干擾，準(zhǔn)確把握擊發(fā)時機，以達到提高射擊精度目的。

1　結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

電擊發(fā)裝置總體設(shè)計思路為在不改變原有發(fā)射機結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，充分利用發(fā)射機外圍空間，將電磁鐵集成于握把之中，保證原有槍械的人機工效。安裝電磁鐵后的發(fā)射機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　集成電磁鐵的發(fā)射機結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of transmitter with electromagnet

電擊發(fā)裝置主要由發(fā)射機、握把電磁鐵及其連接銷釘組成。其中，握把電磁鐵包括推桿、拉桿、鐵芯、線圈、芯柱、磁軛、線圈骨架以及握把底蓋等。將電擊發(fā)鐵芯以及線圈等嵌入在握把之中，握把的外形尺寸不變，不改變射手的操控習(xí)慣。電擊發(fā)裝置為模塊化設(shè)計，與握把集成，不改變現(xiàn)有發(fā)射機結(jié)構(gòu)。電擊發(fā)裝置工作過程為控制算法判斷瞄準(zhǔn)線偏差，滿足射擊條件后，將電擊發(fā)裝置通電，電擊發(fā)鐵芯向下運動，使具有杠桿作用的電擊發(fā)推桿一端向下運動，另一端則向上運動推動扳機運動，直到擊發(fā)。電擊發(fā)裝置推桿與扳機之間相對獨立，射手在不需電擊發(fā)時，可以手動擊發(fā)。

2　電擊發(fā)裝置參數(shù)化模型

去除發(fā)射機內(nèi)部各零件外形，僅保留其關(guān)鍵尺寸，得到如圖2所示的受力分析圖。扳機與電擊發(fā)推桿形成凸輪擺桿機構(gòu)，扳機O1A為凸輪機構(gòu)擺桿，O1為扳機回轉(zhuǎn)軸，A點為扳機與電擊發(fā)推桿接觸點，長度為lT；電擊發(fā)推桿與扳機接觸的輪廓為偏心圓形成的凸輪，以O(shè)2為凸輪回轉(zhuǎn)中心，O1O2間距離為lC，OC為偏心凸輪圓心，其半徑為R；BC為電擊發(fā)的鐵芯，鐵芯BC與電擊發(fā)推桿間為移動副，B點可沿電擊發(fā)推桿O2B滑動，O2B與O2OC間夾角為θ0，O2OC與O1O2連線間夾角為θP，鐵芯BC與O1O2連線的夾角為θB，O2到鐵芯BC的距離為l0.以O(shè)1點為坐標(biāo)原點，O1O2連線為X軸，建立O1XY坐標(biāo)系。

圖2　電擊發(fā)內(nèi)部零件受力分析Fig.2 Force analysis of internal parts

由于B′為固定點，因此BB′長度變化等于電擊發(fā)鐵芯運動距離，因此，鐵芯的氣隙δ可表示為

式中：θP0為推桿在鐵芯吸合時的角度。

A點在圓弧上，可得

式中：Cst=（R2-l2P-l2T-l2C）/2.

O2到直線OCA的距離為

電擊發(fā)裝置的核心部件為直流螺線管電磁鐵，吸力″表達式［6］為

式中：I為線圈中通過的電流；N為線圈中匝數(shù)；S為磁路截面積；μ0為真空中的磁導(dǎo)率。

扳機在A點受到推桿的推力為″A，產(chǎn)生的驅(qū)動力矩為TA，鐵芯的拉力為″B，根據(jù)力傳遞關(guān)系計算得驅(qū)動力矩TA為

式中：η為機構(gòu)總傳遞效率；″B為

驅(qū)動力矩TA大于扳機阻力矩TT即可實現(xiàn)電控擊發(fā)。

當(dāng)線圈接通電流時，由于有自感電動勢存在，線圈內(nèi)電流I由0呈指數(shù)方式上升到穩(wěn)態(tài)值I0.設(shè)線圈的內(nèi)阻為Re，電感為L，則其表達式為

因此，電擊發(fā)鐵芯的動力學(xué)模型［7］為

式中：″Te為扳機運動過程中等效阻力；Me為發(fā)射機運動部件等效質(zhì)量；Ce為等效阻尼；Ke為發(fā)射內(nèi)部彈簧等效剛度。

利用（7）式可估算出電磁鐵響應(yīng)時間與發(fā)射機擊發(fā)響應(yīng)時間［8］，設(shè)計時應(yīng)使其響應(yīng)時間盡可能小?？紤]到鐵芯剩磁與線圈電感的存在，電磁鐵斷電后仍會吸合一段時間，為防止造成連發(fā)，需通過設(shè)計凸輪裝置利用自動機后座能量使其迅速釋放，保證單發(fā)射擊。

3　仿真分析與實驗測試

根據(jù)電擊發(fā)裝置的具體結(jié)構(gòu)尺寸，由（2）式、（5）式可得到鐵芯氣隙δ與扳機行程DT與扳機驅(qū)動力矩TA數(shù)值解，如圖3所示。

由圖3中可知驅(qū)動力矩TA在氣隙小于4.75 mm時大于扳機阻力矩TT，扳機預(yù)壓行程約為0.8 mm，滿足預(yù)壓行程要求。

圖3　鐵芯氣隙與驅(qū)動力矩、扳機行程關(guān)系Fig.3 Relationships among iron core gap，driving torque and trigger displacement

3.1仿真分析

圖3為理想條件計算結(jié)果，沒有考慮漏磁通、磁路飽和等因素，為提高設(shè)計的準(zhǔn)確度，采用多物理場仿真軟件COMSOL對電擊發(fā)裝置進行有限元建模，計算線圈內(nèi)部的磁場分布，計算電磁鐵在不同氣隙下的輸出力。

圖4（a）所示為磁路理論計算吸力″c與COMSOL的忽略磁飽和電磁吸力″l的對比圖，兩條曲線基本一致，表明漏磁影響相對較小。圖4（b）為考慮磁飽和情況時所示的力-位移曲線，從圖4（b）中可以看出，電磁吸力明顯小于忽略磁飽和時情況，說明磁路發(fā)生了飽和。

進一步可發(fā)現(xiàn)，預(yù)壓扳機使氣隙為4 mm時，電磁吸力為80 N左右，對應(yīng)的扳機驅(qū)動力矩為1.33 N·m，滿足預(yù)壓后擊發(fā)扳機的力需求。因此，該電擊發(fā)的設(shè)計能夠滿足功能要求。

圖4　電磁吸力仿真分析Fig.4 Simulating analysis of electromagnetic force

3.2實驗測試

為了驗證電擊發(fā)裝置對瞄準(zhǔn)線影響小、射擊精度高以及響應(yīng)速度快等推斷，在某型狙擊步槍發(fā)射機的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計方案，研制了電擊發(fā)裝置，實物照片如圖5所示。

圖5　電擊發(fā)裝置實物照片F(xiàn)ig.5 Photo of electric firing mechanism

利用激光器、位置靈敏探測器（PSD）、加速度計、NI數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備，對換有電擊發(fā)裝置的狙擊步槍進行了實彈射擊測試，實驗測試系統(tǒng)示意圖如圖6所示。

為了比較手動擊發(fā)方式與電動擊發(fā)方式的優(yōu)劣，實驗測試分成電擊發(fā)與手動擊發(fā)兩種擊發(fā)方式進行測試。實驗系統(tǒng)電動擊發(fā)方式為：光電瞄具判斷瞄準(zhǔn)線偏差滿足條件后，在光電瞄具顯示屏上顯示擊發(fā)標(biāo)志，與此同時使電磁鐵通電吸合，完成擊發(fā)動作；手動擊發(fā)方式為：同樣由光電瞄具判斷瞄準(zhǔn)線偏差滿足條件后，在光電瞄具顯示屏上顯示擊發(fā)標(biāo)志，但電磁鐵不通電，由射手看到擊發(fā)標(biāo)志后手動擊發(fā)。通過此方法計算不同擊發(fā)方式對瞄準(zhǔn)線擾動和響應(yīng)時間。

圖6　實驗測試系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of experimental test system

實彈射擊所采用的狙擊步槍為某型12.7 mm半自動狙擊步槍，射擊距離為100 m，綜合考慮PSD的測量范圍與分辨率，將PSD置于距兩腳架3.4 m處，兩種不同擊發(fā)方式各試驗3組，每組5發(fā)，每完成一組更換一次靶紙，便于統(tǒng)計彈著點信息。

3.2.1瞄準(zhǔn)線擾動測試

利用激光器與PSD對手動擊發(fā)與電動擊發(fā)引起的瞄準(zhǔn)線擾動進行了對比測試，典型的測試結(jié)果如圖7所示。

圖7（a）為手動擊發(fā)對瞄準(zhǔn)線的擾動測試結(jié)果，手動擊發(fā)引起瞄準(zhǔn)線抖動范圍約為：方位方向0.106 mrad、俯仰方向0.065 mrad；圖7（b）為電動擊發(fā)方式對瞄準(zhǔn)線的擾動，測試結(jié)果為：方位0.022 mrad、俯仰方向0.015 mrad，遠小于手動擊發(fā)對瞄準(zhǔn)線的擾動。

圖7中手動擊發(fā)與電擊發(fā)瞄準(zhǔn)線的初始值不同，主要原因是每次射擊槍身后坐都會使槍身與PSD相對位置發(fā)生變化，從而導(dǎo)致激光點在PSD上的位置放生變化，而且為使瞄具內(nèi)十字線壓住目標(biāo)中心，射手在射擊前會進行一定的姿勢調(diào)整，這也會導(dǎo)致激光點在PSD上的位置放生變化。本文主要關(guān)注擊發(fā)前1～2 s時間內(nèi)瞄準(zhǔn)線的變化，以射手瞄準(zhǔn)目標(biāo)中心為基準(zhǔn)，PSD只測量瞄準(zhǔn)線的變化。

結(jié)合PSD測得的瞄準(zhǔn)線擾動數(shù)據(jù)，兩種擊發(fā)方式各選取一組典型的實彈射擊結(jié)果進行分析，其照片如圖8所示。

圖7　瞄準(zhǔn)線擾動測試Fig.7 LOS disturbance test

圖8　實彈射擊照片F(xiàn)ig.8 Photos of shooting test

以靶標(biāo)中心白色圓點為坐標(biāo)原點，測得彈著點坐標(biāo)，并計算射擊密集度半數(shù)散布圓半徑R50［9］，如表1所示。

由表1可知，手動擊發(fā)R50值為3.40 cm，電擊發(fā)為2.86 cm，電擊發(fā)的射擊密集度高于手動擊發(fā)的密集度。

表1　彈著點坐標(biāo)Tab.1 Coordinates of impact points

表1中兩種擊發(fā)方式實驗中均有一發(fā)彈偏離其他4發(fā)彈，采用極值偏差法［9］，以顯著性水平α= 1%對其是否為反常彈進行判斷：手動擊發(fā)第5發(fā)彈的界限Q=9.16小于顯著性水平α=1%時的界限Qα=13.36，因此可確定此發(fā)彈不是反常結(jié)果，應(yīng)保留；而電擊發(fā)第5發(fā)彈的界限為Q=13.60，大于顯著性水平α=1%時的界限Qα=13.36，因此該發(fā)彈為反常結(jié)果，應(yīng)剔除。

剔除電擊發(fā)第5發(fā)彈后其R50值為1.02 cm，遠小于手動擊發(fā)R50值，電擊發(fā)的射擊密集度明顯高于手動擊發(fā)的密集度，與瞄準(zhǔn)線擾動測試結(jié)果一致。因此，驗證了電動擊發(fā)裝置可明顯減少瞄準(zhǔn)抖動，提高射擊精度的推斷。

3.2.2響應(yīng)時間測試

由于求解非線性方程繁瑣，因此本文采用實驗測試方法獲得電擊發(fā)裝置的動態(tài)響應(yīng)時間，即利用NI數(shù)據(jù)采集卡，同時采集電擊發(fā)通電信號及擊發(fā)振動信號，以允許擊發(fā)信號上升沿為開始基準(zhǔn)，線圈開始通電，以加速度峰值表示擊發(fā)完成，測量電擊發(fā)響應(yīng)時間，典型實驗測試結(jié)果如圖9所示，測試結(jié)果表明：電擊發(fā)裝置擊發(fā)響應(yīng)時間約35 ms，遠快于手動擊發(fā)響應(yīng)時間230 ms.

4　結(jié)論

針對手動擊發(fā)對瞄準(zhǔn)線的擾動以及響應(yīng)速度慢等不足，本文提出了一種新型步槍電動擊發(fā)裝置，采用了模塊化思想，保持了發(fā)射機原有的人機工效不變，實現(xiàn)了電動擊發(fā)與手動擊發(fā)功能相對獨立，建立了電擊發(fā)裝置的參數(shù)化模型，最后進行了實驗驗證。實驗測試結(jié)果表明：電動擊發(fā)裝置對瞄準(zhǔn)線方位方向的擾動幅度降為手動擊發(fā)的1/5，可顯著降低擊發(fā)對瞄準(zhǔn)線的擾動，提高射擊精度；電擊發(fā)響應(yīng)時間約為35 ms，提高了狙擊步槍擊發(fā)的響應(yīng)速度，準(zhǔn)確把握擊發(fā)時機，為后續(xù)研究擊發(fā)時機決策問題奠定了基礎(chǔ)。該電擊發(fā)裝置不改變發(fā)射機零部件，易于將現(xiàn)有的步槍升級，在輕武器自動化、信息化方向上進行了積極的探索。此外，還可將該電擊發(fā)裝置應(yīng)用于槍械、彈藥精度考核試驗，使考核結(jié)果更加客觀。

圖9　響應(yīng)時間對比測試Fig.9 Response time test

參考文獻（References）

［1］ 王宇建，薛晉生.狙擊步槍自動擊發(fā)技術(shù)分析［J］.火力指揮與控制，2015，40（2）：182-184. WANG Yu-jian，XUE Jin-sheng.A Survey of automatic percussion sniping rifle technic［J］.Fire Control&Command Control，2015，40（2）：182-184.（in Chinese）

［2］ 丁玉蘭.人機工程學(xué)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2000 DING Yu-lan.Ergonomics［M］.Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2000.（in Chinese）

［3］ von Wahlde R，Kregel M，Haug T，et al.Application of an inertial reticle system to an objective personal weapon［R］.Adelphi，Maryland：Army Research Laboratory，1995.

［4］ Brosseau T L，Kregel M D.The inertial reticle technology（IRT）applied to a Remington 700 sniper rifle［R］.Adelphi，Maryland：Army Research Laboratory，2000.

［5］ Tracking point.Precision guided firearm white paper［EB/OL］. ［2015-11-03］.http：∥www.Tracking-Point.com/how-it-works.

［6］ 李鏗.電磁學(xué)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1996. LI Qiang.Electromagnetism［M］.Beijing：National Defense Industry Press，1996.（in Chinese）

［7］ 郭文鳳，王軼強.某高炮電動擊發(fā)裝置電磁致動的數(shù)學(xué)模型［J］.科技信息，2008（20）：515. GUO Wen-feng，WANG Yi-qiang.The electromagnetic actuation mathematic model of an artillery electronic firing mechanism［J］. Science&Technology Information，2008（20）：515.（in Chinese）

［8］ 王軍，李玉山，張賢椿，等.具有射擊域的武器系統(tǒng)的擊發(fā)特性與精度［J］.兵工學(xué)報，2010，31（2）：144-148. WANG Jun，LI Yu-shan，ZHANG Xian-chun，et al.The analysis on the shooting characteristics and precision for weapon system with shooting domain［J］.Acta Armamentarii，2010，31（2）：144-148.（in Chinese）

［9］ 唐湘燕，馬立剛，劉振偉，等.GJB3995—2000輕武器射擊精度計算方法［S］.北京：中國人民解放軍總參謀部，2000. TANG Xiang-yan，MA Li-gang，LIU Zhen-wei，et al.GJB3995—2000 Precision process methods of small arms firing accuracy［S］. Beijing：General Staff of PLA，2000.（in Chinese）

中圖分類號：TP273

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-1093（2016）06-1111-06

DOI：10.3969/j.issn.1000-1093.2016.06.020

收稿日期：2015-12-03

基金項目：武器裝備預(yù)先研究項目（40404110205）

作者簡介：劉華（1987—），男，博士研究生。E-mail：easygoingliuhua@sina.com；范大鵬（1964—），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：fdp@nudt.edu.cn

Design and Analysis of a Novel Electric Firing Mechanism for Sniper Rifles

LIU Hua1，F(xiàn)AN Da-peng1，LI Sheng-peng2，ZHOU Qing-kun1
（1.College of Mechatronic Engineering and Automation，National University of Defense Technology，Changsha 410073，Hunan，China；2.Hunan Zijiang Ordnance Industries Group Co.，Ltd，Yiyang 413000，Hunan，China）

Abstract：A novel electric firing mechanism which is imbedded in the rifle grip is proposed for the disturbance to line-of-sight（LOS）and low action speed caused by manual firing.The structure and operating principle of the electric firing mechanism are illustrated.A parametric model is established.The electromagnet force of the electric firing mechanism is simulated in COMSOL，and the disturbance to LOS and response time of the electric firing mechanism is tested.The result shows that the mechanism is capable of electrically firing，the azimuthal disturbance of electric firing to LOS is reduced to 1/5 of manual firing，and the response time is 35 ms，which is much faster than manual firing speed.The electric firing mechanism will be helpful to catch the firing time precisely.

Key words：ordnance science and technology；electric firing；electromagnet；response time；firing time；experimental test