不同射頻對車載轉管機槍射擊精度的影響

化斌斌，王瑞林，張軍挪，賈云非

（1.軍械工程學院，石家莊050003；2.解放軍63850部隊，吉林白城137001）

不同射頻對車載轉管機槍射擊精度的影響

化斌斌1，2，王瑞林1，張軍挪1，賈云非1

（1.軍械工程學院，石家莊050003；2.解放軍63850部隊，吉林白城137001）

為研究不同射頻對車載轉管機槍射擊精度的影響，以某型車載轉管機槍為對象，建立了該武器系統(tǒng)的剛柔耦合虛擬樣機模型。通過仿真計算車體在制動狀態(tài)時，機槍以不同射頻進行射擊的過程，得到了不同射頻下車體、機槍架座和槍管的振動特性以及射彈散布。通過對不同射頻下仿真曲線對比分析，可以得出射頻對機槍射擊精度的影響程度。仿真研究結果為該武器的研究與設計優(yōu)化提供了理論支持。

車載轉管機槍，射頻，剛柔耦合模型，動力學特性，射擊精度

0 引言

射頻作為轉管機槍的一個重要性能指標，與武器的威力密切相關。轉管機槍一般都設置有不同的射頻，內(nèi)能源轉管機槍通過調(diào)節(jié)導氣孔的直徑大小實現(xiàn)射頻的變換。轉管機槍具備不同的射頻可大大增強其作戰(zhàn)效能，根據(jù)射擊目標的特點使用不同的射頻，也將使轉管機槍的使用更加合理，并有利于延長武器的使用壽命［1］。

不同射頻對武器系統(tǒng)的性能影響是不同的，主要是由于不同射頻使得武器工作時各構件的運動速度和后坐沖量的頻率發(fā)生變化，從而引起發(fā)射平臺與各零部件振動的變化。文獻［2-3］針對機槍不同射頻對車載轉管機槍射擊精度的問題進行了研究，但都是考慮的車體自由狀態(tài)下的情況。而車載武器在實際射擊過程中往往都是處于制動狀態(tài)的，車體在不同制動狀態(tài)下的振動情況也是不同的［4］，因此，對機槍的射擊密集度及散布影響也是不同的。本文通過對某車載轉管機槍進行動力學分析，建立槍-車-路面的剛柔耦合虛擬樣機模型，仿真計算不同射頻下的車載轉管機槍的射擊過程，通過仿真分析，找出不同射頻對車載轉管機槍射擊精度的影響規(guī)律，為轉管武器的總體設計和優(yōu)化提供依據(jù)。

1 車載轉管機槍動力學模型的建立

1.1 機槍系統(tǒng)拓撲關系分析

車載轉管機槍系統(tǒng)主要由機槍子系統(tǒng)和改裝車輛組成，拓撲結構如圖1所示。其中，車體通過懸架-輪胎結構與地面接觸，通過支撐座圈與機槍子系統(tǒng)連接；托架與搖架在耳軸處通過旋轉副連接，并在鎖緊塊處通過固定副連接；機匣體在搖架上通過雙向緩沖簧以及搖架尾部導軌前后運動，故在搖架與機匣體之間施加平移副和彈簧連接；槍管組件在射擊過程中繞機匣體旋轉，兩者之間為旋轉副。

圖1 車載轉管機槍拓撲結構

1.2 載荷的計算

該內(nèi)能源轉管機槍主要利用槍彈擊發(fā)生成的火藥氣體進入導氣室推動活塞帶動自動機運動，在射擊過程中所受的載荷主要有槍膛合力、氣室壓力、槍口制退力以及撥彈阻力、抽殼阻力等阻力。槍膛合力可通過經(jīng)典內(nèi)彈道方程組［5］進行求解得到，槍口制退力采用氣體動力學進行計算［6］，撥彈阻力、抽殼阻力等可通過經(jīng)驗公式進行求解［7］，在此主要介紹氣室壓力的確定。氣室壓力采用氣體動力學的計算方法進行求解，計算公式為［8］:

其他參數(shù)表達式為:

式中，pq、ρq、Tq分別為導氣室內(nèi)的火藥氣體壓強、密度、溫度；γ為絕熱指數(shù)；Vq0為導氣室初始容積；Sh為活塞端面面積；xh、vh分別為活塞的位移、速度；Q為導氣室散失的熱量；ei、eq分別為從導氣孔流入導氣室、從氣室活塞間隙漏出導氣室的單位質(zhì)量氣體的能量；qmb、qmq分別為流入導氣室、流出導氣室的氣體流量；mh為活塞質(zhì)量；Rf為活塞所受的阻力；Cp為定壓比熱容；pp、ρp、Tp分別為膛內(nèi)導氣孔處的火藥氣體壓強、密度、溫度；Tc為氣室壁溫度；Sq0為氣室初始散熱面積；μb、μq分別導氣孔、氣室活塞間隙火藥氣體流量系數(shù)；Sb為導氣孔面積；ΔSh為氣室與活塞的間隙面積；ζ為臨界壓力比。

1.3 輪胎-路面模型的建立

對車載武器系統(tǒng)進行仿真研究，輪胎模型是其中最重要的部分之一。輪胎一般由橡膠、簾布層等合成材料以及充氣結構組成，具有高度非線性、可壓縮性、各向異性和粘彈性，使得輪胎物理模型的建立比較特殊和復雜，因而，一般都將輪胎單獨模型化，用一組數(shù)學模型來表現(xiàn)。不同的輪胎模型對應的數(shù)據(jù)要求和輸出精度并不完全相同，需要同仿真要求相一致［10］。本文采用UA輪胎模型，UA輪胎模型綜合考慮了縱向和側向滑移的情況，是一種所需試驗測試數(shù)據(jù)較少的比較精確的解析模型。

試驗中車載武器在水泥路面進行射擊，因此，本文采用剛性路面，即不考慮路面的變形。

1.4 車載轉管機槍剛柔耦合模型的建立

將車載轉管機槍系統(tǒng)的CAD模型導入到多體動力學軟件ADAMS中建立虛擬樣機模型，通過拓撲關系分析添加合適的約束。由于在射擊過程中，槍管、搖架、托架和底座等結構都會發(fā)生較大變形，因此，將它們利用有限元軟件生成柔性體，建立轉管機槍系統(tǒng)的剛柔耦合模型，能夠更真實地反映機槍在射擊過程中的振動情況。在本文中，將搖架、托架和底座統(tǒng)稱為機槍架座。建立的車載轉管機槍剛柔耦合虛擬樣機模型如圖2所示。

圖2 車載轉管機槍虛擬樣機模型

2 模型計算與驗證

某轉管機槍射頻有高、低射頻兩種，其中，低射頻約為2 300發(fā)/min，高射頻約為3 000發(fā)/min。射擊時，車輛制動在水平水泥路面。仿真計算設置計算步長為0.000 1 s，一次射擊30發(fā)彈，表1為高、低射頻的仿真與試驗對比值，由表中數(shù)據(jù)可以看出，仿真計算的射頻與試驗射頻非常接近。圖3為高、低射頻時槍管的轉速仿真曲線，從圖中可以看出，高、低射頻第一發(fā)彈擊發(fā)時的槍管轉速是相同的，這是由于第一發(fā)彈擊發(fā)是由人工儲能裝置渦卷簧釋放簧力帶動槍管組轉動到第一次擊發(fā)位置進行擊發(fā)，第一發(fā)彈擊發(fā)后，開始由火藥燃燒氣體進入導氣室驅動槍管組轉動，高射頻下的轉速開始比低射頻下的轉速有了提升，最后穩(wěn)定在各自的射擊頻率。這與實際射擊過程是相符的。

表1 射頻對比

圖3 不同射頻下的轉速

3 不同射頻下的動力學分析

通過對高、低射頻下的車載轉管機槍進行仿真計算，分析不同射頻下的武器系統(tǒng)的振動情況，可以得出不同射頻對車載轉管機槍射擊精度的規(guī)律及影響。試驗中該槍的射彈散布主要體現(xiàn)在高低散布較大，水平散布比較小，因此，主要分析高低方向的振動情況。仿真結果對比如圖4～圖9以及表2所示。其中，β1為車體高低振動角位移，β2為槍口高低振動角位移，R70為100 m距離上70%射彈散布圓半徑。

圖4 車體高低方向角位移

圖5 槍口高低方向振動角位移

圖6 彈丸出槍口時刻槍口高低方向角位移

由圖4可以看出，高射頻時，車體高低方向的振動比低射頻時更大。其中，高射頻時車體高低方向角位移最大值為0.54°，低射頻時為0.43°。這是因為高頻射擊時后坐沖量對轉管機槍搭載平臺的沖擊比低頻射擊時更加急促，從而導致車體的振動更大一些。由圖5和圖6可以看出，低頻射擊時，彈丸出槍口時刻槍口高低角位移先逐步增大然后又開始下降至比較平穩(wěn)，這與實際射擊過程中觀察到的彈著點分布比較相符，高射頻時槍口角位移要比低射頻時要大，這主要是由發(fā)射平臺的振動導致的。

圖7 機槍架座高低方向振動變形角位移

圖8 槍口高低方向振動變形角位移

圖9 槍口高低方向速度曲線

圖10 后坐位移曲線

表2 仿真結果對比

由圖7可以看出，對于機槍架座，不同射頻下振動變形的變化趨勢是一致的，都是隨著射頻的逐步穩(wěn)定振動變形幅度逐漸減小并穩(wěn)定在一定的區(qū)間內(nèi)變化。機槍架座在兩種射頻下的振動變形角位移的峰值基本相同，而高頻射擊時的振動幅值要比低頻射擊時的振動幅值小一些。由圖8和圖9可以看出，高射頻時，槍管高低方向的振動變形角位移與速度比低射頻時要低一些。結合圖10可以看出，這是由于低射頻時，槍管的后坐與復進的行程要比高射頻時大，低射頻時，在射頻達到穩(wěn)定之后，機槍沿軸向的前后運動為后坐-復進-前沖，后坐力方向不斷發(fā)生變化；而高射頻時則基本只有后坐-復進運動，后坐力的方向比較穩(wěn)定，從而導致低射頻時引起的槍管變形要更大一些。但是射擊精度還是受發(fā)射平臺的影響最大，故發(fā)射平臺的振動是制約大口徑轉管武器射擊精度的一個重要因素。

4 結論

本文通過對車載轉管機槍進行動力學分析，建立了轉管機槍-車-路耦合的虛擬樣機模型，并對機槍不同射頻下的射擊過程進行了仿真計算。分析仿真結果可以得出，高射頻射擊時高頻的后坐沖量使得車體的高低方向振動角位移比低射頻射擊時要大得多，這也直接導致高射頻時彈丸出槍口時刻槍口的高低方向角位移比低射頻時要大，使得高頻射擊時的散布更大一些。雖然高射頻時的機槍架座與槍管振動變形要比低射頻時小一些，但轉管機槍的射擊精度主要還是受搭載平臺振動的影響更大。本文研究得出的轉管機槍系統(tǒng)在不同射頻下的振動規(guī)律可為車載轉管機槍的總體設計與優(yōu)化提供理論依據(jù)，對該武器裝備在部隊的射擊使用具有一定的指導作用。

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Influence of Different Firing Frequency on Shooting Accuracy of Vehicular Gatling Gun

HUA Bin-bin1，2，WANG Rui-lin1，ZHANG Jun-nuo1，JIA Yun-fei1
（1.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；2.Unit 63850 of PLA，Baicheng 137001，China）

To study the influence of firing frequency on shooting accuracy of a certain vehicular Gatlinggun，arigid-flexiblecouplingvirtualprototypemodelisestablished.Thevibration characteristics of vehicle，gun holder and barrel are obtained as well as dispersion by simulating the firing process of gun in different firing frequency as the vehicle in the braking state.The influence of firing frequency on fire accuracy is demonstrated by contrasting and analyzing the simulation curves. The study results have provided a theoretical support for the design and optimization of vehicular Gatling gun.

vehiculargatlinggun，firingfrequency，rigid-flexiblecouplingmodel，dynamic characteristics，shooting accuracy

TJ25

A

1002-0640（2017）04-0181-04

2016-02-05

2016-03-17

化斌斌（1987-），男，山東平陰人，博士研究生。研究方向：武器系統(tǒng)動力學理論與應用。