手持式槍械后坐力測(cè)試方法研究

陳錦喜，尹 飛，郭顯成，蘇國(guó)曉

(1.中國(guó)人民解放軍63936部隊(duì)， 北京 102202； 2.陸軍裝備部駐南京地區(qū)軍事代表局駐煙臺(tái)地區(qū)軍事代表室， 山東 煙臺(tái) 264672)

槍械后坐力是指槍械發(fā)射槍彈時(shí)形成的向后反沖力，是槍械的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，其大小和指向直接影響著武器的操控性和射擊精度，是槍械強(qiáng)度設(shè)計(jì)和射擊穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的重要依據(jù)[1]。在槍械型號(hào)論證和研制過程中，手持式槍械后坐力指標(biāo)大都以定性指標(biāo)來要求，如“可感后坐力小，射擊穩(wěn)定性好”、“與某型槍械后坐力相當(dāng)或不超過一定范圍的百分比”等，很難提出定量指標(biāo)要求[2]。盡管目前輕武器行業(yè)內(nèi)對(duì)槍械后坐力測(cè)試方法較多，但其測(cè)試結(jié)果對(duì)后坐力的要求和評(píng)判仍無法給出非常準(zhǔn)確的結(jié)果，尤其是手持式槍械，涉及人的因素影響較大，不確定性更大，難以達(dá)到統(tǒng)一的共識(shí)[3]。鑒于此，本文通過研究一種手持式槍械后坐力測(cè)試方法，旨在準(zhǔn)確測(cè)試出手持式槍械后坐力的大小和指向，為手持式槍械論證、研制設(shè)計(jì)、性能試驗(yàn)提供有效參考。

1 手持式槍械后坐力測(cè)試技術(shù)狀況

目前，測(cè)量手持式槍械后坐力的方法主要包括應(yīng)變式測(cè)力法和壓電式測(cè)力法等。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果[4]表明：同一武器在同一剛性裝置上，采用不同測(cè)量方法，其測(cè)量結(jié)果不同；同一武器采用同一測(cè)量方法，若采用不同剛性裝置支撐其尾端，所測(cè)結(jié)果也不同。通常做法是將手持式槍械固定在自由后坐臺(tái)滑車上，壓力傳感器固定在自由后坐臺(tái)兩側(cè)支撐板上并使其受力面與槍托接觸，經(jīng)過射擊、后坐、撞擊使傳感器獲得電信號(hào)，最終在數(shù)字采集和信號(hào)處理后得到后坐力隨時(shí)間變化曲線[5]。文獻(xiàn)[6]中基于三分力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了槍械后坐運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)試平臺(tái)，并利用該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)手持式抵肩槍械后坐力的測(cè)試，但該測(cè)試方法僅能測(cè)試來自沿槍管軸線方向的后坐力，無法測(cè)量其余方向的后坐力；文獻(xiàn)[7]中基于人-槍系統(tǒng)中不同自動(dòng)方式對(duì)槍械后坐作用影響的研究，采用射手射擊方式，將槍托底部連接壓電傳感器，傳感器另一端抵于射手肩部來進(jìn)行后坐參數(shù)測(cè)量，綜合考慮了人的因素對(duì)槍械后坐的影響，但存在人體對(duì)試驗(yàn)操作和儀器設(shè)備干擾的可能，存在一定的不確定性。

為更準(zhǔn)確全面地測(cè)量出手持式槍械后坐力，本研究提出一種新的測(cè)試方法[8]，通過采用基于5自由度模擬人體臺(tái)架的后坐力測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，一方面測(cè)量出槍械后坐力的大小和指向，彌補(bǔ)上述其他測(cè)試方法只能測(cè)試單一方向或無法測(cè)試后坐力具體指向的不足；另一方面充分考慮了人體因素對(duì)后坐力的影響，排除人體對(duì)試驗(yàn)的干擾，確保測(cè)量出的后坐力更加符合實(shí)際情況。

2 手持式槍械后坐力測(cè)試原理與方法

2.1 測(cè)試系統(tǒng)組成

手持式槍械后坐力測(cè)試系統(tǒng)主要由模擬人體臺(tái)架、三向壓電力傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及測(cè)試分析軟件等組成[9]。其中，模擬人體臺(tái)架主要由上軀干部分、固槍裝置、下軀干部分、下體部分以及彈簧阻尼系統(tǒng)等組件組成，如圖1所示。上軀干部分用來模擬人體上軀干的質(zhì)量分布，固槍裝置用來模擬人體手臂的質(zhì)量分布及固定槍支，下軀干部分用來模擬人體下軀干的質(zhì)量分布，下體部分用來模擬人體腰部以下未運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量分布，彈簧阻尼系統(tǒng)用來模擬人體各部分肌肉的作用和約束[10]。

2.2 測(cè)試原理分析

手持式槍械后坐力測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。將手持式槍械固定在模擬人體臺(tái)架上，三向壓電力傳感器固定在模擬人體臺(tái)架靠近槍托底部位置，射擊時(shí)，槍械沿著導(dǎo)軌向后運(yùn)動(dòng)撞擊三向壓電力傳感器，傳感器產(chǎn)生電信號(hào)，通過電荷放大器調(diào)理后進(jìn)入高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后，由計(jì)算機(jī)測(cè)試分析軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，最后得到槍械后坐力測(cè)試曲線。槍械后坐力作用于三向壓電力傳感器時(shí)，傳感器可以測(cè)量出后坐力在3個(gè)方向上分力的大小和方向，通過分析計(jì)算即可得到槍械后坐力的大小及其方向。

圖2 手持式槍械后坐力測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

其中，模擬人體臺(tái)架作為人-槍系統(tǒng)相互作用的重要部分，主要是通過5個(gè)自由度來實(shí)現(xiàn)模擬的，如圖1(a)所示。首先，通過上下軀干部分和前后俯仰彈簧阻尼器、側(cè)向收展彈簧阻尼器、扭轉(zhuǎn)彈簧阻尼器分別模擬人體腰部的前后俯仰、側(cè)向收展和繞垂直軸扭轉(zhuǎn)3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，這3個(gè)彈簧阻尼器分別安裝在上下軀干與下肢連接處；其次，通過固槍部分(導(dǎo)軌位置)的彈簧阻尼器和肩部(導(dǎo)軌與上下軀干之間)的片簧組件模擬武器后坐和繞肩高低轉(zhuǎn)動(dòng)2個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，具體彈簧阻尼參數(shù)見表1。

表1 彈簧阻尼器參數(shù)

而槍械通過固槍裝置連接在模擬人體臺(tái)架上，當(dāng)模擬人體臺(tái)架在相應(yīng)自由度上運(yùn)動(dòng)時(shí)，槍械也具有相同方向的運(yùn)動(dòng)，因此，可以認(rèn)為槍械在各個(gè)自由度上也是自由的。

為了確保模擬人體臺(tái)架射擊與真人射擊結(jié)果的吻合性，通過射擊對(duì)比試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證。選擇某型步槍進(jìn)行100 m單發(fā)射擊，對(duì)散布精度進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。模擬人體臺(tái)架和真人分別進(jìn)行3組單發(fā)射擊試驗(yàn)，每組10發(fā)。射擊試驗(yàn)結(jié)果見表2。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用模擬人體臺(tái)架射擊散布精度相對(duì)較好，二者半數(shù)散布圓半徑R50基本一致，表明模擬人體臺(tái)架與真人射擊吻合性相對(duì)較好。

表2 射擊試驗(yàn)結(jié)果 cm

3 手持式槍械后坐力測(cè)試實(shí)例

采用本文提出的手持式槍械后坐力測(cè)試方法，對(duì)某型步槍進(jìn)行后坐力測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)狀態(tài)如圖3所示。通過對(duì)該步槍單發(fā)射擊、點(diǎn)射(3發(fā))和連發(fā)(5發(fā))射擊3種情況進(jìn)行了后坐力測(cè)試，其后坐力測(cè)試曲線如圖4～圖6所示。

圖3 某型步槍后坐力測(cè)試狀態(tài)圖

圖4(a)給出了某型步槍單發(fā)射擊后坐力3個(gè)分力(F1、F2、F3)大小變化情況，圖4(b)給出了3個(gè)分力方向(θ1、θ2、θ3)變化情況，圖4(c)給出了后坐力合力F大小變化情況。每張圖中3條曲線自上而下分別為橫向、縱向和槍管軸向3個(gè)方向曲線(下同)。

從圖4中可以看出，槍管軸向分力F3最大，其方向θ3接近180°，與槍管軸線平行(肩部基本垂直)；橫向分力F1最小，其方向θ1接近160°，與橫向略偏一定角度；縱向分力大小F2居中，其方向θ2在130°左右，與縱向偏離較大角度。圖4中給出的曲線真實(shí)反映了單發(fā)實(shí)彈射擊時(shí)槍械對(duì)人體沖擊和自身動(dòng)態(tài)特性變化的實(shí)際情況：射擊時(shí)，后坐力大部分集中分布在槍管軸向方向，對(duì)人體的沖擊表現(xiàn)為前后運(yùn)動(dòng)，其次后坐力分布在縱向方向，對(duì)射擊散布精度影響表現(xiàn)為上下浮動(dòng)，后坐力在橫向分布最少，對(duì)射擊散布精度表現(xiàn)為左右偏差。通過后坐力測(cè)試結(jié)果分析，可以有效指導(dǎo)武器操控，促進(jìn)人機(jī)結(jié)合，進(jìn)而提高武器的實(shí)際射擊精度。

圖4 某型步槍單發(fā)射擊后坐力試驗(yàn)曲線

圖5(a)給出了某型步槍點(diǎn)射(3發(fā))射擊后坐力3個(gè)分力(F1、F2、F3)大小變化情況，圖5(b)給出了3個(gè)分力方向(θ1、θ2、θ3)變化情況，圖5(c)給出了后坐力合力F大小變化情況。和單發(fā)射擊相比，槍械點(diǎn)射(3發(fā))射擊后坐力在橫向、縱向和槍管軸向3個(gè)方向上的分力分布及分力方向情況基本一致，與實(shí)際射擊情況相吻合。

圖5 某型步槍點(diǎn)射(3發(fā))射擊后坐力試驗(yàn)曲線

點(diǎn)射時(shí)，3發(fā)后坐力峰值變化以及時(shí)間間隔較為接近，沒有出現(xiàn)明顯的變化，其中，第1發(fā)后坐力峰值最大，為492 N，第2發(fā)最小，465 N，相差5.5%。從點(diǎn)射后坐力曲線變化規(guī)律可以看出，采用的后坐力測(cè)試系統(tǒng)能夠排除人為因素對(duì)試驗(yàn)造成的干擾，避免出現(xiàn)明顯地誤差和離群情況，所得試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)有效地反映了槍械點(diǎn)射后坐力變化情況，可以用于有效指導(dǎo)槍械射擊和動(dòng)態(tài)特性分析。

圖6(a)給出了某型步槍連發(fā)(5發(fā))射擊后坐力3個(gè)分力(F1、F2、F3)大小變化情況，圖6(b)給出了3個(gè)分力方向(θ1、θ2、θ3)變化情況，圖6(c)給出了后坐力合力F大小變化情況。和單發(fā)、點(diǎn)射(3發(fā))相比，槍械連發(fā)射擊后坐力在橫向、縱向和槍管軸向3個(gè)方向上的分力分布及分力方向情況基本一致，與實(shí)際射擊情況相吻合。

圖6 某型步槍連發(fā)(5發(fā))射擊后坐力試驗(yàn)曲線

連發(fā)射擊時(shí)，5發(fā)后坐力峰值變化以及時(shí)間間隔較為接近，表現(xiàn)出一定的均勻和規(guī)律性，第1發(fā)的后坐力峰值最大，為484 N，第5發(fā)最小，為450 N，相差7.0%。和點(diǎn)射后坐力曲線變化規(guī)律一樣，連發(fā)后坐力曲線變化規(guī)律也反映了采用的后坐力測(cè)試系統(tǒng)能夠排除人為因素對(duì)試驗(yàn)造成的干擾，對(duì)測(cè)量后坐力的真實(shí)值具有非常重要的作用。

4 結(jié)論

1) 本研究提出了基于5自由度模擬人體臺(tái)架的后坐力測(cè)試方法，充分考慮了人的影響因素，并有效排除了人為因素對(duì)試驗(yàn)造成的干擾，很好地解決了后坐力測(cè)試中人-槍系統(tǒng)相互影響問題，為手持式槍械后坐力測(cè)試提供了一種新的有效測(cè)試方法。

2) 所研究的手持式槍械后坐力測(cè)試方法不僅能夠準(zhǔn)確測(cè)量出后坐力大小，而且還能夠測(cè)量出3個(gè)方向上的分力大小和方向，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)試方法只單一測(cè)量槍管軸向后坐力和無法測(cè)量后坐力方向的不足。

3) 所研究的手持式槍械測(cè)試方法可以為手持式槍械后坐力指標(biāo)的論證、試驗(yàn)等提供有效手段，為手持式槍械論證、研制設(shè)計(jì)、性能試驗(yàn)提供重要參考依據(jù)。