姚養(yǎng)無

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 山西 太原 030051)

0 引 言

武器發(fā)射時(shí), 膛內(nèi)高壓火藥燃?xì)鈮毫σ环矫嫱苿?dòng)彈丸向前運(yùn)動(dòng), 另一方面也將推動(dòng)武器向后運(yùn)動(dòng). 一般來講, 武器的口徑越大, 威力就越大,武器的后坐也就越大. 這樣, 一是會(huì)導(dǎo)致武器的結(jié)構(gòu)尺寸和系統(tǒng)重量增加, 將影響武器的機(jī)動(dòng)性;二是會(huì)導(dǎo)致武器的振動(dòng)速度和振動(dòng)位移增大, 將影響武器的射擊精度;三是會(huì)導(dǎo)致作用于武器支承體的載荷加大, 將影響武器支承體的耐久性. 由此可知, 減小或抑制武器發(fā)射時(shí)的后坐是統(tǒng)籌協(xié)調(diào)威力、機(jī)動(dòng)性、射擊精度、操控性等之間關(guān)系與矛盾的關(guān)鍵所在. 自然而然地, 減小或抑制武器后坐就成為武器發(fā)射技術(shù)研究的永恒主題之一, 同時(shí)如何科學(xué)地評(píng)價(jià)武器后坐也就成為這一研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要內(nèi)容.

1 武器后坐

1. 1 武器后坐的概念[1]

根據(jù)牛頓第三定律, 在武器發(fā)射彈丸的過程中, 膛內(nèi)高壓火藥燃?xì)鈮毫ψ饔糜趶椡璧撞客苿?dòng)彈丸向前加速運(yùn)動(dòng), 同時(shí)高壓火藥燃?xì)鈮毫σ沧饔糜趶椞诺撞框?qū)動(dòng)武器向后加速運(yùn)動(dòng). 我們把發(fā)射彈丸時(shí)伴生的武器體部及其武器支承體向后運(yùn)動(dòng)的行為稱為武器的后坐.

1. 2 武器后坐概念的拓展

一般來講, 武器后坐的大小與武器的威力、武器的自動(dòng)原理、武器的體部、武器的緩沖裝置以及武器的支承體等密切相關(guān). 為了深入分析武器后坐與上述幾種因素的關(guān)聯(lián)程度, 引入武器的固有后坐和可感后坐兩個(gè)概念.

1. 2. 1 武器的固有后坐

武器發(fā)射彈丸時(shí), 武器體部在自由后坐狀態(tài)下所產(chǎn)生的向后運(yùn)動(dòng)的行為稱為武器的固有后坐.所謂自由后坐是指武器發(fā)射彈丸時(shí)武器體部處于水平狀態(tài), 且不受任何阻力作用下的后坐運(yùn)動(dòng).據(jù)此, 武器的固有后坐主要與武器的威力、武器的自動(dòng)原理、武器的體部等有關(guān), 而與武器體部緩沖裝置和武器支承體的特性無關(guān). 也就是說, 如果武器的基本狀態(tài)一定, 其固有后坐是固定不變的.我們常說的武器的威力越大其后坐就越大這一表述, 實(shí)質(zhì)上指的就是武器的固有后坐.

1. 2. 2 武器的可感后坐

武器發(fā)射彈丸時(shí), 武器體部在制動(dòng)后坐狀態(tài)下所產(chǎn)生的向后運(yùn)動(dòng)的行為稱為武器的可感后坐.所謂制動(dòng)后坐是指武器發(fā)射彈丸時(shí)武器體部受緩沖裝置阻力和重力分力等作用下的后坐運(yùn)動(dòng). 顯然, 武器的可感后坐與固有后坐是完全不同的,而且可感后坐是武器的支承體(如射手的肩部)所能感受到的后坐. 據(jù)此, 武器的可感后坐不但與武器的固有后坐有關(guān), 而且還與武器體部的緩沖裝置、武器的支承體等特性有關(guān). 也就是說, 武器的可感后坐是隨著武器體部的緩沖裝置、武器的支承體等的特性不同而發(fā)生改變. 例如, 同一支步槍由不同的射手來射擊, 由于身體條件、抵肩狀況和射擊姿勢(shì)的差異, 其可感后坐是有一定差異的.

2 現(xiàn)行武器后坐的評(píng)價(jià)方法

目前, 對(duì)于評(píng)價(jià)武器后坐而言, 從評(píng)價(jià)思想上講, 只注重了系統(tǒng)的某一方面目標(biāo)的實(shí)現(xiàn), 而忽略了其它目標(biāo). 對(duì)于武器后坐的評(píng)價(jià), 國外常見的評(píng)價(jià)因素一般有后坐能量、后坐動(dòng)量、最大后坐速度、最大后坐力等[2-9], 國內(nèi)常見的評(píng)價(jià)因素主要是最大后坐力和后坐沖量[10-13], 而采用的評(píng)價(jià)方法都是單因素評(píng)價(jià)法. 而對(duì)于武器系統(tǒng)效能的評(píng)價(jià), 大多采用多因素的系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法[14-16].

對(duì)于比較不同種類的武器在發(fā)射時(shí)的武器后坐大小, 一般是利用同一套測(cè)試系統(tǒng), 分別測(cè)量出每一種武器發(fā)射時(shí)的后坐力時(shí)間曲線, 再找出各自的最大后坐力, 然后比較最大后坐力大小[11].例如, 若測(cè)量出的 A,B兩種武器的最大后坐力分別為FAm和FBm, 且有FAm＞FBm, 則判定 A 種武器的后坐大于B 種武器的后坐.

對(duì)于評(píng)判同一種武器采用減后坐措施前后的武器后坐大小, 一般是在同一固定試驗(yàn)臺(tái)上利用同一套測(cè)試系統(tǒng), 分別測(cè)量出該武器采用減后坐措施前、后發(fā)射時(shí)的后坐力時(shí)間曲線, 再找出各自的最大后坐力, 然后計(jì)算最大后坐力減小的百分比. 例如, 若測(cè)量出的某種武器采用減后坐措施前、后的最大后坐力分別為 Fm和 F′m, 且有Fm＞F′m則判定該種武器采用減后坐措施后其后坐減小了 [(Fm- F′m) /Fm]×100% .

單因素評(píng)價(jià)只是對(duì)系統(tǒng)的某一特殊方面進(jìn)行的評(píng)價(jià), 可以突出系統(tǒng)的某一特征, 但不能解決系統(tǒng)評(píng)價(jià)的判定問題. 這就是目前用最大后坐力這一單因素來評(píng)價(jià)武器后坐致使其評(píng)價(jià)結(jié)果與人們的實(shí)際感受之間出現(xiàn)偏差的原因所在. 例如,在研制新武器時(shí), 一般要求且做到了其最大后坐力與原有的某武器相當(dāng), 但射手還是反映新武器的后坐要大. 所以, 必須探索和研究多因素評(píng)價(jià)武器后坐的系統(tǒng)評(píng)價(jià)技術(shù).

3 武器后坐的評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

為了度量武器發(fā)射時(shí)武器后坐的強(qiáng)弱程度,首先必須考量用什么樣的評(píng)價(jià)指標(biāo)來評(píng)價(jià)武器的后坐.

從概念上講, 武器后坐是指發(fā)射彈丸時(shí)武器體部及其武器支承體在火藥燃?xì)鈮毫ψ饔孟孪蚝筮\(yùn)動(dòng)的行為. 從物理學(xué)上講, 武器后坐就是在力的作用下物體的運(yùn)動(dòng). 這樣, 要評(píng)價(jià)武器后坐的強(qiáng)弱, 可以考慮從兩個(gè)方面來建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.一方面, 從物體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)因考慮, 主要因素是最大后坐力和后坐沖量; 另一方面, 從物體運(yùn)動(dòng)的效果考慮, 主要因素是最大后坐速度和后坐位移.

3. 1 后坐力與后坐沖量

3. 1. 1 后坐力與后坐沖量的概念

后坐力是指武器在發(fā)射過程中武器對(duì)武器支承體的作用力, 其方向向后, 大小與武器支承體抵抗武器后坐的后坐抗力相等.

后坐沖量是指武器在發(fā)射過程中武器對(duì)武器支承體的作用沖量, 其方向向后, 大小與武器支承體抵抗武器后坐的反作用沖量相等.

對(duì)于肩射武器而言, 后坐力或后坐沖量就是武器發(fā)射時(shí)武器體部作用于射手肩部的作用力或作用沖量. 對(duì)于架座武器而言, 后坐力或后坐沖量就是武器發(fā)射時(shí)武器體部作用于架座耳軸處的作用力或作用沖量.

3. 1. 2 后坐力性質(zhì)分析

后坐力是一矢量, 其方向向后, 其大小是隨時(shí)間而變化的. 后坐力是描述武器對(duì)武器支承體作用大小的物理量. 通常說的后坐力不大于某一數(shù)值這一表述一般意義上是指最大后坐力不超過某一數(shù)值. 由于后坐力是時(shí)間的函數(shù), 在不同時(shí)刻后坐力具有不同的量值, 故用后坐力來評(píng)價(jià)武器后坐的大小時(shí), 可以選取后坐力的特征點(diǎn)即最大后坐力來度量. 這一度量尺度可以反映出武器發(fā)射過程中武器對(duì)武器支承體作用力的瞬態(tài)作用強(qiáng)度, 但它不能揭示武器發(fā)射過程中武器對(duì)武器支承體作用力的累積作用強(qiáng)度. 如圖1所示.

圖 1 最大后坐力相同時(shí)后坐力-時(shí)間曲線的比較Fig. 1 Comparison of recoil fo rce-time curves at the same maximum recoil force

曲線1 和曲線2 分別表示兩種不同的武器發(fā)射時(shí)的后坐力時(shí)間曲線. 由圖可以看出, 這兩種武器的最大后坐力相等, 即F1m= F2m, 但二者的后坐沖量卻差異很大, 即I1?I2. 顯然, 這兩種武器的后坐應(yīng)該是不同的. 但用現(xiàn)行的最大后坐力單因素評(píng)價(jià)法就會(huì)得出這兩種武器的后坐是相同的錯(cuò)誤評(píng)價(jià).

3. 1. 3 后坐沖量性質(zhì)分析

后坐沖量是一矢量, 其方向向后, 其大小等于后坐力與后坐力作用時(shí)間的乘積. 后坐沖量是描述后坐力對(duì)武器支承體作用時(shí)間累積效應(yīng)的物理量. 通常說的后坐沖量不大于某一數(shù)值這一表述一般意義上是指其后坐總沖量不超過某一數(shù)值.由于在不同的時(shí)間段具有不同的后坐沖量, 故用后坐沖量來評(píng)價(jià)武器后坐的大小時(shí), 可以選取后坐總沖量來度量. 這一度量尺度可以反映出武器發(fā)射過程中武器對(duì)武器支承體作用力的累積作用強(qiáng)度, 但是它不能揭示武器發(fā)射過程中武器對(duì)武器支承體作用力的瞬態(tài)作用強(qiáng)度. 如圖2所示,曲線1和曲線2分別表示兩種不同的武器發(fā)射時(shí)的后坐力時(shí)間曲線. 由圖可以看出, 這兩種武器的后坐總沖量相等, 即I1= I2,但二者的最大后坐力卻差異很大, 即F1m?F2m. 顯然, 這兩種武器的后坐也應(yīng)該是不同的. 但用現(xiàn)行的后坐總沖量單因素評(píng)價(jià)法就會(huì)得出這兩種武器的后坐是相同的錯(cuò)誤評(píng)價(jià).

圖 2 后坐沖量相同時(shí)后坐力-時(shí)間曲線的比較Fig. 2 Comparison of recoil force-time curves at the same recoil impulse

由此可見, 采用單因素評(píng)價(jià)法來評(píng)價(jià)武器后坐的大小是不科學(xué)的, 必須采用多因素評(píng)價(jià)法對(duì)武器后坐進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià).

3. 2 后坐速度與后坐位移

3. 2. 1 后坐速度性質(zhì)分析

后坐速度是一矢量, 其方向向后, 其大小是隨時(shí)間而變化的. 后坐速度是描述武器體部運(yùn)動(dòng)快慢的物理量. 由于后坐速度是時(shí)間的函數(shù), 在不同時(shí)刻后坐速度具有不同的量值, 故用后坐速度來評(píng)價(jià)武器后坐的大小時(shí), 可以選取后坐速度的特征點(diǎn)即最大后坐速度來度量. 這一度量尺度可以反映出武器發(fā)射過程中武器體部的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)快慢, 但它不能揭示武器發(fā)射過程中武器體部速度對(duì)時(shí)間的累積效果. 后坐速度的情況類似于后坐力.

3. 2. 2 后坐位移性質(zhì)分析

后坐位移是一矢量, 其方向向后, 其大小等于后坐速度與后坐時(shí)間的乘積. 后坐位移是描述后坐速度對(duì)后坐時(shí)間累積效應(yīng)的物理量. 由于在不同的時(shí)間段具有不同的后坐位移, 故用后坐位移來評(píng)價(jià)武器后坐的大小時(shí), 可以選取武器體部達(dá)到最大后坐速度時(shí)對(duì)應(yīng)的后坐位移來度量. 這一度量尺度可以反映出武器發(fā)射過程中武器體部速度對(duì)時(shí)間的累積效果, 但它不能揭示武器發(fā)射過程中武器體部的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)快慢. 后坐位移的情況類似于后坐沖量.

4 武器后坐的系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法

4. 1 武器后坐的系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

4. 1. 1 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)方案 A

從武器后坐的動(dòng)因出發(fā), 根據(jù)以上分析, 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)選取最大后坐力和后坐總沖量兩個(gè)因素. 若用Fi(i= 1,2, 3… ,n)表示n 種武器發(fā)射時(shí)的最大后坐力, Ii (i= 1, 2,3,… ,n)表示n 種武器發(fā)射時(shí)的后坐總沖量, 采用直線型無量綱化方法,將指標(biāo)實(shí)際值轉(zhuǎn)化成指標(biāo)評(píng)價(jià)值, 有

4. 1. 2 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)方案 B

從武器后坐的效果出發(fā), 根據(jù)以上分析, 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)選取最大后坐速度和后坐總位移兩個(gè)因素. 若用vi(i= 1,2, 3,… ,n)表示n 種武器發(fā)射時(shí)的最大后坐速度, xi(i= 1,2, 3,… ,n)表示n 種武器發(fā)射時(shí)武器體部達(dá)到最大后坐速度時(shí)對(duì)應(yīng)的后坐位移, 采用直線型無量綱化方法, 將指標(biāo)實(shí)際值轉(zhuǎn)化成指標(biāo)評(píng)價(jià)值, 有

4. 2 武器后坐的系統(tǒng)評(píng)價(jià)函數(shù)

對(duì)于發(fā)射時(shí)武器后坐的系統(tǒng)評(píng)價(jià), 無論是系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)方案 A還是方案 B, 都具有兩個(gè)評(píng)價(jià)因素, 因而是一個(gè)多因素的系統(tǒng)評(píng)價(jià)問題. 在任意一個(gè)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)方案中, 所列出的兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)互有聯(lián)系, 但其中一個(gè)無法代替另一個(gè), 須采用多因素的系統(tǒng)評(píng)價(jià)技術(shù). 在此, 采用線性加權(quán)型評(píng)價(jià)函數(shù)[14]

對(duì)武器后坐進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià). 式中： yi為聯(lián)合評(píng)價(jià)值; xij為各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的無量綱評(píng)價(jià)值; wj為評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù).

對(duì)于權(quán)重系數(shù)的確定, 可以采用德爾菲法、相對(duì)比較法和專家打分法. 對(duì)于評(píng)價(jià)武器后坐的兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo), 經(jīng)咨詢領(lǐng)域內(nèi)主要專家的意見, 其權(quán)重系數(shù)應(yīng)相同, 故取w1= w2= 0. 5.

5 武器后坐的系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法應(yīng)用

5. 1 固有后坐的系統(tǒng)評(píng)價(jià)

武器的固有后坐主要反映的是武器體部的自由后坐行為, 可以通過理論計(jì)算或?qū)嶒?yàn)測(cè)試方法獲得待評(píng)價(jià)武器的武器體部在自由后坐情況下的最大后坐速度及對(duì)應(yīng)的后坐位移, 然后應(yīng)用武器后坐的系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法 B進(jìn)行評(píng)價(jià).

例如, 根據(jù)理論計(jì)算, 7. 62 mm 輕機(jī)槍自由后坐的最大后坐速度及相應(yīng)的后坐位移分別為v1= 0. 955 m/s,x1= 0. 003 6 m; 7. 62 mm 輕重機(jī)槍自由后坐的最大后坐速度及相應(yīng)的后坐位移分別為v2= 1. 2 m /s,x 2= 0. 006 3 m.

應(yīng)用式 (2) 將指標(biāo)實(shí)際值轉(zhuǎn)化成指標(biāo)評(píng)價(jià)值, 有

應(yīng)用式 (3) 可得 7. 62 mm 輕機(jī)槍和7. 62 mm輕重機(jī)槍的聯(lián)合評(píng)價(jià)值分別為

因y1 ＜y2, 所以 7. 62 mm輕機(jī)槍的固有后坐小于7. 62 mm輕重機(jī)槍的固有后坐.

5. 2 可感后坐的系統(tǒng)評(píng)價(jià)

武器的可感后坐主要反映的是武器體部對(duì)武器支承體的作用效應(yīng), 可以通過理論計(jì)算或?qū)嶒?yàn)測(cè)試方法獲得待評(píng)價(jià)武器的最大后坐力和后坐總沖量, 然后應(yīng)用武器后坐的系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法 A進(jìn)行評(píng)價(jià).

例如, 根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試, 7. 62 mm 狙擊步槍的最大后坐力和后坐總沖量分別為F1= 3. 98 kN,I1= 8. 064 N?s; 12. 7 mm狙擊步槍的最大后坐力和后坐總沖量分別為 F2= 3. 33 kN, I2=38. 18 N?s.

應(yīng)用式 (1) 將指標(biāo)實(shí)際值轉(zhuǎn)化成指標(biāo)評(píng)價(jià)值, 有

應(yīng)用式 (3) 可得 7. 62 mm 狙擊步槍和12. 7 mm 狙擊步槍的聯(lián)合評(píng)價(jià)值分別為

因y1 ＜y2, 所以 7. 62 mm 狙擊步槍的可感后坐小于 12. 7 mm 狙擊步槍的可感后坐.

6 結(jié) 論

1)首次提出了武器固有后坐和可感后坐的概念, 武器固有后坐反映的是武器的固有狀態(tài), 而武器可感后坐反映的是武器的使用狀態(tài), 不但與武器的固有狀態(tài)有關(guān), 而且還與武器的支承狀態(tài)有關(guān).

2)現(xiàn)行的單因素評(píng)價(jià)法可能導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果失真.

3)建立的兩種多因素系統(tǒng)評(píng)價(jià)方案能夠科學(xué)地評(píng)價(jià)武器后坐的大小, 便于對(duì)不同的武器給出正確的評(píng)價(jià)結(jié)果.

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