郭競(jìng)堯，劉建斌，李 勇，范文超，豆 征

（1.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099；2.北京軍代局駐晉中地區(qū)軍代室，山西 晉中 030812）

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)火炮武器系統(tǒng)的性能要求不斷提高，火炮的威力也在逐步提高，同時(shí)也要求火炮具有良好的機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)能力.而火炮威力的增大將產(chǎn)生諸如火炮后坐沖量過大帶來的火炮發(fā)射載荷增加，火炮系統(tǒng)質(zhì)量過大，機(jī)動(dòng)性降低，發(fā)射平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變差，火炮精度下降等一系列問題，這些問題成為制約火炮武器系統(tǒng)綜合性能進(jìn)一步提高的主要因素.如何降低或控制火炮發(fā)射時(shí)所產(chǎn)生的后坐力，是協(xié)調(diào)火炮威力與機(jī)動(dòng)性矛盾的關(guān)鍵技術(shù)，也是火炮武器系統(tǒng)研究中的一個(gè)重要問題［1］.

后坐力控制技術(shù)一般分為兩個(gè)研究方向，其一是通過減小火炮后坐沖量，包括炮口制退器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，膨脹波火炮概念的應(yīng)用以及前沖火炮技術(shù)；其二是通過緩沖裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括增大后坐長(zhǎng)度技術(shù)，自適應(yīng)控制技術(shù)及電磁流變技術(shù)等.

目前研究的主要方向集中在炮口制退器優(yōu)化設(shè)計(jì)［2-3］，膨脹波火炮概念應(yīng)用［4-6］，新式緩沖裝置的結(jié)構(gòu)原理［7-8］和無后坐力火炮［9］等，但由于小口徑自動(dòng)炮的結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)，尚存在如下問題：一方面是對(duì)后坐力減小的貢獻(xiàn)度有限，另一方面是工程化實(shí)現(xiàn)難度較大以及應(yīng)用中不可控的因素較多.

根據(jù)以上的問題，本文針對(duì)一些特定裝載平臺(tái)下的小口徑自動(dòng)炮，提出采用增大后坐長(zhǎng)度，彈箱與自動(dòng)炮共同浮動(dòng)射擊的方法，形成一種低后坐力的射擊模式，并以小口徑自動(dòng)炮為例對(duì)此射擊模式進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真分析，分析結(jié)果顯示該射擊模式能有效降低后坐力.

1 射擊模式

為了滿足自動(dòng)炮較長(zhǎng)連射的要求，一般需要將供彈端固定在搖架或炮塔上，從而使供彈系統(tǒng)有足夠的體積能容納足夠的炮彈進(jìn)行作戰(zhàn).在射擊時(shí)供彈端固定，自動(dòng)炮進(jìn)行后坐復(fù)進(jìn)動(dòng)作.通過實(shí)彈射擊表明：自動(dòng)武器的故障大部分是由供彈機(jī)構(gòu)引起的［10］，而大多數(shù)供彈故障的直接或間接原因是供彈端和自動(dòng)炮之間的相對(duì)位移過大.因此為了保證供彈過程的可靠性，目前的小口徑自動(dòng)炮的最大后坐位移一般不超過40mm，大都處于10～35mm 之間.

隨著小口徑自動(dòng)炮自身威力和射擊精度的提高，毀傷目標(biāo)所需彈數(shù)逐步減少，對(duì)于一些自動(dòng)炮的裝載平臺(tái)，如輕型偵查車、可移動(dòng)式崗哨及非直接作戰(zhàn)用直升機(jī)等，不需要每次執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)攜帶很多的炮彈，但對(duì)機(jī)動(dòng)性、輕量化要求較高，即少量的攜彈量就能滿足作戰(zhàn)需求且要求火炮系統(tǒng)的總質(zhì)量（包括火炮、供彈系統(tǒng)、彈藥、炮架等）較小.

在這種情況下，可使用小容量的無鏈供彈彈箱并直接安裝在自動(dòng)炮上，隨自動(dòng)炮共同完成后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的彈箱和自動(dòng)炮之間在射擊過程中不存在相對(duì)位移，供彈可靠性可大幅提升，同時(shí)不必為保證供彈可靠性而限制最大后坐長(zhǎng)度.這樣，就有了通過大后坐行程后位浮動(dòng)的射擊方式來降低后坐力的可能性，從而可減輕火炮系統(tǒng)的總質(zhì)量，提高了火炮系統(tǒng)裝載平臺(tái)的機(jī)動(dòng)性.

2 動(dòng)態(tài)仿真

2.1 數(shù)學(xué)模型

火炮在射擊時(shí)后坐部分所受的主動(dòng)力、約束反力和阻力構(gòu)成了一個(gè)空間力系.以全炮后坐式自動(dòng)炮為例，炮膛軸線為軸，則自動(dòng)炮受力可簡(jiǎn)化為如圖1 所示的示意圖.

圖1 自動(dòng)炮受力示意圖Fig.1 Schematic diagram of the force on automatic gun

圖1 中，mh為后坐體質(zhì)量；x為自動(dòng)炮相對(duì)搖架的位移，后坐為正，靜平衡位置為原點(diǎn)；Fpt為炮膛合力，作用在炮膛軸線上；Ff為自動(dòng)炮前沖過位的緩沖簧力；Fh為緩沖簧力；FΦ為緩沖器液壓阻力；FT為導(dǎo)軌摩擦力；θ為自動(dòng)炮高低射角.

根據(jù)牛頓定律，建立自動(dòng)炮的運(yùn)動(dòng)微分方程為［1］

將式（1）表示為

其中：

是方向與炮膛合力相反的一個(gè)合力，稱為后坐力.當(dāng)自動(dòng)炮平角射擊時(shí)，mhgsinθ＝0，則式（1），（2）中Fpt的計(jì)算式為

式中：ω為火藥裝藥質(zhì)量；m為彈丸質(zhì)量；φ為次要功計(jì)算系數(shù)；φ1為僅考慮彈丸旋轉(zhuǎn)和摩擦兩種次要功的計(jì)算系數(shù)，一般取φ1 ≈1.02；A為導(dǎo)向部分的橫截面積（At-A為藥室錐面在垂直炮膛軸線方向的投影面積，At為藥室膛底的截面面積）；pg為彈丸脫離炮口時(shí)膛內(nèi)的平均壓力；χ為炮口制退器的沖量特征量；b為反映炮膛合力衰減快慢的時(shí)間常數(shù)；tg為彈丸脫離炮口的時(shí)刻點(diǎn)；tk為膛內(nèi)壓力為0 的時(shí)刻點(diǎn).

當(dāng)圖1 中的x＞0時(shí)，式（1）和（3）中

當(dāng)圖1 中的x＜0時(shí)，式（1）和（3）中

式中：p為緩沖簧的預(yù)壓力；k為緩沖簧剛度.FΦ的計(jì)算式為

式中：K為液壓阻力系數(shù)，是理論與實(shí)際之間的復(fù)合系數(shù)；ρ為液體的質(zhì)量密度；A0為活塞工作面積；ax為流液孔面積；v為活塞運(yùn)動(dòng)速度.

當(dāng)自動(dòng)炮處于后坐過程，即v＞0（后坐方向?yàn)檎r(shí)，F(xiàn)T和式（8）求得的FΦ在式（1）和（3）中取正值；當(dāng)自動(dòng)炮處于復(fù)進(jìn)過程，即v＜0時(shí)，F(xiàn)T和式（8）求得的FΦ在式（1）和（3）中取負(fù)值.

2.2 仿真實(shí)例

以采用彈簧液壓緩沖器的某30mm 口徑自動(dòng)炮為例，仿真計(jì)算步驟如下：

1）確定自動(dòng)炮的基本參數(shù)，包括浮動(dòng)部分的質(zhì)量、射速和射擊角度.本例中分別為85kg，1 000 發(fā)／min，0°；

2）輸入自動(dòng)炮的內(nèi)彈道參數(shù)，根據(jù)式（4）和（5）獲得Fpt的各階段數(shù)據(jù)；

3）調(diào)整彈簧參數(shù)p值（緩沖簧的預(yù)壓力）和k值（緩沖簧剛度）；

4）調(diào)整后坐，復(fù)進(jìn)不同的流液孔面積，使后坐過程（即v＞0）阻尼系數(shù)較小，而復(fù)進(jìn)過程（即v＜0）阻尼系數(shù)較大，可根據(jù)式（8）動(dòng)態(tài)地計(jì)算FΦ值.

借助計(jì)算軟件，依照上述步驟，以使自動(dòng)炮能夠穩(wěn)定浮動(dòng)為目標(biāo)，根據(jù)式（1）和（3）進(jìn)行數(shù)值求解，可得10連發(fā)射擊時(shí)的后坐位移-時(shí)間曲線，10 連發(fā)射擊時(shí)的后坐力-時(shí)間曲線，如圖2 和圖3所示.

圖2 1 000發(fā)／min射速下10連發(fā)射擊的后坐位移-時(shí)間曲線圖Fig.2 1 000rounds per minute rate of fire，the 10bursts recoil length-time curve

圖3 1 000發(fā)／min射速下10連發(fā)射擊的后坐力-時(shí)間曲線圖Fig.3 1 000rounds per minute rate of fire，the 10bursts recoil force-time curve

當(dāng)自動(dòng)炮工作在另一個(gè)射速300 發(fā)／min時(shí)，重復(fù)步驟1）～4），可得10 連發(fā)射擊時(shí)的后坐位移-時(shí)間曲線，10 連發(fā)射擊時(shí)的后坐力-時(shí)間曲線，如圖4 和圖5 所示.

圖4 300發(fā)／min射速下10連發(fā)射擊的后坐位移-時(shí)間曲線圖Fig.4 300rounds per minute rate of fire，the 10bursts recoil length-time curve

圖5 300發(fā)／min射速下10連發(fā)射擊的后坐力-時(shí)間曲線圖Fig.5 300rounds per minute rate of fire，the 10bursts recoil force-time curve

自動(dòng)炮在低后坐力射擊模式下（無鏈供彈彈箱質(zhì)量未計(jì)入后坐質(zhì)量中）和常規(guī)射擊模式的對(duì)比結(jié)果如表1 所示.

表1 兩種射擊模式對(duì)比Tab.1 Two firing mode contrast

由表1可見，在低后坐力射擊模式下，最大后坐力較常規(guī)射擊模式可大幅下降，下降幅度超過了50%.

以上計(jì)算是為了與常規(guī)射擊模式有相同的后坐質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比，在忽略無鏈供彈彈箱的質(zhì)量的假設(shè)下進(jìn)行的；而在彈箱和自動(dòng)炮共同后坐時(shí)，彈箱本身和彈箱中的炮彈也屬于后坐質(zhì)量的一部分，并且射擊過程中炮彈的數(shù)量是在逐步減少，整個(gè)后坐部分的質(zhì)量不是基本恒定不變的，而是逐步減小.后坐部分質(zhì)量的變化對(duì)自動(dòng)炮射擊的后坐力變化有多大影響，從而對(duì)射擊密集度有多大影響，仍需考慮.為此，采用極限法進(jìn)行分析，具體為：

1）設(shè)定自動(dòng)機(jī)射速為1 000 發(fā)／min，彈箱中滿炮彈時(shí)為狀態(tài)A，彈箱中無炮彈時(shí)為狀態(tài)B.根據(jù)狀態(tài)A 的后坐質(zhì)量調(diào)整緩沖器參數(shù)至在狀態(tài)A下自動(dòng)炮能夠穩(wěn)定浮動(dòng)，再以相同的緩沖器參數(shù)計(jì)算狀態(tài)B，得到的對(duì)比曲線如圖6和圖7 所示.

2）設(shè)定自動(dòng)機(jī)射速為300 發(fā)／min，彈箱中滿炮彈時(shí)為狀態(tài)C，彈箱中無炮彈時(shí)為狀態(tài)D.根據(jù)狀態(tài)C的后坐質(zhì)量調(diào)整緩沖器參數(shù)至在狀態(tài)C 下自動(dòng)炮能夠穩(wěn)定浮動(dòng)，再以相同的緩沖器參數(shù)計(jì)算狀態(tài)D，得到的對(duì)比曲線如圖8 和圖9 所示.

圖6 狀態(tài)A 和B的后坐位移-時(shí)間對(duì)比曲線Fig.6 Status A and the status B of the recoil length-time of the contrast curve

圖7 狀態(tài)A 和B的后坐力-時(shí)間對(duì)比曲線Fig.7 Status A and the status B of the recoil force-time of the contrast curve

圖8 狀態(tài)C和D的后坐位移-時(shí)間對(duì)比曲線Fig.8 Status C and the status D of the recoil length-time of the contrast curve

圖9 狀態(tài)C和D的后坐力-時(shí)間對(duì)比曲線Fig.9 Status C and the status D of the recoil force-time of the contrast curve

兩種射速下兩種極限狀態(tài)的最大后坐位移及最大后坐力計(jì)算值對(duì)比結(jié)果如表2 所示.

表2 兩種極限狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.2 Two limiting states comparison of calculation results

由表2 可以看出，兩種極限條件下的最大后坐力差均不大于10%，且差值較?。ǚ謩e為0.7kN 和0.3kN），在此基礎(chǔ)上可對(duì)緩沖器參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，故而預(yù)計(jì)在本射擊模式下炮彈質(zhì)量的減小對(duì)射擊密集度影響不大.

3 結(jié)論

針對(duì)機(jī)動(dòng)性、輕量化要求較高的自動(dòng)炮裝載平臺(tái)，提出了小口徑自動(dòng)炮的一種低后坐力的射擊模式，該射擊模式包含的主要因素有：①自動(dòng)炮的裝載平臺(tái)執(zhí)行單次作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)所需的攜彈量較少；②無鏈供彈彈箱隨自動(dòng)炮共同后坐、復(fù)進(jìn)并實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)射擊；③采用了增大后坐長(zhǎng)度的技術(shù).

根據(jù)以上因素，可形成大后坐行程后位浮動(dòng)的射擊方式，相比于常規(guī)射擊模式，后坐力降低了50%以上，為小口徑自動(dòng)炮的減小后坐力技術(shù)提供了參考.

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