宋 杰,邱 明,廖振強,華洪良

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

首發(fā)浮動的高初速榴彈機槍發(fā)射性能研究

宋 杰,邱 明,廖振強,華洪良

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

為研究采用首發(fā)浮動技術(shù)的榴彈機槍(GMG)的動力學(xué)特性,建立GMG剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型,并進行了20連發(fā)動力學(xué)計算。通過動力響應(yīng)研究了浮動參數(shù)對射擊密集度的影響。采用外彈道理論計算了20連發(fā)射擊密集度,并與實驗值進行比較,對動力學(xué)模型的準(zhǔn)確性進行了驗證。研究了浮動參數(shù)對武器架座力及射擊密集度的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:建立的仿真計算模型可以有效預(yù)測GMG射彈散布,并可通過合理匹配浮動參數(shù)達到提高武器射擊密集度、降低武器后坐力的目的。

榴彈機槍;高初速;浮動參數(shù);射擊密集度;仿真

榴彈機槍(GMG)在射擊過程中槍管與機框作為浮動體沿槍管軸線方向高速往復(fù)運動,造成槍身質(zhì)心位置在射擊循環(huán)中是變化的,槍架及槍管的動態(tài)特性相應(yīng)產(chǎn)生變化,這是浮動發(fā)射方式的特點[1]。相對于普通發(fā)射方式,浮動發(fā)射可以大幅降低武器后坐力[2]。國內(nèi)外學(xué)者對采用首發(fā)浮動的武器減后坐方面做了大量研究[3-7],而對武器的射擊密集度研究仍然很少。研究浮動方式自動機動力學(xué)特性、分析膛口響應(yīng)特性是研究武器射彈散布變化規(guī)律的前提。彈丸起始擾動是造成射彈散布的根本原因,包括彈丸速度、射角和彈道系數(shù)[8]。本文重點研究彈丸出膛口時速度對射彈散布及射擊密集度的影響。膛口振動特性決定彈丸出膛口速度,正確計算槍管膛口運動特征量是研究武器射彈散布及射擊密集度的關(guān)鍵。柔性架座是搭載槍身的射擊平臺,架座的振動直接影響槍身的振動[9],槍管及架座的變形對系統(tǒng)的振動特性不可忽略,槍管和架座不能按照剛體處理,必須考慮柔性效應(yīng)。

本文利用動力學(xué)分析軟件對首發(fā)浮動的高初速GMG進行動力學(xué)建模,計算膛口振動特性曲線。將彈丸出膛口初始擾動量作為外彈道方程初始條件,計算武器射擊密集度。通過對比射彈散布仿真值與試驗值,驗證了所建模型的正確性。

1 首發(fā)浮動GMG工作原理

首發(fā)浮動GMG示意圖如圖1所示,工作原理:機框在機框復(fù)進簧作用下帶動槍機完成復(fù)進、推彈入膛、閉鎖動作。在機框閉鎖后走自由行程時,機框的楔形面撞擊槍管鎖扣,完成對槍管解鎖動作,隨后機框組件與槍管在機框防跳器作用下扣合在一起共同復(fù)進。當(dāng)機框組件與槍管組件運動至最大前沖位置時擊發(fā)底火。彈底壓力大于彈丸擠進壓力時,榴彈在火藥燃氣壓力作用下擠進膛線加速運動。榴彈運動至導(dǎo)氣孔之前,槍管、機框組件呈閉鎖狀態(tài)一起后坐。當(dāng)榴彈經(jīng)過導(dǎo)氣孔時,部分火藥燃氣由導(dǎo)氣孔流入導(dǎo)氣室,一方面推動活塞加速運動,活塞解脫機框防跳器,另一方面迫使槍管減速。活塞推動機框加速運動,完成開鎖動作。槍機與機框一起后坐,在拉殼鉤作用下完成抽殼、拋殼。機框后坐過程中帶動撥彈滑板進行撥彈、脫鏈動作。槍機與機框后坐撞擊機框緩沖器直至后坐到位,而后開始復(fù)進完成下一發(fā)自動循環(huán)動作。同時,槍管在槍管浮動簧力、膛內(nèi)壓力作用下后坐、后坐到位、復(fù)進,直至槍管被槍管鎖扣卡在槍管首發(fā)初始位置處,等待機框解鎖。

2 剛?cè)狁詈辖?/h2>

為了減少計算工作量,將剛度大、變形小且對射擊系統(tǒng)發(fā)射動力學(xué)影響不大的部件當(dāng)作剛體進行研究。對自動機運動及受力影響不大的零部件進行等效質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量替代。對剛度小、變形大且對武器射擊密集度影響大的零部件按柔性體進行建模。結(jié)合圖1所示首發(fā)浮動GMG低后坐發(fā)射系統(tǒng),利用有限元軟件將槍管組件、上架、托架和三腳架生成柔性體,其余零部件作相應(yīng)的剛體、等效質(zhì)量處理,得出基于高初速發(fā)射的GMG剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)計算模型。

2.1 載荷添加及邊界處理

2.1.1 膛壓曲線及導(dǎo)氣室壓力曲線

膛內(nèi)和導(dǎo)氣室氣體壓力是導(dǎo)氣與槍管混合式武器的動力來源,準(zhǔn)確計算膛內(nèi)和導(dǎo)氣室的氣體壓力參數(shù)是建立武器動力學(xué)模型的基礎(chǔ),直接影響武器仿真結(jié)果的正確性和合理性,在武器動力學(xué)分析中具有重要地位。關(guān)于氣體動力學(xué)計算模型,文獻[1]中已作詳細推導(dǎo),這里不再贅述,通過氣體動力學(xué)模型得到武器膛壓曲線和導(dǎo)氣室壓力曲線,如圖2所示。

2.1.2 土壤集總參數(shù)模型

架座與土壤介質(zhì)之間相互作用,對GMG的動力學(xué)特性有很大影響。建立土壤模型時,選取廣泛采用Nemak和Rosenblueth提出的集總參數(shù)模型[10]。土壤集總參數(shù)計算公式為

(1)

式中:mh,mv分別為水平方向和高低方向的等效質(zhì)量;Kh,Kv分別為土壤對駐鋤作用力在水平和高低方向上的等效剛度;Ch,Cv分別為土壤對駐鋤作用力在水平和高低方向上的等效阻尼系數(shù);r為與土壤有效接觸面積的當(dāng)量半徑;ρs為土壤質(zhì)量密度;G為土壤剪切彈性模量。

2.2 射擊密集度計算模型

外彈道模型為

(2)

式中:C為彈道系數(shù);H(y)為空氣密度函數(shù);FR(v)為與彈丸飛行有關(guān)的阻力函數(shù);s為彈丸飛行距離。

外彈道初速條件為

式中:v0為彈丸出膛口速度;Δθx0,Δθy0分別為彈丸出膛口瞬間方向射角、高低射角的初始擾動量;Δvx0,Δvy0為彈丸出膛口瞬間在x軸、y軸方向上速度的初始擾動量;δx0,δy0為彈丸出膛口瞬間在x軸、y軸方向上的位移初始擾動量。根據(jù)彈丸在膛口的初始擾動量,將彈丸后效期結(jié)束時刻的參量代入外彈道方程組,求解得到射擊距離100m的射彈散布。

用密位(mil)單位表示的立靶密集度為

(3)

3 仿真分析計算及模型驗證

3.1 自動機動力學(xué)特性分析

對上節(jié)建立的高初速GMG模型進行20發(fā)射擊仿真計算,得到連發(fā)射擊自動機動力學(xué)特性曲線,如圖3所示。

由圖3(a)可知,機框復(fù)進行程為405 mm,緩沖行程為20 mm,槍管前沖行程為100 mm,后坐行程為120 mm,完成20發(fā)的射擊時間為3.861 1 s,射速為311 r/min。

由圖3(b)可以看出,機框在首發(fā)達到最大后坐速度為7.65 m/s,這是由于首發(fā)時機框由靜止開始加速運動,而第2發(fā)開始,機框在撞擊機框緩沖簧時有反跳速度,反跳速度抵消一部分后坐沖量,槍管首發(fā)出現(xiàn)最大后坐速度亦是如此;機框在第3發(fā)達到最大前沖速度5.22 m/s。圖4為機框和槍管的速度峰值隨彈序(Nd)的變化趨勢圖。由圖4可知,機框最大前沖速度自第5發(fā)后交替出現(xiàn)衰減,呈現(xiàn)收斂趨勢,可以認(rèn)為武器射擊過程趨于穩(wěn)定。槍管在首發(fā)射擊時達到最大后坐速度6.06 m/s,在第3發(fā)射擊時出現(xiàn)最大前沖速度5.22 m/s。

為了更確切地描述武器搖架的受力狀況,雙向緩沖簧力定義為架座力;將沿槍管后坐方向所受緩沖簧力定義為后坐力,圖3(c)中以負(fù)值表示;沿槍管前沖方向所受緩沖簧力定義為前沖力,圖3(c)中以正值表示。低后坐發(fā)射是指武器在射擊過程中前沖力峰值、后坐力峰值均較小。由圖3(c)可以看出,武器在第2發(fā)擊發(fā)時達到最大后坐力,在第2發(fā)機框與槍管撞擊結(jié)合時達到最大前沖力。

3.2 射擊密集度分析

通過2.2節(jié)外彈道計算模型可知,彈丸初始擾動量是造成射彈散布的主要原因,包括δy0,δx0,Δθy0,Δθx0,Δvy0,Δvx06個參數(shù)。通過對建立的高初速GMG剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M行20發(fā)射擊仿真計算,得到膛口位置處6個參數(shù)值,具體參數(shù)值見表1。

表1 膛口初始參數(shù)

通過在ADAMS中設(shè)立傳感器,截取彈丸出膛口時刻,通過Matlab軟件編程提取彈丸出膛口瞬間20組膛口6個初始擾動量,將提取的位移初始擾動量、速度初始擾動量、射角初始擾動量作為外彈道計算初始條件,計算在100 m距離上射彈的彈著點。圖5為100 m距離上射彈散布仿真結(jié)果和試驗結(jié)果。表2為射彈散步圓及射擊密集度仿真值、試驗值,相對誤差在10%內(nèi)。表中,R50是以散布中心為圓心,包含彈著點數(shù)50%的圓半徑;R100是以散布中心為圓心,包含彈著點數(shù)100%的圓半徑?？梢钥闯鑫淦鞣抡娼Y(jié)果與試驗結(jié)果基本相符,提取的剛?cè)狁詈夏Ｐ椭刑趴诔跏紖?shù)數(shù)據(jù)是可靠的,建立的射擊密集度模型是正確的。

表2 射擊密集度

由表2可知,GMG高低方向射擊密集度試驗值是方位方向射擊密集度試驗值的1.7倍,GMG高低方向散布較大。將圖5射彈散布仿真結(jié)果進行射彈排序,R50試驗值只有R100試驗值的16%,主要由于GMG在前3發(fā)射擊時未達到穩(wěn)定射擊狀態(tài),前3發(fā)離散較嚴(yán)重,但第3發(fā)后散布逐漸變小,呈現(xiàn)向散布中心收斂的狀態(tài)。

4 浮動裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)對架座力及射擊密集度的影響

合理采用浮動裝置有3個優(yōu)點:①能夠大幅減小后坐力,在復(fù)進中浮動體的能量抵消火藥燃氣后坐能量;②大幅降低運動件之間的撞擊力,減小武器的振動;③在射擊高速榴彈時浮動簧對機匣作用力始終向后,提高武器射擊穩(wěn)定性及射擊密集度。結(jié)合研究的首發(fā)浮動GMG特點,下文研究浮動行程、浮動簧剛度、浮動解鎖位置對GMG發(fā)射性能的影響,對降低武器后坐力、提高射擊密集度具有重要意義。

4.1 浮動行程

圖6為架座在20連發(fā)射擊過程中所受前沖力和后坐力的峰值。圖中,Fmax為負(fù)值表示后坐力峰值,Fmax為正值表示前沖力峰值。浮動行程Lf在105～85 mm范圍內(nèi)架座力逐漸衰減或者小幅震蕩,保證浮動的穩(wěn)定性。由圖6可以看出:武器在前3發(fā)未達到射擊穩(wěn)定狀態(tài),出現(xiàn)架座力峰值波動較大的現(xiàn)象,且在20連發(fā)射擊過程中最大后坐力出現(xiàn)在前3發(fā)階段;當(dāng)Lf=105 mm時后坐力最大,而當(dāng)Lf=95 mm時后坐力最小;第5發(fā)彈后架座力峰值開始趨于穩(wěn)定;第20發(fā)浮動自動機達到最穩(wěn)定狀態(tài),隨著浮動行程變短架座所受前沖力峰值逐漸增大,且Lf=85 mm比Lf=105 mm的前沖力峰值大72.8%,Lf=85 mm后坐力峰值最大,Lf=90 mm后坐力峰值最小,且Lf=85 mm比Lf=95 mm后坐力峰值大54.6%。一方面前沖力及后坐力盡量小,另一方面架座力最大值與達到穩(wěn)定浮動后峰值波動盡量小,架座力控制在3 500 N內(nèi)浮動行程取85～100 mm范圍內(nèi)合適。

圖7為浮動行程對100 m立靶上射彈散布的影響,表3為浮動行程對射擊密集度的影響。結(jié)合表3可知:縮短浮動行程,散布中心在方位方向逐漸沿X軸正方向偏移,且浮動行程Lf≤95 mm時彈序大的榴彈彈著點開始向靶紙右上方向發(fā)散;R50在浮動行程Lf=95 mm時最小,在Lf=85mm時最大;R100在浮動行程Lf=100 mm時最小,在Lf=85 mm時最大;當(dāng)Lf=95 mm時高低方向射擊密集度Eyy和方位方向射擊密集度Exx最小,當(dāng)Lf=85 mm時高低方向射擊密集度Eyy和方位方向射擊密集度Exx最大。從射擊密集度考慮,浮動行程在95～105 mm范圍內(nèi)合適。

表3 浮動行程對射擊密集度的影響

綜上所述,GMG浮動行程在95～100 mm范圍內(nèi)較合理,既能將架座力控制在3 500 N范圍內(nèi)達到武器低后坐發(fā)射的目的,又能滿足高低方向射擊密集度Eyy≤1.6,方位方向射擊密集度Exx≤1,實現(xiàn)武器高精度的指標(biāo)。

4.2 浮動簧剛度

圖8為不同浮動簧剛度下架座力峰值隨彈序的變化圖。由圖8可知:武器在20發(fā)射擊過程中最大前沖力、最大后坐力出現(xiàn)在前兩發(fā)的射擊過程中;浮動簧剛度Kf=5.5 N/mm時前沖力(2 549 N)最大,Kf=3.5 N/mm時后坐力(3 378 N)最大;第3發(fā)之后前沖力峰值、后坐力峰值開始趨于穩(wěn)定;第20發(fā)射擊時浮動狀態(tài)最穩(wěn)定,隨著浮動簧剛度增大,前沖力峰值增大,且Kf=5.5 N/mm比Kf=3.5 N/mm前沖力峰值大109.8%,Kf=5.5 N/mm時后坐力峰值最大,Kf=4.5 N/mm時后坐力峰值最小,且Kf=5.5 N/mm比Kf=4.5 N/mm時后坐力峰值大36.1%。武器架座力控制在3 500 N內(nèi),浮動簧剛度取在3.5～5.5 N/mm范圍內(nèi)較合適。

圖9為浮動簧剛度對100 m立靶上射彈散布的影響,浮動簧剛度對射擊密集度的影響如表4所示。結(jié)合表4可知:增大浮動簧剛度,散布中心在高低方向上沿Y軸正方向逐漸偏移,在方位方向上沿X軸正方向逐漸偏移;當(dāng)浮動簧剛度Kf≥5.0 N/mm時,彈序大的彈著點開始沿靶紙右上方向發(fā)散;R50在Kf=5.0 N/mm時最小,在浮動簧剛度Kf=4.0 N/mm時最大;射彈全散布R100隨浮動簧剛度增大而增大;當(dāng)Kf=4.0 N/mm時Eyy最小,當(dāng)Kf=4.5 N/mm時Exx最小;當(dāng)Kf=5.5 N/mm時Eyy和Exx最大。從射擊密集度考慮,浮動簧剛度在3.5～5.0 N/mm范圍內(nèi)合適。

表4 浮動簧剛度對射擊密集度的影響

綜上所述,首發(fā)浮動的GMG浮動簧剛度取值在3.5～5.0 N/mm范圍內(nèi)較合理,既能將架座力控制在3 500 N內(nèi)實現(xiàn)武器低后坐發(fā)射目的,也能滿足Eyy≤1.6且Exx≤1,達到武器高精度的指標(biāo)。

4.3 浮動解鎖位置

浮動解鎖位置決定槍管解脫時間,文中解鎖位置取值越大表示越靠近膛口。當(dāng)槍管提前被解鎖,浮動簧對槍管作用力使槍管獲得較大加速度,機框在機框復(fù)進簧作用下加速度較小,可能會出現(xiàn)下列2種情況:機框與槍管未扣合在一起,最終機框與槍管分離無法進行擊發(fā);機框與槍管前沖至最前端,槍管撞擊瞎火緩沖裝置,而此時槍管速度無前沖速度,機框前沖至擊發(fā)位置擊發(fā)底火,武器相當(dāng)于槍管長后坐自動方式,后坐力急劇增大。當(dāng)槍管解鎖位置越小,機框走完自由行程與槍管碰撞結(jié)合速度損失越多,浮動前沖至最大位移處速度越低,浮動機動能抵消火藥燃氣能量越少。因此,合理選擇浮動解鎖位置不僅能夠降低GMG后坐力、提高射擊精度,而且可以有效避免瞎火現(xiàn)象。

圖10為不同浮動解鎖位置下架座力峰值隨彈序的變化圖。由圖10可知:武器在20發(fā)射擊過程中最大前沖力、最大后坐力出現(xiàn)在前兩發(fā)的射擊過程中;浮動解鎖位置df=5 mm時前沖力(2 103 N)最大,df=20 mm時后坐力(3 601 N)最大;第3發(fā)之后df=20 mm浮動狀態(tài)不穩(wěn)定,前沖力峰值、后坐力峰值大幅振蕩,其余浮動解鎖位置小幅振蕩且隨著射擊發(fā)數(shù)增加而逐漸收斂;第20發(fā)射擊時浮動狀態(tài)相對穩(wěn)定,df=20 mm時前沖力峰值最大,df=5 mm時前沖力峰值最小,且df=20 mm時比df=5 mm時前沖力峰值大88.1%,df=20 mm后坐力峰值最大,df=5 mm時后坐力峰值最小,且df=20 mm時比df=5 mm時后坐力峰值大59.8%。為實現(xiàn)武器低后坐發(fā)射浮動解鎖位置取在0～15 mm范圍內(nèi)較合適,其中以df=5 mm方案最優(yōu)。

圖11為浮動解鎖位置對100m立靶上射彈散布的影響,浮動解鎖位置對射擊密集度的影響如表5所示。結(jié)合表5可知:浮動解鎖位置在5～15 mm范圍內(nèi)散布中心大致相同,在高低方向及方位方向上df=20 mm時偏移量最大,當(dāng)df≥15 mm時彈序大的彈著點開始沿靶紙右上方向發(fā)散;R50在df=5 mm時最小,在df=20 mm時最大;浮動解鎖位置在0～15 mm范圍內(nèi)射彈全散布R100大致相同,在df=20 mm時最大;在df=10 mm時Eyy和Exx均最小;在df=20 mm時Eyy和Exx均最大。從射擊密集度考慮,浮動解鎖位置在0～15 mm范圍內(nèi)合適。

表5 浮動解鎖位置對射擊密集度的影響

綜上所述,浮動解鎖位置取值在0～15 mm范圍內(nèi)較合理,既能將武器架座力控制在3 500 N范圍內(nèi)實現(xiàn)低后坐發(fā)射目的,又能滿足Eyy≤1.6且Exx≤1,達到武器高精度的指標(biāo)。

5 結(jié)束語

建立了采用首發(fā)浮動發(fā)射技術(shù)的GMG剛?cè)狁詈习l(fā)射動力學(xué)模型,并進行20連發(fā)射擊過程的動力學(xué)仿真計算。

①建立的仿真模型是正確合理的,可以有效預(yù)測高初速GMG的射彈散布。

②基于首發(fā)浮動方式發(fā)射的GMG在20連發(fā)射擊過程中,在前3發(fā)射擊過程中射擊穩(wěn)定性較差,但在第5發(fā)后趨于穩(wěn)定,彈著點向散布中心收斂;最大后坐力出現(xiàn)在前兩發(fā)過程中,采用首發(fā)浮動發(fā)射技術(shù)可以將武器架座力控制在3 500 N內(nèi),達到武器低后坐發(fā)射高速榴彈的目的。

③增大浮動行程、降低浮動簧剛度,可以有效降低武器架座力;文中給出浮動參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍,對提升武器射擊密集度、改善其發(fā)射性能有一定指導(dǎo)意義,高初速GMG試制過程中可參考文中給出的浮動參數(shù)范圍進行調(diào)整。

④浮動解鎖位置對GMG架座力、射擊密集度、擊發(fā)時間較為敏感,是GMG瞎火、后坐力出現(xiàn)異常的主要原因,在試制過程中要特別注意。

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Research on Launching Performance of GMG With High Muzzle-velocity Based on First-floating Technology

SONG Jie,QIU Ming,LIAO Zhen-qiang,HUA Hong-liang

(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

To study the dynamic behavior of grenade machine gun(GMG)based on the first-floating technique,a rigid-flexible coupling multi-body dynamic-model was established,and 20-rounds firing process of GMG was carried out based on the dynamic model.The effect of floating parameters on firing accuracy was studied.The firing accuracy was calculated based on the external ballistic theory,and it was compared with the result by experimental test,and the dynamic model was validated.The effects of floating parameters on cradle force and firing accuracy were studied.The results show that the proposed dynamic model can predict the firing accuracy effectively.The optimal floating parameters can be matched reasonably to improve firing accuracy and reduce the recoil force.

grenade machine gun;high muzzle-velocity;floating parameter;firing dispersion;simulation

2017-01-22

國家自然科學(xué)基金項目(51375241,51376090)

宋杰(1986- ),男,博士研究生,研究方向為特種機械新原理新結(jié)構(gòu)研究。E-mail:sj0501510127@126.com。

TJ25

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