謝 鋒，魏立新，朱延飛，賀奇龍

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

密集度是火炮主要的戰(zhàn)技性能指標之一，密集度越好，擊毀目標所消耗的彈藥量越少。影響密集度的因素很多，主要與火炮自身的彈道與結(jié)構(gòu)性振動情況有關(guān)。以轉(zhuǎn)管火炮為例，火炮結(jié)構(gòu)剛度、射擊振動、控制系統(tǒng)、彈藥生產(chǎn)加工一致性、發(fā)射平臺以及作戰(zhàn)環(huán)境等都對密集度會產(chǎn)生影響。轉(zhuǎn)管火炮由于射擊時身管組有圓周旋轉(zhuǎn)運動, 產(chǎn)生的不平衡慣性力和支撐身管組的炮箱與卡箍的剛性等對轉(zhuǎn)管武器的振動特性也會產(chǎn)生影響, 特別是振動對炮口擾動的影響, 會引起射擊密集度變大.因此, 轉(zhuǎn)管火炮的炮口擾動研究對提高轉(zhuǎn)管火炮射擊密集度有重要意義。

1 立靶密集度

經(jīng)過長期的理論和實踐證明，轉(zhuǎn)管火炮的旋轉(zhuǎn)與振動會嚴重影響到轉(zhuǎn)管火炮系統(tǒng)的射擊精度。炮彈在身管膛內(nèi)運動的過程中，受到膛壓的變化和火炮身管振動的影響，引起炮口擾動，這樣就會導(dǎo)致每一發(fā)彈丸在出炮口的瞬間位置都不一樣，從而引起轉(zhuǎn)管火炮的彈丸散布變大，影響射擊密集度。

立靶密集度是指在一定距離上通過某種測量方法求得火炮射擊時彈丸在立靶面上的密集程度，常用立靶密集度來反映火炮的射擊精度，所以它是衡量火炮射擊精度性能的主要戰(zhàn)技術(shù)指標。密集度受偶然誤差的影響，偶然誤差是以火炮的設(shè)計制造有關(guān)的，所以仿真分析只能判斷射擊密集度的好壞，在此只對射擊密集度進行分析研究。

工程上，常用方位中間偏差Ex和高低中間偏差Ey來表示立靶射擊密集度。具體計算方法如下：

方位中間偏差Ex公式為：

式中：Ex為方位中間偏差，m；xi為方位散布坐標，m；為方位散布坐標平均值，；n為射彈總數(shù)。

高低中間偏差Ey公式為：

式中：Ey為高低中間偏差，m；yi為高低散布坐標，m；為高低散布坐標平均值，；n為射彈總數(shù)。

在實際應(yīng)用中，通常用中間誤差除以靶距L，立靶密集度利用角度的形式來表達，即方位立靶密集度：rad；高低立靶密集度：，rad。

2 炮口振動響應(yīng)分析

轉(zhuǎn)管火炮在不同結(jié)構(gòu)形式、不同發(fā)射率下，對射擊激勵響應(yīng)也不同，且發(fā)射率對火炮振動的固有頻率影響較大。對于某一轉(zhuǎn)管火炮而言，在一定發(fā)射率下振動固有頻率是一個定值，所以激勵的輸出響應(yīng)也是相同的。本文轉(zhuǎn)管火炮以發(fā)射率4 000發(fā)/min，對轉(zhuǎn)管火炮連續(xù)射擊100發(fā)進行仿真分析，得出彈丸出炮口瞬間的線位移、線速度以及角位移變化曲線。

2.1 炮口點水平方向振動分析

由圖1可以得出，炮口點水平方向的振動在初始啟動發(fā)射率上升階段振動位移波動較大，振幅變化量最大達1.53 mm，發(fā)射率穩(wěn)定后移位一致性好且變小；由圖2可以得出，炮口點水平方向的振動線速度振幅變化量最大值為2.15 m/s；由圖3可以得出，炮口點水平方向的振動角位移振幅變化量最大值為0.008 8 deg。

圖1 炮口水平方向振動線位移曲線Fig.1 Linear displacement curve of muzzle transverse vibration

圖2 炮口水平方向振動線速度曲線Fig.2 Linear velocity curve of muzzle transverse vibration

圖3 炮口水平方向振動角度曲線Fig.3 Angle curve of muzzle transverse vibration

2.2 炮口點垂直方向振動分析

由圖4可以得出，炮口點垂直方向的振動在初始啟動發(fā)射率上升階段振動位移波動較大，振幅變化量最大達3.86 mm，發(fā)射率穩(wěn)定后移位一致性好且變?。挥蓤D5可以得出，炮口點垂直方向的振動線速度振幅變化量最大值為4.15 m/s；由圖6可以得出，炮口點垂直方向的振動角位移振幅變化量最大值為0.011 4 deg。

通過計算每發(fā)彈丸出炮口的時間，計算得到每發(fā)彈丸在此刻的振動線位移、線速度以及角度。從而求得每發(fā)彈丸在炮口處膛口中心相對膛底中心振動位移的坐標值。

圖4 炮口垂直方向振動線位移曲線Fig.4 Linear displacement curve of muzzle lengthways vibration

圖5 炮口垂直方向振動線速度曲線Fig.5 Linear velocity curve of muzzle lengthways vibration

圖6 炮口垂直方向振動角度曲線Fig.6 Angle curve of muzzle lengthways vibration

根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)置初始條件為：立靶距離200 m，彈丸初速為890 m/s。將每次火炮發(fā)射時炮口擾動的位移值代入外彈道計算軟件中，可以得到100連發(fā)的立靶坐標值。

圖7 炮口處膛口中心相對膛底中心的振動位移Fig.7 Vibration displacement of muzzle center relative to chamber center

由圖8可以看出：有2發(fā)彈的位置偏差比較大，絕大部分彈位置相對集中。根據(jù)立靶坐標值的數(shù)據(jù)利用方位和高低立靶密集度公式求得方位立靶密集度為0.58 mrad，高低立靶密集度為0.43 mrad，結(jié)果良好。由此可以看出轉(zhuǎn)管火炮射擊穩(wěn)定，振動對立靶密集度影響較小，滿足技術(shù)指標要求。

圖8 轉(zhuǎn)管火炮 100 連發(fā)立靶密集度Fig.8 Firing density of 100 rds repeating gatling gun

3 結(jié) 語

炮口振動是引起炮口擾動的主要原因，進而又影響轉(zhuǎn)管火炮射擊密集度。本文對一定的研究對象先進行隨機振動分析，得出了炮口點的位移和速度，進而代入外彈道計算軟件中，得出200 m處立靶密集度，雖然仿真得出的立靶密集度較小，滿足轉(zhuǎn)管火炮規(guī)定的指標技術(shù)要求，但是通過分析可以得出結(jié)論如下：

1）通過仿真分析可得炮口振動固有頻率，如果固有頻率與轉(zhuǎn)管火炮發(fā)射率相同時，會發(fā)生共振現(xiàn)象，隨著射彈發(fā)數(shù)的增加，射擊時間的持續(xù)，炮口振動位移將逐漸變大，導(dǎo)致較大的射擊密集度，所以在進行轉(zhuǎn)管火炮結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要避開共振頻率，達到振動固有頻率和發(fā)射率的良好匹配。

2）為了減少振動位移，需要增加轉(zhuǎn)管炮自動機本身和與其配合的搖架、回轉(zhuǎn)前支撐等零部件的裝配間隙，提高轉(zhuǎn)管炮的剛性。

3）加強身管和搖架的自身剛度，也可降低振動的影響。

4）提高轉(zhuǎn)管火炮控制系統(tǒng)的性能與隨動精度，也可提高射擊密集度。