陳錦喜，尹 飛，郭顯成，蘇國曉

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

槍械后坐力是指槍械發(fā)射槍彈時形成的向后反沖力，是槍械的一項重要技術(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)計和射擊穩(wěn)定性設(shè)計的重要依據(jù)[1]。在槍械型號論證和研制過程中，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)對槍械后坐力測試方法較多，但其測試結(jié)果對后坐力的要求和評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[3]。鑒于此，本文通過研究一種手持式槍械后坐力測試方法，旨在準(zhǔn)確測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、性能試驗提供有效參考。

1 手持式槍械后坐力測試技術(shù)狀況

目前，測量手持式槍械后坐力的方法主要包括應(yīng)變式測力法和壓電式測力法等。實驗研究結(jié)果[4]表明：同一武器在同一剛性裝置上，采用不同測量方法，其測量結(jié)果不同；同一武器采用同一測量方法，若采用不同剛性裝置支撐其尾端，所測結(jié)果也不同。通常做法是將手持式槍械固定在自由后坐臺滑車上，壓力傳感器固定在自由后坐臺兩側(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，最終在數(shù)字采集和信號處理后得到后坐力隨時間變化曲線[5]。文獻(xiàn)[6]中基于三分力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計了槍械后坐運動參數(shù)測試平臺，并利用該平臺實現(xiàn)了對手持式抵肩槍械后坐力的測試，但該測試方法僅能測試來自沿槍管軸線方向的后坐力，無法測量其余方向的后坐力；文獻(xiàn)[7]中基于人-槍系統(tǒng)中不同自動方式對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)測量，綜合考慮了人的因素對槍械后坐的影響，但存在人體對試驗操作和儀器設(shè)備干擾的可能，存在一定的不確定性。

為更準(zhǔn)確全面地測量出手持式槍械后坐力，本研究提出一種新的測試方法[8]，通過采用基于5自由度模擬人體臺架的后坐力測試系統(tǒng)進(jìn)行測試，一方面測量出槍械后坐力的大小和指向，彌補上述其他測試方法只能測試單一方向或無法測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后坐力的影響，排除人體對試驗的干擾，確保測量出的后坐力更加符合實際情況。

2 手持式槍械后坐力測試原理與方法

2.1 測試系統(tǒng)組成

手持式槍械后坐力測試系統(tǒng)主要由模擬人體臺架、三向壓電力傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及測試分析軟件等組成[9]。其中，模擬人體臺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動部分的質(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 測試原理分析

手持式槍械后坐力測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。將手持式槍械固定在模擬人體臺架上，三向壓電力傳感器固定在模擬人體臺架靠近槍托底部位置，射擊時，槍械沿著導(dǎo)軌向后運動撞擊三向壓電力傳感器，傳感器產(chǎn)生電信號，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，由計算機(jī)測試分析軟件對信號進(jìn)行分析處理，最后得到槍械后坐力測試曲線。槍械后坐力作用于三向壓電力傳感器時，傳感器可以測量出后坐力在3個方向上分力的大小和方向，通過分析計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試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

其中，模擬人體臺架作為人-槍系統(tǒng)相互作用的重要部分，主要是通過5個自由度來實現(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個自由度的運動，這3個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2個自由度的運動，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架上，當(dāng)模擬人體臺架在相應(yīng)自由度上運動時，槍械也具有相同方向的運動，因此，可以認(rèn)為槍械在各個自由度上也是自由的。

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

表2 射擊試驗結(jié)果 cm

3 手持式槍械后坐力測試實例

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

圖3 某型步槍后坐力測試狀態(tài)圖

圖4(a)給出了某型步槍單發(fā)射擊后坐力3個分力(F1、F2、F3)大小變化情況，圖4(b)給出了3個分力方向(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中給出的曲線真實反映了單發(fā)實彈射擊時槍械對人體沖擊和自身動態(tài)特性變化的實際情況：射擊時，后坐力大部分集中分布在槍管軸向方向，對人體的沖擊表現(xiàn)為前后運動，其次后坐力分布在縱向方向，對射擊散布精度影響表現(xiàn)為上下浮動，后坐力在橫向分布最少，對射擊散布精度表現(xiàn)為左右偏差。通過后坐力測試結(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)而提高武器的實際射擊精度。

圖4 某型步槍單發(fā)射擊后坐力試驗曲線

圖5(a)給出了某型步槍點射(3發(fā))射擊后坐力3個分力(F1、F2、F3)大小變化情況，圖5(b)給出了3個分力方向(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，槍械點射(3發(fā))射擊后坐力在橫向、縱向和槍管軸向3個方向上的分力分布及分力方向情況基本一致，與實際射擊情況相吻合。

圖5 某型步槍點射(3發(fā))射擊后坐力試驗曲線

點射時，3發(fā)后坐力峰值變化以及時間間隔較為接近，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%。從點射后坐力曲線變化規(guī)律可以看出，采用的后坐力測試系統(tǒng)能夠排除人為因素對試驗造成的干擾，避免出現(xiàn)明顯地誤差和離群情況，所得試驗結(jié)果真實有效地反映了槍械點射后坐力變化情況，可以用于有效指導(dǎo)槍械射擊和動態(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個分力(F1、F2、F3)大小變化情況，圖6(b)給出了3個分力方向(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個方向上的分力分布及分力方向情況基本一致，與實際射擊情況相吻合。

圖6 某型步槍連發(fā)(5發(fā))射擊后坐力試驗曲線

連發(fā)射擊時，5發(fā)后坐力峰值變化以及時間間隔較為接近，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試系統(tǒng)能夠排除人為因素對試驗造成的干擾，對測量后坐力的真實值具有非常重要的作用。

4 結(jié)論

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

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

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