不同射频对车载转管机枪射击精度的影响

化斌斌，王瑞林，张军挪，贾云非

（1.军械工程学院，石家庄050003；2.解放军63850部队，吉林白城137001）

不同射频对车载转管机枪射击精度的影响

化斌斌1，2，王瑞林1，张军挪1，贾云非1

（1.军械工程学院，石家庄050003；2.解放军63850部队，吉林白城137001）

为研究不同射频对车载转管机枪射击精度的影响，以某型车载转管机枪为对象，建立了该武器系统的刚柔耦合虚拟样机模型。通过仿真计算车体在制动状态时，机枪以不同射频进行射击的过程，得到了不同射频下车体、机枪架座和枪管的振动特性以及射弹散布。通过对不同射频下仿真曲线对比分析，可以得出射频对机枪射击精度的影响程度。仿真研究结果为该武器的研究与设计优化提供了理论支持。

车载转管机枪，射频，刚柔耦合模型，动力学特性，射击精度

0 引言

射频作为转管机枪的一个重要性能指标，与武器的威力密切相关。转管机枪一般都设置有不同的射频，内能源转管机枪通过调节导气孔的直径大小实现射频的变换。转管机枪具备不同的射频可大大增强其作战效能，根据射击目标的特点使用不同的射频，也将使转管机枪的使用更加合理，并有利于延长武器的使用寿命［1］。

不同射频对武器系统的性能影响是不同的，主要是由于不同射频使得武器工作时各构件的运动速度和后坐冲量的频率发生变化，从而引起发射平台与各零部件振动的变化。文献［2-3］针对机枪不同射频对车载转管机枪射击精度的问题进行了研究，但都是考虑的车体自由状态下的情况。而车载武器在实际射击过程中往往都是处于制动状态的，车体在不同制动状态下的振动情况也是不同的［4］，因此，对机枪的射击密集度及散布影响也是不同的。本文通过对某车载转管机枪进行动力学分析，建立枪-车-路面的刚柔耦合虚拟样机模型，仿真计算不同射频下的车载转管机枪的射击过程，通过仿真分析，找出不同射频对车载转管机枪射击精度的影响规律，为转管武器的总体设计和优化提供依据。

1 车载转管机枪动力学模型的建立

1.1 机枪系统拓扑关系分析

车载转管机枪系统主要由机枪子系统和改装车辆组成，拓扑结构如图1所示。其中，车体通过悬架-轮胎结构与地面接触，通过支撑座圈与机枪子系统连接；托架与摇架在耳轴处通过旋转副连接，并在锁紧块处通过固定副连接；机匣体在摇架上通过双向缓冲簧以及摇架尾部导轨前后运动，故在摇架与机匣体之间施加平移副和弹簧连接；枪管组件在射击过程中绕机匣体旋转，两者之间为旋转副。

图1 车载转管机枪拓扑结构

1.2 载荷的计算

该内能源转管机枪主要利用枪弹击发生成的火药气体进入导气室推动活塞带动自动机运动，在射击过程中所受的载荷主要有枪膛合力、气室压力、枪口制退力以及拨弹阻力、抽壳阻力等阻力。枪膛合力可通过经典内弹道方程组［5］进行求解得到，枪口制退力采用气体动力学进行计算［6］，拨弹阻力、抽壳阻力等可通过经验公式进行求解［7］，在此主要介绍气室压力的确定。气室压力采用气体动力学的计算方法进行求解，计算公式为［8］:

其他参数表达式为:

式中，pq、ρq、Tq分别为导气室内的火药气体压强、密度、温度；γ为绝热指数；Vq0为导气室初始容积；Sh为活塞端面面积；xh、vh分别为活塞的位移、速度；Q为导气室散失的热量；ei、eq分别为从导气孔流入导气室、从气室活塞间隙漏出导气室的单位质量气体的能量；qmb、qmq分别为流入导气室、流出导气室的气体流量；mh为活塞质量；Rf为活塞所受的阻力；Cp为定压比热容；pp、ρp、Tp分别为膛内导气孔处的火药气体压强、密度、温度；Tc为气室壁温度；Sq0为气室初始散热面积；μb、μq分别导气孔、气室活塞间隙火药气体流量系数；Sb为导气孔面积；ΔSh为气室与活塞的间隙面积；ζ为临界压力比。

1.3 轮胎-路面模型的建立

对车载武器系统进行仿真研究，轮胎模型是其中最重要的部分之一。轮胎一般由橡胶、帘布层等合成材料以及充气结构组成，具有高度非线性、可压缩性、各向异性和粘弹性，使得轮胎物理模型的建立比较特殊和复杂，因而，一般都将轮胎单独模型化，用一组数学模型来表现。不同的轮胎模型对应的数据要求和输出精度并不完全相同，需要同仿真要求相一致［10］。本文采用UA轮胎模型，UA轮胎模型综合考虑了纵向和侧向滑移的情况，是一种所需试验测试数据较少的比较精确的解析模型。

试验中车载武器在水泥路面进行射击，因此，本文采用刚性路面，即不考虑路面的变形。

1.4 车载转管机枪刚柔耦合模型的建立

将车载转管机枪系统的CAD模型导入到多体动力学软件ADAMS中建立虚拟样机模型，通过拓扑关系分析添加合适的约束。由于在射击过程中，枪管、摇架、托架和底座等结构都会发生较大变形，因此，将它们利用有限元软件生成柔性体，建立转管机枪系统的刚柔耦合模型，能够更真实地反映机枪在射击过程中的振动情况。在本文中，将摇架、托架和底座统称为机枪架座。建立的车载转管机枪刚柔耦合虚拟样机模型如图2所示。

图2 车载转管机枪虚拟样机模型

2 模型计算与验证

某转管机枪射频有高、低射频两种，其中，低射频约为2 300发/min，高射频约为3 000发/min。射击时，车辆制动在水平水泥路面。仿真计算设置计算步长为0.000 1 s，一次射击30发弹，表1为高、低射频的仿真与试验对比值，由表中数据可以看出，仿真计算的射频与试验射频非常接近。图3为高、低射频时枪管的转速仿真曲线，从图中可以看出，高、低射频第一发弹击发时的枪管转速是相同的，这是由于第一发弹击发是由人工储能装置涡卷簧释放簧力带动枪管组转动到第一次击发位置进行击发，第一发弹击发后，开始由火药燃烧气体进入导气室驱动枪管组转动，高射频下的转速开始比低射频下的转速有了提升，最后稳定在各自的射击频率。这与实际射击过程是相符的。

表1 射频对比

图3 不同射频下的转速

3 不同射频下的动力学分析

通过对高、低射频下的车载转管机枪进行仿真计算，分析不同射频下的武器系统的振动情况，可以得出不同射频对车载转管机枪射击精度的规律及影响。试验中该枪的射弹散布主要体现在高低散布较大，水平散布比较小，因此，主要分析高低方向的振动情况。仿真结果对比如图4～图9以及表2所示。其中，β1为车体高低振动角位移，β2为枪口高低振动角位移，R70为100 m距离上70%射弹散布圆半径。

图4 车体高低方向角位移

图5 枪口高低方向振动角位移

图6 弹丸出枪口时刻枪口高低方向角位移

由图4可以看出，高射频时，车体高低方向的振动比低射频时更大。其中，高射频时车体高低方向角位移最大值为0.54°，低射频时为0.43°。这是因为高频射击时后坐冲量对转管机枪搭载平台的冲击比低频射击时更加急促，从而导致车体的振动更大一些。由图5和图6可以看出，低频射击时，弹丸出枪口时刻枪口高低角位移先逐步增大然后又开始下降至比较平稳，这与实际射击过程中观察到的弹着点分布比较相符，高射频时枪口角位移要比低射频时要大，这主要是由发射平台的振动导致的。

图7 机枪架座高低方向振动变形角位移

图8 枪口高低方向振动变形角位移

图9 枪口高低方向速度曲线

图10 后坐位移曲线

表2 仿真结果对比

由图7可以看出，对于机枪架座，不同射频下振动变形的变化趋势是一致的，都是随着射频的逐步稳定振动变形幅度逐渐减小并稳定在一定的区间内变化。机枪架座在两种射频下的振动变形角位移的峰值基本相同，而高频射击时的振动幅值要比低频射击时的振动幅值小一些。由图8和图9可以看出，高射频时，枪管高低方向的振动变形角位移与速度比低射频时要低一些。结合图10可以看出，这是由于低射频时，枪管的后坐与复进的行程要比高射频时大，低射频时，在射频达到稳定之后，机枪沿轴向的前后运动为后坐-复进-前冲，后坐力方向不断发生变化；而高射频时则基本只有后坐-复进运动，后坐力的方向比较稳定，从而导致低射频时引起的枪管变形要更大一些。但是射击精度还是受发射平台的影响最大，故发射平台的振动是制约大口径转管武器射击精度的一个重要因素。

4 结论

本文通过对车载转管机枪进行动力学分析，建立了转管机枪-车-路耦合的虚拟样机模型，并对机枪不同射频下的射击过程进行了仿真计算。分析仿真结果可以得出，高射频射击时高频的后坐冲量使得车体的高低方向振动角位移比低射频射击时要大得多，这也直接导致高射频时弹丸出枪口时刻枪口的高低方向角位移比低射频时要大，使得高频射击时的散布更大一些。虽然高射频时的机枪架座与枪管振动变形要比低射频时小一些，但转管机枪的射击精度主要还是受搭载平台振动的影响更大。本文研究得出的转管机枪系统在不同射频下的振动规律可为车载转管机枪的总体设计与优化提供理论依据，对该武器装备在部队的射击使用具有一定的指导作用。

［1］胡明.内能源转管武器变射频技术研究［D］.太原:中北大学，2010.

［2］李洪强，廖振强，皮林立，等.射频对某车载转管机枪射击密集度影响分析［J］.南京理工大学学报，2013，37（3）: 404-409.

［3］王瑞林，李涛，张军挪，等.车载转管机枪高低射频对射击精度影响的仿真研究［J］.系统仿真学报，2014，26（7）: 1611-1616.

［4］李洪强，廖振强，王涛，等.车辆振动对机枪射击密集度的影响分析［J］.弹道学报，2012，24（4）:67-71.

［5］金志明.枪炮内弹道学［M］.北京:北京理工大学出版社，2004.

［6］陆家鹏.自动武器学（气体动力学分册）［M］.北京:国防工业出版社，1988.

［7］戴成勋，靳天佑，朵英贤.自动武器设计新编［M］.北京:国防工业出版社，1990.

［8］廖振强，王涛，余世海.武器气体动力学数值计算方法［M］.北京:国防工业出版社，2005.

［9］吕文军，王惠源，陈辉.美军转管武器试验规范分析［J］.四川兵工学报，2015，36（3）:60-63.

［10］陈军.MSC.ADAMS技术与工程分析实例［M］.北京:中国水利水电出版社，2008.

Influence of Different Firing Frequency on Shooting Accuracy of Vehicular Gatling Gun

HUA Bin-bin1，2，WANG Rui-lin1，ZHANG Jun-nuo1，JIA Yun-fei1
（1.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；2.Unit 63850 of PLA，Baicheng 137001，China）

To study the influence of firing frequency on shooting accuracy of a certain vehicular Gatlinggun，arigid-flexiblecouplingvirtualprototypemodelisestablished.Thevibration characteristics of vehicle，gun holder and barrel are obtained as well as dispersion by simulating the firing process of gun in different firing frequency as the vehicle in the braking state.The influence of firing frequency on fire accuracy is demonstrated by contrasting and analyzing the simulation curves. The study results have provided a theoretical support for the design and optimization of vehicular Gatling gun.

vehiculargatlinggun，firingfrequency，rigid-flexiblecouplingmodel，dynamic characteristics，shooting accuracy

TJ25

A

1002-0640（2017）04-0181-04

2016-02-05

2016-03-17

化斌斌（1987-），男，山东平阴人，博士研究生。研究方向：武器系统动力学理论与应用。