武器后坐的系統(tǒng)評價方法研究?

姚養(yǎng)無

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 山西 太原 030051)

0 引 言

武器發(fā)射時, 膛內(nèi)高壓火藥燃?xì)鈮毫σ环矫嫱苿訌椡柘蚯斑\(yùn)動, 另一方面也將推動武器向后運(yùn)動. 一般來講, 武器的口徑越大, 威力就越大,武器的后坐也就越大. 這樣, 一是會導(dǎo)致武器的結(jié)構(gòu)尺寸和系統(tǒng)重量增加, 將影響武器的機(jī)動性;二是會導(dǎo)致武器的振動速度和振動位移增大, 將影響武器的射擊精度;三是會導(dǎo)致作用于武器支承體的載荷加大, 將影響武器支承體的耐久性. 由此可知, 減小或抑制武器發(fā)射時的后坐是統(tǒng)籌協(xié)調(diào)威力、機(jī)動性、射擊精度、操控性等之間關(guān)系與矛盾的關(guān)鍵所在. 自然而然地, 減小或抑制武器后坐就成為武器發(fā)射技術(shù)研究的永恒主題之一, 同時如何科學(xué)地評價武器后坐也就成為這一研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要內(nèi)容.

1 武器后坐

1. 1 武器后坐的概念[1]

根據(jù)牛頓第三定律, 在武器發(fā)射彈丸的過程中, 膛內(nèi)高壓火藥燃?xì)鈮毫ψ饔糜趶椡璧撞客苿訌椡柘蚯凹铀龠\(yùn)動, 同時高壓火藥燃?xì)鈮毫σ沧饔糜趶椞诺撞框?qū)動武器向后加速運(yùn)動. 我們把發(fā)射彈丸時伴生的武器體部及其武器支承體向后運(yùn)動的行為稱為武器的后坐.

1. 2 武器后坐概念的拓展

一般來講, 武器后坐的大小與武器的威力、武器的自動原理、武器的體部、武器的緩沖裝置以及武器的支承體等密切相關(guān). 為了深入分析武器后坐與上述幾種因素的關(guān)聯(lián)程度, 引入武器的固有后坐和可感后坐兩個概念.

1. 2. 1 武器的固有后坐

武器發(fā)射彈丸時, 武器體部在自由后坐狀態(tài)下所產(chǎn)生的向后運(yùn)動的行為稱為武器的固有后坐.所謂自由后坐是指武器發(fā)射彈丸時武器體部處于水平狀態(tài), 且不受任何阻力作用下的后坐運(yùn)動.據(jù)此, 武器的固有后坐主要與武器的威力、武器的自動原理、武器的體部等有關(guān), 而與武器體部緩沖裝置和武器支承體的特性無關(guān). 也就是說, 如果武器的基本狀態(tài)一定, 其固有后坐是固定不變的.我們常說的武器的威力越大其后坐就越大這一表述, 實(shí)質(zhì)上指的就是武器的固有后坐.

1. 2. 2 武器的可感后坐

武器發(fā)射彈丸時, 武器體部在制動后坐狀態(tài)下所產(chǎn)生的向后運(yùn)動的行為稱為武器的可感后坐.所謂制動后坐是指武器發(fā)射彈丸時武器體部受緩沖裝置阻力和重力分力等作用下的后坐運(yùn)動. 顯然, 武器的可感后坐與固有后坐是完全不同的,而且可感后坐是武器的支承體(如射手的肩部)所能感受到的后坐. 據(jù)此, 武器的可感后坐不但與武器的固有后坐有關(guān), 而且還與武器體部的緩沖裝置、武器的支承體等特性有關(guān). 也就是說, 武器的可感后坐是隨著武器體部的緩沖裝置、武器的支承體等的特性不同而發(fā)生改變. 例如, 同一支步槍由不同的射手來射擊, 由于身體條件、抵肩狀況和射擊姿勢的差異, 其可感后坐是有一定差異的.

2 現(xiàn)行武器后坐的評價方法

目前, 對于評價武器后坐而言, 從評價思想上講, 只注重了系統(tǒng)的某一方面目標(biāo)的實(shí)現(xiàn), 而忽略了其它目標(biāo). 對于武器后坐的評價, 國外常見的評價因素一般有后坐能量、后坐動量、最大后坐速度、最大后坐力等[2-9], 國內(nèi)常見的評價因素主要是最大后坐力和后坐沖量[10-13], 而采用的評價方法都是單因素評價法. 而對于武器系統(tǒng)效能的評價, 大多采用多因素的系統(tǒng)評價方法[14-16].

對于比較不同種類的武器在發(fā)射時的武器后坐大小, 一般是利用同一套測試系統(tǒng), 分別測量出每一種武器發(fā)射時的后坐力時間曲線, 再找出各自的最大后坐力, 然后比較最大后坐力大小[11].例如, 若測量出的 A,B兩種武器的最大后坐力分別為FAm和FBm, 且有FAm＞FBm, 則判定 A 種武器的后坐大于B 種武器的后坐.

對于評判同一種武器采用減后坐措施前后的武器后坐大小, 一般是在同一固定試驗(yàn)臺上利用同一套測試系統(tǒng), 分別測量出該武器采用減后坐措施前、后發(fā)射時的后坐力時間曲線, 再找出各自的最大后坐力, 然后計(jì)算最大后坐力減小的百分比. 例如, 若測量出的某種武器采用減后坐措施前、后的最大后坐力分別為 Fm和 F′m, 且有Fm＞F′m則判定該種武器采用減后坐措施后其后坐減小了 [(Fm- F′m) /Fm]×100% .

單因素評價只是對系統(tǒng)的某一特殊方面進(jìn)行的評價, 可以突出系統(tǒng)的某一特征, 但不能解決系統(tǒng)評價的判定問題. 這就是目前用最大后坐力這一單因素來評價武器后坐致使其評價結(jié)果與人們的實(shí)際感受之間出現(xiàn)偏差的原因所在. 例如,在研制新武器時, 一般要求且做到了其最大后坐力與原有的某武器相當(dāng), 但射手還是反映新武器的后坐要大. 所以, 必須探索和研究多因素評價武器后坐的系統(tǒng)評價技術(shù).

3 武器后坐的評價指標(biāo)分析

為了度量武器發(fā)射時武器后坐的強(qiáng)弱程度,首先必須考量用什么樣的評價指標(biāo)來評價武器的后坐.

從概念上講, 武器后坐是指發(fā)射彈丸時武器體部及其武器支承體在火藥燃?xì)鈮毫ψ饔孟孪蚝筮\(yùn)動的行為. 從物理學(xué)上講, 武器后坐就是在力的作用下物體的運(yùn)動. 這樣, 要評價武器后坐的強(qiáng)弱, 可以考慮從兩個方面來建立評價指標(biāo)體系.一方面, 從物體運(yùn)動的動因考慮, 主要因素是最大后坐力和后坐沖量; 另一方面, 從物體運(yùn)動的效果考慮, 主要因素是最大后坐速度和后坐位移.

3. 1 后坐力與后坐沖量

3. 1. 1 后坐力與后坐沖量的概念

后坐力是指武器在發(fā)射過程中武器對武器支承體的作用力, 其方向向后, 大小與武器支承體抵抗武器后坐的后坐抗力相等.

后坐沖量是指武器在發(fā)射過程中武器對武器支承體的作用沖量, 其方向向后, 大小與武器支承體抵抗武器后坐的反作用沖量相等.

對于肩射武器而言, 后坐力或后坐沖量就是武器發(fā)射時武器體部作用于射手肩部的作用力或作用沖量. 對于架座武器而言, 后坐力或后坐沖量就是武器發(fā)射時武器體部作用于架座耳軸處的作用力或作用沖量.

3. 1. 2 后坐力性質(zhì)分析

后坐力是一矢量, 其方向向后, 其大小是隨時間而變化的. 后坐力是描述武器對武器支承體作用大小的物理量. 通常說的后坐力不大于某一數(shù)值這一表述一般意義上是指最大后坐力不超過某一數(shù)值. 由于后坐力是時間的函數(shù), 在不同時刻后坐力具有不同的量值, 故用后坐力來評價武器后坐的大小時, 可以選取后坐力的特征點(diǎn)即最大后坐力來度量. 這一度量尺度可以反映出武器發(fā)射過程中武器對武器支承體作用力的瞬態(tài)作用強(qiáng)度, 但它不能揭示武器發(fā)射過程中武器對武器支承體作用力的累積作用強(qiáng)度. 如圖1所示.

圖 1 最大后坐力相同時后坐力-時間曲線的比較Fig. 1 Comparison of recoil fo rce-time curves at the same maximum recoil force

曲線1 和曲線2 分別表示兩種不同的武器發(fā)射時的后坐力時間曲線. 由圖可以看出, 這兩種武器的最大后坐力相等, 即F1m= F2m, 但二者的后坐沖量卻差異很大, 即I1?I2. 顯然, 這兩種武器的后坐應(yīng)該是不同的. 但用現(xiàn)行的最大后坐力單因素評價法就會得出這兩種武器的后坐是相同的錯誤評價.

3. 1. 3 后坐沖量性質(zhì)分析

后坐沖量是一矢量, 其方向向后, 其大小等于后坐力與后坐力作用時間的乘積. 后坐沖量是描述后坐力對武器支承體作用時間累積效應(yīng)的物理量. 通常說的后坐沖量不大于某一數(shù)值這一表述一般意義上是指其后坐總沖量不超過某一數(shù)值.由于在不同的時間段具有不同的后坐沖量, 故用后坐沖量來評價武器后坐的大小時, 可以選取后坐總沖量來度量. 這一度量尺度可以反映出武器發(fā)射過程中武器對武器支承體作用力的累積作用強(qiáng)度, 但是它不能揭示武器發(fā)射過程中武器對武器支承體作用力的瞬態(tài)作用強(qiáng)度. 如圖2所示,曲線1和曲線2分別表示兩種不同的武器發(fā)射時的后坐力時間曲線. 由圖可以看出, 這兩種武器的后坐總沖量相等, 即I1= I2,但二者的最大后坐力卻差異很大, 即F1m?F2m. 顯然, 這兩種武器的后坐也應(yīng)該是不同的. 但用現(xiàn)行的后坐總沖量單因素評價法就會得出這兩種武器的后坐是相同的錯誤評價.

圖 2 后坐沖量相同時后坐力-時間曲線的比較Fig. 2 Comparison of recoil force-time curves at the same recoil impulse

由此可見, 采用單因素評價法來評價武器后坐的大小是不科學(xué)的, 必須采用多因素評價法對武器后坐進(jìn)行系統(tǒng)評價.

3. 2 后坐速度與后坐位移

3. 2. 1 后坐速度性質(zhì)分析

后坐速度是一矢量, 其方向向后, 其大小是隨時間而變化的. 后坐速度是描述武器體部運(yùn)動快慢的物理量. 由于后坐速度是時間的函數(shù), 在不同時刻后坐速度具有不同的量值, 故用后坐速度來評價武器后坐的大小時, 可以選取后坐速度的特征點(diǎn)即最大后坐速度來度量. 這一度量尺度可以反映出武器發(fā)射過程中武器體部的瞬時運(yùn)動快慢, 但它不能揭示武器發(fā)射過程中武器體部速度對時間的累積效果. 后坐速度的情況類似于后坐力.

3. 2. 2 后坐位移性質(zhì)分析

后坐位移是一矢量, 其方向向后, 其大小等于后坐速度與后坐時間的乘積. 后坐位移是描述后坐速度對后坐時間累積效應(yīng)的物理量. 由于在不同的時間段具有不同的后坐位移, 故用后坐位移來評價武器后坐的大小時, 可以選取武器體部達(dá)到最大后坐速度時對應(yīng)的后坐位移來度量. 這一度量尺度可以反映出武器發(fā)射過程中武器體部速度對時間的累積效果, 但它不能揭示武器發(fā)射過程中武器體部的瞬時運(yùn)動快慢. 后坐位移的情況類似于后坐沖量.

4 武器后坐的系統(tǒng)評價方法

4. 1 武器后坐的系統(tǒng)評價指標(biāo)

4. 1. 1 系統(tǒng)評價指標(biāo)方案 A

從武器后坐的動因出發(fā), 根據(jù)以上分析, 系統(tǒng)評價指標(biāo)選取最大后坐力和后坐總沖量兩個因素. 若用Fi(i= 1,2, 3… ,n)表示n 種武器發(fā)射時的最大后坐力, Ii (i= 1, 2,3,… ,n)表示n 種武器發(fā)射時的后坐總沖量, 采用直線型無量綱化方法,將指標(biāo)實(shí)際值轉(zhuǎn)化成指標(biāo)評價值, 有

4. 1. 2 系統(tǒng)評價指標(biāo)方案 B

從武器后坐的效果出發(fā), 根據(jù)以上分析, 系統(tǒng)評價指標(biāo)選取最大后坐速度和后坐總位移兩個因素. 若用vi(i= 1,2, 3,… ,n)表示n 種武器發(fā)射時的最大后坐速度, xi(i= 1,2, 3,… ,n)表示n 種武器發(fā)射時武器體部達(dá)到最大后坐速度時對應(yīng)的后坐位移, 采用直線型無量綱化方法, 將指標(biāo)實(shí)際值轉(zhuǎn)化成指標(biāo)評價值, 有

4. 2 武器后坐的系統(tǒng)評價函數(shù)

對于發(fā)射時武器后坐的系統(tǒng)評價, 無論是系統(tǒng)評價指標(biāo)方案 A還是方案 B, 都具有兩個評價因素, 因而是一個多因素的系統(tǒng)評價問題. 在任意一個系統(tǒng)評價指標(biāo)方案中, 所列出的兩個評價指標(biāo)互有聯(lián)系, 但其中一個無法代替另一個, 須采用多因素的系統(tǒng)評價技術(shù). 在此, 采用線性加權(quán)型評價函數(shù)[14]

對武器后坐進(jìn)行系統(tǒng)評價. 式中： yi為聯(lián)合評價值; xij為各個評價指標(biāo)的無量綱評價值; wj為評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù).

對于權(quán)重系數(shù)的確定, 可以采用德爾菲法、相對比較法和專家打分法. 對于評價武器后坐的兩個評價指標(biāo), 經(jīng)咨詢領(lǐng)域內(nèi)主要專家的意見, 其權(quán)重系數(shù)應(yīng)相同, 故取w1= w2= 0. 5.

5 武器后坐的系統(tǒng)評價方法應(yīng)用

5. 1 固有后坐的系統(tǒng)評價

武器的固有后坐主要反映的是武器體部的自由后坐行為, 可以通過理論計(jì)算或?qū)嶒?yàn)測試方法獲得待評價武器的武器體部在自由后坐情況下的最大后坐速度及對應(yīng)的后坐位移, 然后應(yīng)用武器后坐的系統(tǒng)評價方法 B進(jìn)行評價.

例如, 根據(jù)理論計(jì)算, 7. 62 mm 輕機(jī)槍自由后坐的最大后坐速度及相應(yīng)的后坐位移分別為v1= 0. 955 m/s,x1= 0. 003 6 m; 7. 62 mm 輕重機(jī)槍自由后坐的最大后坐速度及相應(yīng)的后坐位移分別為v2= 1. 2 m /s,x 2= 0. 006 3 m.

應(yīng)用式 (2) 將指標(biāo)實(shí)際值轉(zhuǎn)化成指標(biāo)評價值, 有

應(yīng)用式 (3) 可得 7. 62 mm 輕機(jī)槍和7. 62 mm輕重機(jī)槍的聯(lián)合評價值分別為

因y1 ＜y2, 所以 7. 62 mm輕機(jī)槍的固有后坐小于7. 62 mm輕重機(jī)槍的固有后坐.

5. 2 可感后坐的系統(tǒng)評價

武器的可感后坐主要反映的是武器體部對武器支承體的作用效應(yīng), 可以通過理論計(jì)算或?qū)嶒?yàn)測試方法獲得待評價武器的最大后坐力和后坐總沖量, 然后應(yīng)用武器后坐的系統(tǒng)評價方法 A進(jìn)行評價.

例如, 根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試, 7. 62 mm 狙擊步槍的最大后坐力和后坐總沖量分別為F1= 3. 98 kN,I1= 8. 064 N?s; 12. 7 mm狙擊步槍的最大后坐力和后坐總沖量分別為 F2= 3. 33 kN, I2=38. 18 N?s.

應(yīng)用式 (1) 將指標(biāo)實(shí)際值轉(zhuǎn)化成指標(biāo)評價值, 有

應(yīng)用式 (3) 可得 7. 62 mm 狙擊步槍和12. 7 mm 狙擊步槍的聯(lián)合評價值分別為

因y1 ＜y2, 所以 7. 62 mm 狙擊步槍的可感后坐小于 12. 7 mm 狙擊步槍的可感后坐.

6 結(jié) 論

1)首次提出了武器固有后坐和可感后坐的概念, 武器固有后坐反映的是武器的固有狀態(tài), 而武器可感后坐反映的是武器的使用狀態(tài), 不但與武器的固有狀態(tài)有關(guān), 而且還與武器的支承狀態(tài)有關(guān).

2)現(xiàn)行的單因素評價法可能導(dǎo)致評價結(jié)果失真.

3)建立的兩種多因素系統(tǒng)評價方案能夠科學(xué)地評價武器后坐的大小, 便于對不同的武器給出正確的評價結(jié)果.

[1]兵器工業(yè)科學(xué)技術(shù)辭典編輯委員會. 兵器工業(yè)科學(xué)技術(shù)辭典[M ]. 北京： 國防工業(yè)出版社, 1992.

[2] Blankenship K, Evans R, Allison S, et al. Shoulderfired weapons w ith high recoil energy： quantifying injury and shooting performance U SARIEM-TR-T04-05[R]. US A： USARIEM, 2004.

[3] Ahmadian M, Poynor J. C. An evaluation of magneto rheological dampers for cont rolling gun recoil dynamics [J]. Shock and Vibration, 2001, 8(3-4)：147-155.

[4] Mat th ew J, Hall. M easuring felt recoil of sporting arms [ J ]. International Journal of Impact Engineering, 2008, 35(6)： 540-548.

[5] Murdza C. Weapon recoil effects on canted lightweight vehicles ARL-M R-186[R]. USA, 1994.

[6] Betzold V A, Francis C L. ILIR Task of Digital Recoil Travel Measurement Syst em [R]. USACS TA-6045,1984.

[7] Sam H. Gun recoil[EB/OL]. [2012-3-12]. ht tp： //ww w. bsharp.org /physics /recoil.

[8] Chuck H. Rifle recoil[EB/OL]. [2012-3-12]. ht tp： //w w w. chuckhawks.com /rifle recoil.h tm.

[9] Wikipedia. Recoil [EB/OL]. [2012-2-28]. ht tp： //en. wikipedia.org /wiki/Recoil.

[10]姚養(yǎng)無. 架座武器后坐力測試技術(shù)研究[J]. 測試技術(shù)學(xué)報(bào), 2010(2)： 124-127.Yao Yangw u. Study on the measure tech nology of recoil force for mounted weapon[J]. Journal of Test and M easurement Technology, 2010, (2)： 124-127.(in Chinese)

[11]黃君政, 戴勁松. 三種緩沖裝置減小后坐力的分析和比較[J]. 彈道學(xué)報(bào), 2006(2)： 44-47.Huang Junzheng, Dai Jinsong. Comparison of decreasing recoil force using three buffers [ J ].Journal of Ballistics, 2006(2)： 44-47. (in Chinese)

[12]談樂斌, 侯保林, 陳衛(wèi)民. 降低火炮后坐力技術(shù)概述[J]. 火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào), 2006(4)： 71-74.Tan Lebin, Hou Baolin, Chen Weimin. Gun recoil force reduction technology [ J]. Journal of Gun Launch& Control, 2006(4)： 71-74. (in Chinese)

[13]赫雷, 周克棟, 張中利, 等. 超高射速武器低后坐力技術(shù)研究[J]. 火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào), 2009(1)： 90-93.He Lei, Zhou Kedong, Zhang Zhongli, et al. Study on low recoil tech nology in superhigh Firing Rate Weapon System [ J]. Journal of Gun Launch &Control, 2009(1)： 90-93. (in Chinese)

[14]郝海, 蹤家峰. 系統(tǒng)分析與評價方法[M ]. 北京： 經(jīng)濟(jì)科學(xué)出版社, 2007.

[15]申卯興, 解洪波, 李磊, 等. 武器裝備效能的灰色關(guān)聯(lián)評價[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2004(S1)： 91-93.Shen Maoxing, Xie Hongbo, Li Lei, et al. Grey incidence appraisement for th e compreh ensive effectiveness of w eapon system [ J ]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2004(S1)： 91-93. (in Chinese)

[16]馮昌林, 田福慶, 劉駿. 艦炮武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的模糊綜合評價[J]. 火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào), 2007(1)： 14-17.Feng Changlin, Tian Fuqing, Liu Jun. Fuzzy comprehensive evaluation of com bat effectiveness for naval gun w eapon system[J]. Journal of Gun Launch& Control, 2007(1)： 14-17. (in Chinese)