轉(zhuǎn)管武器雙管發(fā)射方式研究

張 瑜，張鵬軍，廖彩紅，余朝發(fā)

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051；2.中國華陰兵器試驗中心 教導(dǎo)隊技能培訓(xùn)隊， 陜西 華陰 714200;3.陸軍工程大學(xué)軍械士官學(xué)校， 武漢 430000)

轉(zhuǎn)管武器具有高射速、強(qiáng)火力、高可靠性等特點，可在短時間內(nèi)發(fā)射大量彈丸形成密集彈幕，對敵襲目標(biāo)進(jìn)行火力壓制并實施有效毀傷，因此被廣泛應(yīng)用于海、陸、空作戰(zhàn)平臺。按照驅(qū)動方式，轉(zhuǎn)管武器可分為外能源轉(zhuǎn)管武器和內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器。以美國為代表的轉(zhuǎn)管武器，以外能源為主，如M61型20 mm火神機(jī)關(guān)炮；而俄羅斯的轉(zhuǎn)管武器，以內(nèi)能源為主，如Gsh-6-23M。

轉(zhuǎn)管武器由多根身管在圓周方向均勻排布形成身管組，并固定在一個機(jī)匣上[1]。轉(zhuǎn)管武器工作時，通過外能源或內(nèi)能源驅(qū)動，身管和機(jī)匣高速旋轉(zhuǎn)，身管每旋轉(zhuǎn)至擊發(fā)點時進(jìn)行一次發(fā)射，對于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)管武器，射擊過程中都是單管射擊。發(fā)射過程中，身管受到火藥氣體作用，不僅會產(chǎn)生后坐力，還會使身管扭轉(zhuǎn)的力矩[2]，且轉(zhuǎn)管武器射頻越高，發(fā)射時身管受到的力矩越大，從而身管口變形量越大。

因此提出了一種雙管發(fā)射的射擊方案，對比單管發(fā)射的轉(zhuǎn)管武器，該種新式發(fā)射方式采用雙路供彈、兩點擊發(fā)的射擊方式，處于發(fā)射狀態(tài)的兩根身管上下或左右受力對稱，兩身管受到的力矩互相抵消，從而減小身管變形產(chǎn)生的射擊散布，可有效提高武器射擊精度。

1 轉(zhuǎn)管武器受力分析

以四管轉(zhuǎn)管武器為例，討論轉(zhuǎn)管武器發(fā)射過程中身管組受力情況。轉(zhuǎn)管武器發(fā)射過程中，處于發(fā)射狀態(tài)的身管受到火藥氣體的作用力F，受力方向沿身管軸向向后，身管組支撐點為O，受力情況如圖1所示。將身管組受力對中心軸轉(zhuǎn)換，受力情況如圖2所示。

1.架座; 2.身管組

圖2 身管受力對O點轉(zhuǎn)化

對處于發(fā)射狀態(tài)的單根身管受力分析如圖3所示，由圖可知，由于火藥氣體作用，身管受到向后的力F，同時還受到力矩FR的作用，該力矩使轉(zhuǎn)管武器身管相對中心軸線發(fā)生偏移。由于F由彈膛壓力決定，同一轉(zhuǎn)管武器配置彈種不變的情況下，彈底壓力不變，則身管受力F保持不變；R由機(jī)心組公轉(zhuǎn)半徑?jīng)Q定，則R也可視為保持不變，由此可知影響身管偏移量大小的主要因素為力矩FR。

如圖3，身管組部分長度為a，對中心軸的慣性力矩EI；架座部分長度為b，對中心軸的慣性力矩為EI1，發(fā)射彈丸時，身管與架座結(jié)合處受到力矩FR的作用，使得身管左邊部分發(fā)生微量變形，相對位置升高。身管變形示意圖如圖4所示。

圖3 身管架座圖

圖4 身管架座在力矩FR和力F作用下變形

由圖可知，在第一支點處由FR引起的身管變形產(chǎn)生的張角θ1為[3]：

(1)

最大撓度點為第一支點和第二支點之間的中點b/2處，最大撓度表示為：

(2)

由式(1)與式(2)可以看出，增大EI1，縮短b值，不僅可以減小θ1的值，還可以減小最大撓度fmax。同時由式(1)可知，如果不考慮重力，那么身管組因變形產(chǎn)生的張角即為θ1，第一支點偏離原軸線的距離為：

x=atanθ1

(3)

該值即為轉(zhuǎn)管武器發(fā)射時身管的基本偏量[4]，b是與初速有關(guān)的量，當(dāng)轉(zhuǎn)管武器所配置的彈種不變的情況下，彈丸的初速不變，則b為定值，因此想要減小x的數(shù)值，只能通過減小θ1實現(xiàn)。

由圖4可知，身管組受到力矩FR作用，身管前段會產(chǎn)生小幅度向上的偏移，造成實際彈著點和瞄準(zhǔn)方向之間的偏差。隨著發(fā)射速度的增加，F(xiàn)R不斷作用在身管上造成身管前段偏移，使得轉(zhuǎn)管武器的射擊散布增加，影響武器射擊精度。

選擇轉(zhuǎn)管武器身管數(shù)為偶數(shù)，并使用雙路供彈、兩點擊發(fā)的發(fā)射方式，轉(zhuǎn)管武器工作時，處于發(fā)射狀態(tài)的對稱兩管產(chǎn)生的大小相同方向相反的力矩相互平衡，減小身管變形，修正因FR引起身管偏移所造成射擊偏差，從而提高轉(zhuǎn)管武器的射擊精度[5-7]。

以4管轉(zhuǎn)管機(jī)槍為例，如圖5所示，4根身管分2組，一組左側(cè)身管進(jìn)彈，正上方身管處于發(fā)射狀態(tài)；而另一組右側(cè)身管進(jìn)彈，下方身管處于發(fā)射狀態(tài)。該情況下，身管組對稱布置。處于發(fā)射狀態(tài)的兩個身管受到火藥氣體的作用力大小均為F，方向沿身管軸線向后，兩根身管受力向O點轉(zhuǎn)化，則可等效為身管組受到大小為2F，方向沿軸線向后的力，如圖6所示。此時身管組中處于發(fā)射狀態(tài)的兩管產(chǎn)生的扭矩相互平衡，身管沒有擺動情況，有利于提高射擊效力[5-6]。

圖5 新式雙管發(fā)射轉(zhuǎn)管武器發(fā)射方式

圖6 新式雙管發(fā)射轉(zhuǎn)管武器身管受力對中心轉(zhuǎn)化

2 M134轉(zhuǎn)管機(jī)槍仿真分析

美國M134型六管加特林速射機(jī)槍又稱“迷你炮(Minigun)”，是以M61型20 mm航炮為基礎(chǔ)研制的，其最高射速可達(dá)6 000發(fā)/min，采用北約組織的7.62×51 mm口徑標(biāo)準(zhǔn)彈藥[8-10]，如圖7所示。M134可裝備在海軍軍艦、陸軍裝甲車及空軍武裝直升機(jī)、攻擊機(jī)等平臺上。M134的相關(guān)參數(shù)見表1所示。

圖7 美軍M134轉(zhuǎn)管機(jī)槍

參數(shù)數(shù)據(jù)整槍質(zhì)量15.9 kg(不含驅(qū)動電機(jī)及供彈機(jī))槍長801.6 mm槍管長559 mm膛線4條纏距254 mm彈頭質(zhì)量9.75 g理論射速6 000發(fā)/min初速838 m/s最大膛壓345 MPa有效射程800 m誤差800 m誤差0.2～0.8 m5 000 m誤差1.5～3 m

M134轉(zhuǎn)管機(jī)槍射頻可達(dá)6 000發(fā)/min，當(dāng)轉(zhuǎn)管機(jī)槍發(fā)射時，身管組高速旋轉(zhuǎn)，槍管受到力矩FR的作用會發(fā)生變形，導(dǎo)致槍口位置偏離中心軸，從而增大射擊散布。對于低速體積大的目標(biāo)，高射速、強(qiáng)火力可彌補(bǔ)射擊精度的不足，但對于高速度、小體積目標(biāo)，射擊散布增大將會使轉(zhuǎn)管武器對目標(biāo)的命中概率極大減小。以M134為研究對象，根據(jù)以上參數(shù)，使用UG進(jìn)行三維建模，畫出M134的槍管和架座模型如圖8所示。

圖8 M134槍管和架座三維模型

北約組織的7.62 mm口徑的標(biāo)準(zhǔn)彈藥參考文獻(xiàn)[10]中所給參數(shù)。根據(jù)式(4)所示的內(nèi)彈道方程，得到發(fā)射過程中M134轉(zhuǎn)管機(jī)槍的內(nèi)彈道壓力曲線如圖9所示，可以得出，彈丸在出槍口時的彈底壓力P=73 MPa。

(4)

圖9 M134內(nèi)彈道壓力曲線

對于M134機(jī)槍，其身管數(shù)為6管，采用新的供彈方式，即左右兩管同時供彈，上下兩管同時發(fā)射，如果保持射頻 6 000發(fā)/min不變，則身管組轉(zhuǎn)速從原有的1 000轉(zhuǎn)/min降低為500轉(zhuǎn)/min；若保持身管組轉(zhuǎn)速不變，則轉(zhuǎn)管機(jī)槍射頻可由6 000發(fā)/min上升至12 000發(fā)/min?？紤]射頻提高武器機(jī)構(gòu)碰撞增多，會對轉(zhuǎn)管武器可靠性產(chǎn)生影響，因此，身管組轉(zhuǎn)速設(shè)置為500轉(zhuǎn)/min，在保持轉(zhuǎn)管機(jī)槍原有6 000發(fā)/min射頻的同時，可減少供彈機(jī)構(gòu)的碰撞，對武器可靠性有利。

分別對傳統(tǒng)方式的單管發(fā)射及新供彈方式的對稱上下兩管同時發(fā)射情況下M134轉(zhuǎn)管機(jī)槍的發(fā)射過程進(jìn)行動力學(xué)仿真，分析射擊過程中身管局部位移及身管相對中心軸的速度。將模型導(dǎo)入ANSYS仿真軟件，設(shè)置轉(zhuǎn)管機(jī)槍發(fā)射時的膛內(nèi)壓力及身管沿中心軸轉(zhuǎn)動速度，經(jīng)過ANSYS Workbench的處理[11-13]，動力學(xué)仿真結(jié)果如圖10～圖13所示所示。

圖10 傳統(tǒng)單管射擊時身管局部位移

圖11 傳統(tǒng)單管射擊時身管相對速度

圖12 雙管發(fā)射方式射擊的身管局部位移

圖13 雙管發(fā)射方式射擊的身管相對速度

根據(jù)以上仿真可知，對比傳統(tǒng)單管射擊方式，采用雙管發(fā)射方式射擊時因發(fā)射兩管對稱布置，由彈丸發(fā)射的后坐力產(chǎn)生的扭矩互相平衡，各身管的局部位移及身管相對速度相對中心軸對稱。對比圖10與圖12可知，采用傳統(tǒng)單管發(fā)射方式，處于發(fā)射狀態(tài)的身管口位移最大為0.094 187 mm，而采用雙路供彈雙管發(fā)射方式射擊時，因處于發(fā)射狀態(tài)的兩管相對中心軸對稱布置，產(chǎn)生大小相等方向相等的扭矩互相平衡，身管口因扭矩產(chǎn)生的位移幾乎為零,遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)單管發(fā)射。另外，采用單管發(fā)射方式時，身管部最大位移為0.094 187 mm，而采用雙管發(fā)射方式時身管部最大位移為 0.241 93 mm，這是因為采用雙管發(fā)射時身管組因火藥氣體產(chǎn)生的后坐力，所受載荷變?yōu)閱喂馨l(fā)射時的兩倍，因此雙管發(fā)射時身管部位移大于單管發(fā)射。

對比圖11與圖13，采用單管發(fā)射時，身管口相對身管組軸線最大相對速度為13.534 mm/s，身管部最大相對速度為60.896 mm/s；采用雙路供彈雙管發(fā)射方式射擊時，身管口最大相對速度為零,而因雙管發(fā)射受到雙倍載荷，其身管部相對身管組軸線最大相對速度為152.34 mm/s。由上可知，雖然單管發(fā)射時身管部分相對速度小于雙管發(fā)射，但對于管口部分，采用雙路供彈雙管發(fā)射時管口速度小于單管發(fā)射。

由上述仿真可知，當(dāng)射頻設(shè)定為6 000發(fā)/min時，采用單管發(fā)射方式身管口偏轉(zhuǎn)角約為2.005 8°，身管組實際轉(zhuǎn)速為1 000轉(zhuǎn)/分，雙管發(fā)射方式身管口偏轉(zhuǎn)角近似為零，身管組實際轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/min。則對上述兩種情況進(jìn)行密集度仿真如圖14與圖15所示。

圖14 單管發(fā)射立靶密集度仿真圖

圖15 雙管發(fā)射立靶密集度仿真圖

對比圖14與圖15，單管發(fā)射時身管組實際轉(zhuǎn)速是雙管發(fā)射的兩倍，且存在身管口偏移，因此彈丸在立靶上向右上偏移，而雙管發(fā)射因采用上下兩管同時發(fā)射，彈丸出槍口時上下兩管受到的擾動方向相反，因此彈丸沿軸線向兩端偏移。對比可知，采用雙管發(fā)射時彈丸散布更小，因此結(jié)合動力學(xué)仿真及立靶密集度仿真分析可知，從提高轉(zhuǎn)管武器射擊精度來看，采用雙管發(fā)射的射擊方式時，雖然身管整體變形及相對速度要大，但身管口變形量及相對速度更小，因此射擊精度更好，對比傳統(tǒng)單管發(fā)射方式更占優(yōu)勢[14-17]。

3 結(jié)論

1) 相較于單數(shù)管，偶數(shù)管(4,6,8,10)的轉(zhuǎn)管武器實現(xiàn)對稱的雙路供彈、兩管發(fā)射方式，發(fā)射過程中身管組徑向扭矩相互抵消，身管口變形量及速度更小，從而射擊散布更小，對提高轉(zhuǎn)管武器射擊精度更有利[18]。

2) 在高射頻工作條件下，為保持規(guī)定轉(zhuǎn)管武器的射速，左右或者上下供彈可以令身管組轉(zhuǎn)速變?yōu)樵D(zhuǎn)速的1/2，在保持原火力的同時，有效減小供彈機(jī)構(gòu)的碰撞，提高機(jī)構(gòu)可靠性，較傳統(tǒng)的單管射擊方式優(yōu)越。

因此，對于高射頻、超高射頻轉(zhuǎn)管武器，采用雙路供彈、雙管發(fā)射方式可在提高武器可靠性的同時提高武器的射擊精度，對于提升武器整體性能更有利。