某车载榴弹炮射击密集度超差因素分析

李 雷，张培林，杨国来，傅建平

（1.军械工程学院，河北 石家庄 050003；2.南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094）

射击密集度是火炮武器的核心指标，如何提高射击密集度是火炮研究人员追求的永恒课题，但由于射击密集度是一个属于系统层次上的问题，与发射平台、弹药和气象条件等密切相关，其影响因素错综复杂，因此，在火炮武器的研发过程中经常出现射击密集度超差现象。本文以此为研究背景，针对某车载榴弹炮射击密集度超差问题，结合火炮拆检和摸排分析，梳理出影响该炮射击密集度的因素主要包括炮口初速和上架联接螺栓松动，在理论建模分析和实弹射击试验验证的基础上，有效地解决了射击密集度超差问题。

1 射击密集度超差因素分析

某车载榴弹炮在进行射击密集度试验时，出现了纵向射击密集度超差现象，如表1所示，纵向设计密集度平均值为1／291，最差的1组仅为1／194，超出了1／300指标要求。

为了分析影响火炮射击密集度的主要因素，对火炮技术状态与射击条件进行了认真的摸排，梳理的主要结果包括：

1）实弹射击后炮身圆柱端与摇架配合间隙为0.23mm，满足设计区间0.2～0.5mm要求。

2）检查与分解该火炮过程中，发现火炮回转座圈与上架的连接螺栓有5或6个螺母有松动现象。

3）射击时对液压支撑腿进行限位，排除液压支撑腿状态不一致的影响。

4）根据后坐部分e值，射击均采用由下往上排空回，操作状态一致。

5）两次射击都在泥土地里进行，且温度、风速没有发生明显变化，射击环境基本一致。

6）射击采用同一批次弹药且药温保持一致，初速或然误差控制在1m·s－1之内，但该炮的其他射击试验也有初速或然误差大于1m·s－1的记录。

表1 实弹射击密集度试验结果Tab.1 Experimental result of actual firing density

根据上述结果，重点研究初速或然误差和螺栓松动对射击密集度的影响程度。

2 上架联接螺栓松动对炮口扰动的影响分析

建立上架本体、联接座圈和活动座圈的有限元模型，联接座圈和活动座圈根据实际的联接关系，利用18个螺栓联接单元模拟，当螺栓松动时释放对应的螺栓联接单元。分别对联接螺栓紧固（记为工况1）和左侧6个螺栓松动（记为工况2）的上架模态特性进行计算机模拟，其中工况2与工况1相比，一阶和二阶弯曲频率（高低方向）下降10%以上，3、4、5阶则下降20%以上［1］。

上架弯曲频率下降说明上架刚度下降，从而使炮架整体刚度下降，而研究表明［1］，如果炮架整体刚度下降，由于火炮机构空回、弹药参数等的随机性，则火炮发射平台振动引起的牵连炮口扰动一致性变差，从而使火炮射击密集度性能下降。

将上架模态中性文件（MNF文件）导入到车载炮多体系统动力学模型中，为了反映螺栓松动时引起的冲击碰撞，将连接座圈松动螺栓处对应的节点定义成界面节点，在活动座圈上平面定义一平面，该平面与活动座圈固结，定义螺栓界面节点与该平面的接触关系。考虑装药和间隙的随机性，模拟了50发弹丸（底凹弹，全装药，常温，射角45°）发射时的炮口扰动。结果表明上架左侧螺栓松动后，炮口高低方向角速度由紧固时的－2.441（°）∕s（平均值）增大到－6.138（°）∕s，炮口高低速度由－0.131m·s－1变为－0.158 7m·s－1，因此螺栓松动后将会引起炮口扰动急剧增大，使火炮的射击密集度难以满足指标要求。

3 炮口初速或然误差对射击密集度的影响分析

利用标准正态分布模拟弹药参数、火炮机构空回等的随机性，基于火炮多体系统动力学上模型获得随机的炮口扰动，再模拟气象条件和弹丸参数的随机性，利用外弹道计算程序获得随机的弹着点。

利用中间偏差计算地面密集度的计算公式［2］为：

式中：xi，zi（i＝1，2，…，n）分别为第i发炮弹弹着点在距离和方向上的坐标；n为某组发射弹丸的发数分别为弹着点xi和zi坐标的平均值。

为了分析初速或然误差对车载炮纵向射击密集度的影响，利用密集度模型［3－4］计算初速或然误差分别为0.5、0.8、1.0、1.3、1.6、1.8m·s－1时的底凹弹纵向射击密集度，每个初速或然误差计算5组，每组样本量为150发。纵向射击密集度与初速或然误差的关系如图1所示。

由图1可以看出，初速或然误差对纵向密集度影响较大，当初速或然误差大于1.6m·s－1时，初速因素影响的远程纵向密集度将大于1／300，无法判定火炮发射平台性能对射击密集度的影响程度；在1.3m·s－1左右则是临界状态；当初速或然误差控制在1.0m·s－1以下时，火炮发射平台性能对纵向密集度的影响将占主导因素。

4 实弹射击试验与结果分析

改进回转座圈与上架的连接螺栓结构及紧固方式，将回转座圈与上架的连接螺栓由采用开槽螺母紧固改为采用紧固效果更好的双螺母紧固。测试条件保持一致，再次进行实弹射击密集度验证试验，其测试结果如表2所示。

表2 火炮密集度验证试验结果Tab.2 Test result of gun firing density verification

本次试验结果显示，解决螺栓松动问题后，火炮地面密集度纵向散布得到了明显改善，平均值为1／339，达到了1／300的纵向散布指标要求。同时可以看出，当初速或然误差较大时（如第3组），火炮的纵向射击密集度会较差，与理论分析结果基本一致。

5 结 论

本文主要对某车载榴弹炮密集度超差的原因进行了分析研究。通过分析，梳理出螺栓松动和初速或然误差较大是造成车载炮纵向射击密集度超差的主要原因。通过对上架进行有限元建模与分析，得出了上架联接螺栓松动导致火炮整体刚度下降，炮口扰动增大，从而降低地面密集度的结论。利用基于随机炮口扰动的外弹道计算模型统计火炮射击密集度，在此基础上分析初速或然误差对射击密集度的影响，分析表明，初速或然误差大于1.6m·s－1时，火炮的纵向射击密集度将很差。需要说明的是，本文建立的上架螺栓联接模型只能非常近似地反映螺栓联接的主要力学现象，与实际的联接情况相比还有较大的差距；利用正态分布的方法模拟火炮系统的随机因素也不够精确，射击密集度模型也是非常粗糙的。因此，理论模型预测的结果仅从方向和趋势上反映螺栓松动和初速或然误差过大造成的不利影响，为火炮的工程研制提供一定的理论参改。

（References）

［1］李雷，杨国来，张培林，等.上架联接螺栓的炮口扰动建模及影响［J］.四川兵工学报，2010，31（10）：82－84.LI Lei，YANG Guo－lai，ZHANG Pei－lin，et al.Modeling of muzzle disturbance with consideration of looseness of bolts used in connecting upper carriage and its effects［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2010，31（10）：82－84.（in Chinese）

［2］钱林方，侯保林.火炮弹道学［M］.北京：北京理工大学出版社，2009.QIAN Lin－fang，HOU Bao－lin.Artillery ballistics［M］.Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2009.（in Chinese）

［3］杨国来，葛建立，陈强.火炮虚拟样机技术［M］.北京：兵器工业出版社，2010.YANG Guo－lai，GE Jian－li，CHEN Qiang.Virtual Prototyping of Artillery［M］.Beijing：The Pablishing House of Ordnance Industry，2010.（in Chinese）

［4］陈运生，杨国来.自行火炮动力学的Kane方法建模研究［J］.火炮发射与控制学报，1996（1）：1－4.CHEN Yun－sheng，YANG Guo－lai.The Kane method modeling for the self－propelled gun dynamics［J］.Jorunal of Gun Launch and Control，1996（1）：1－4.（in Chinese）