武器后坐的系统评价方法研究❋

姚养无

(中北大学 机电工程学院, 山西 太原 030051)

0 引 言

武器发射时, 膛内高压火药燃气压力一方面推动弹丸向前运动, 另一方面也将推动武器向后运动. 一般来讲, 武器的口径越大, 威力就越大,武器的后坐也就越大. 这样, 一是会导致武器的结构尺寸和系统重量增加, 将影响武器的机动性;二是会导致武器的振动速度和振动位移增大, 将影响武器的射击精度;三是会导致作用于武器支承体的载荷加大, 将影响武器支承体的耐久性. 由此可知, 减小或抑制武器发射时的后坐是统筹协调威力、机动性、射击精度、操控性等之间关系与矛盾的关键所在. 自然而然地, 减小或抑制武器后坐就成为武器发射技术研究的永恒主题之一, 同时如何科学地评价武器后坐也就成为这一研究领域的一项重要内容.

1 武器后坐

1. 1 武器后坐的概念[1]

根据牛顿第三定律, 在武器发射弹丸的过程中, 膛内高压火药燃气压力作用于弹丸底部推动弹丸向前加速运动, 同时高压火药燃气压力也作用于弹膛底部驱动武器向后加速运动. 我们把发射弹丸时伴生的武器体部及其武器支承体向后运动的行为称为武器的后坐.

1. 2 武器后坐概念的拓展

一般来讲, 武器后坐的大小与武器的威力、武器的自动原理、武器的体部、武器的缓冲装置以及武器的支承体等密切相关. 为了深入分析武器后坐与上述几种因素的关联程度, 引入武器的固有后坐和可感后坐两个概念.

1. 2. 1 武器的固有后坐

武器发射弹丸时, 武器体部在自由后坐状态下所产生的向后运动的行为称为武器的固有后坐.所谓自由后坐是指武器发射弹丸时武器体部处于水平状态, 且不受任何阻力作用下的后坐运动.据此, 武器的固有后坐主要与武器的威力、武器的自动原理、武器的体部等有关, 而与武器体部缓冲装置和武器支承体的特性无关. 也就是说, 如果武器的基本状态一定, 其固有后坐是固定不变的.我们常说的武器的威力越大其后坐就越大这一表述, 实质上指的就是武器的固有后坐.

1. 2. 2 武器的可感后坐

武器发射弹丸时, 武器体部在制动后坐状态下所产生的向后运动的行为称为武器的可感后坐.所谓制动后坐是指武器发射弹丸时武器体部受缓冲装置阻力和重力分力等作用下的后坐运动. 显然, 武器的可感后坐与固有后坐是完全不同的,而且可感后坐是武器的支承体(如射手的肩部)所能感受到的后坐. 据此, 武器的可感后坐不但与武器的固有后坐有关, 而且还与武器体部的缓冲装置、武器的支承体等特性有关. 也就是说, 武器的可感后坐是随着武器体部的缓冲装置、武器的支承体等的特性不同而发生改变. 例如, 同一支步枪由不同的射手来射击, 由于身体条件、抵肩状况和射击姿势的差异, 其可感后坐是有一定差异的.

2 现行武器后坐的评价方法

目前, 对于评价武器后坐而言, 从评价思想上讲, 只注重了系统的某一方面目标的实现, 而忽略了其它目标. 对于武器后坐的评价, 国外常见的评价因素一般有后坐能量、后坐动量、最大后坐速度、最大后坐力等[2-9], 国内常见的评价因素主要是最大后坐力和后坐冲量[10-13], 而采用的评价方法都是单因素评价法. 而对于武器系统效能的评价, 大多采用多因素的系统评价方法[14-16].

对于比较不同种类的武器在发射时的武器后坐大小, 一般是利用同一套测试系统, 分别测量出每一种武器发射时的后坐力时间曲线, 再找出各自的最大后坐力, 然后比较最大后坐力大小[11].例如, 若测量出的 A,B两种武器的最大后坐力分别为FAm和FBm, 且有FAm＞FBm, 则判定 A 种武器的后坐大于B 种武器的后坐.

对于评判同一种武器采用减后坐措施前后的武器后坐大小, 一般是在同一固定试验台上利用同一套测试系统, 分别测量出该武器采用减后坐措施前、后发射时的后坐力时间曲线, 再找出各自的最大后坐力, 然后计算最大后坐力减小的百分比. 例如, 若测量出的某种武器采用减后坐措施前、后的最大后坐力分别为 Fm和 F′m, 且有Fm＞F′m则判定该种武器采用减后坐措施后其后坐减小了 [(Fm- F′m) /Fm]×100% .

单因素评价只是对系统的某一特殊方面进行的评价, 可以突出系统的某一特征, 但不能解决系统评价的判定问题. 这就是目前用最大后坐力这一单因素来评价武器后坐致使其评价结果与人们的实际感受之间出现偏差的原因所在. 例如,在研制新武器时, 一般要求且做到了其最大后坐力与原有的某武器相当, 但射手还是反映新武器的后坐要大. 所以, 必须探索和研究多因素评价武器后坐的系统评价技术.

3 武器后坐的评价指标分析

为了度量武器发射时武器后坐的强弱程度,首先必须考量用什么样的评价指标来评价武器的后坐.

从概念上讲, 武器后坐是指发射弹丸时武器体部及其武器支承体在火药燃气压力作用下向后运动的行为. 从物理学上讲, 武器后坐就是在力的作用下物体的运动. 这样, 要评价武器后坐的强弱, 可以考虑从两个方面来建立评价指标体系.一方面, 从物体运动的动因考虑, 主要因素是最大后坐力和后坐冲量; 另一方面, 从物体运动的效果考虑, 主要因素是最大后坐速度和后坐位移.

3. 1 后坐力与后坐冲量

3. 1. 1 后坐力与后坐冲量的概念

后坐力是指武器在发射过程中武器对武器支承体的作用力, 其方向向后, 大小与武器支承体抵抗武器后坐的后坐抗力相等.

后坐冲量是指武器在发射过程中武器对武器支承体的作用冲量, 其方向向后, 大小与武器支承体抵抗武器后坐的反作用冲量相等.

对于肩射武器而言, 后坐力或后坐冲量就是武器发射时武器体部作用于射手肩部的作用力或作用冲量. 对于架座武器而言, 后坐力或后坐冲量就是武器发射时武器体部作用于架座耳轴处的作用力或作用冲量.

3. 1. 2 后坐力性质分析

后坐力是一矢量, 其方向向后, 其大小是随时间而变化的. 后坐力是描述武器对武器支承体作用大小的物理量. 通常说的后坐力不大于某一数值这一表述一般意义上是指最大后坐力不超过某一数值. 由于后坐力是时间的函数, 在不同时刻后坐力具有不同的量值, 故用后坐力来评价武器后坐的大小时, 可以选取后坐力的特征点即最大后坐力来度量. 这一度量尺度可以反映出武器发射过程中武器对武器支承体作用力的瞬态作用强度, 但它不能揭示武器发射过程中武器对武器支承体作用力的累积作用强度. 如图1所示.

图 1 最大后坐力相同时后坐力-时间曲线的比较Fig. 1 Comparison of recoil fo rce-time curves at the same maximum recoil force

曲线1 和曲线2 分别表示两种不同的武器发射时的后坐力时间曲线. 由图可以看出, 这两种武器的最大后坐力相等, 即F1m= F2m, 但二者的后坐冲量却差异很大, 即I1≪I2. 显然, 这两种武器的后坐应该是不同的. 但用现行的最大后坐力单因素评价法就会得出这两种武器的后坐是相同的错误评价.

3. 1. 3 后坐冲量性质分析

后坐冲量是一矢量, 其方向向后, 其大小等于后坐力与后坐力作用时间的乘积. 后坐冲量是描述后坐力对武器支承体作用时间累积效应的物理量. 通常说的后坐冲量不大于某一数值这一表述一般意义上是指其后坐总冲量不超过某一数值.由于在不同的时间段具有不同的后坐冲量, 故用后坐冲量来评价武器后坐的大小时, 可以选取后坐总冲量来度量. 这一度量尺度可以反映出武器发射过程中武器对武器支承体作用力的累积作用强度, 但是它不能揭示武器发射过程中武器对武器支承体作用力的瞬态作用强度. 如图2所示,曲线1和曲线2分别表示两种不同的武器发射时的后坐力时间曲线. 由图可以看出, 这两种武器的后坐总冲量相等, 即I1= I2,但二者的最大后坐力却差异很大, 即F1m≫F2m. 显然, 这两种武器的后坐也应该是不同的. 但用现行的后坐总冲量单因素评价法就会得出这两种武器的后坐是相同的错误评价.

图 2 后坐冲量相同时后坐力-时间曲线的比较Fig. 2 Comparison of recoil force-time curves at the same recoil impulse

由此可见, 采用单因素评价法来评价武器后坐的大小是不科学的, 必须采用多因素评价法对武器后坐进行系统评价.

3. 2 后坐速度与后坐位移

3. 2. 1 后坐速度性质分析

后坐速度是一矢量, 其方向向后, 其大小是随时间而变化的. 后坐速度是描述武器体部运动快慢的物理量. 由于后坐速度是时间的函数, 在不同时刻后坐速度具有不同的量值, 故用后坐速度来评价武器后坐的大小时, 可以选取后坐速度的特征点即最大后坐速度来度量. 这一度量尺度可以反映出武器发射过程中武器体部的瞬时运动快慢, 但它不能揭示武器发射过程中武器体部速度对时间的累积效果. 后坐速度的情况类似于后坐力.

3. 2. 2 后坐位移性质分析

后坐位移是一矢量, 其方向向后, 其大小等于后坐速度与后坐时间的乘积. 后坐位移是描述后坐速度对后坐时间累积效应的物理量. 由于在不同的时间段具有不同的后坐位移, 故用后坐位移来评价武器后坐的大小时, 可以选取武器体部达到最大后坐速度时对应的后坐位移来度量. 这一度量尺度可以反映出武器发射过程中武器体部速度对时间的累积效果, 但它不能揭示武器发射过程中武器体部的瞬时运动快慢. 后坐位移的情况类似于后坐冲量.

4 武器后坐的系统评价方法

4. 1 武器后坐的系统评价指标

4. 1. 1 系统评价指标方案 A

从武器后坐的动因出发, 根据以上分析, 系统评价指标选取最大后坐力和后坐总冲量两个因素. 若用Fi(i= 1,2, 3… ,n)表示n 种武器发射时的最大后坐力, Ii (i= 1, 2,3,… ,n)表示n 种武器发射时的后坐总冲量, 采用直线型无量纲化方法,将指标实际值转化成指标评价值, 有

4. 1. 2 系统评价指标方案 B

从武器后坐的效果出发, 根据以上分析, 系统评价指标选取最大后坐速度和后坐总位移两个因素. 若用vi(i= 1,2, 3,… ,n)表示n 种武器发射时的最大后坐速度, xi(i= 1,2, 3,… ,n)表示n 种武器发射时武器体部达到最大后坐速度时对应的后坐位移, 采用直线型无量纲化方法, 将指标实际值转化成指标评价值, 有

4. 2 武器后坐的系统评价函数

对于发射时武器后坐的系统评价, 无论是系统评价指标方案 A还是方案 B, 都具有两个评价因素, 因而是一个多因素的系统评价问题. 在任意一个系统评价指标方案中, 所列出的两个评价指标互有联系, 但其中一个无法代替另一个, 须采用多因素的系统评价技术. 在此, 采用线性加权型评价函数[14]

对武器后坐进行系统评价. 式中： yi为联合评价值; xij为各个评价指标的无量纲评价值; wj为评价指标的权重系数.

对于权重系数的确定, 可以采用德尔菲法、相对比较法和专家打分法. 对于评价武器后坐的两个评价指标, 经咨询领域内主要专家的意见, 其权重系数应相同, 故取w1= w2= 0. 5.

5 武器后坐的系统评价方法应用

5. 1 固有后坐的系统评价

武器的固有后坐主要反映的是武器体部的自由后坐行为, 可以通过理论计算或实验测试方法获得待评价武器的武器体部在自由后坐情况下的最大后坐速度及对应的后坐位移, 然后应用武器后坐的系统评价方法 B进行评价.

例如, 根据理论计算, 7. 62 mm 轻机枪自由后坐的最大后坐速度及相应的后坐位移分别为v1= 0. 955 m/s,x1= 0. 003 6 m; 7. 62 mm 轻重机枪自由后坐的最大后坐速度及相应的后坐位移分别为v2= 1. 2 m /s,x 2= 0. 006 3 m.

应用式 (2) 将指标实际值转化成指标评价值, 有

应用式 (3) 可得 7. 62 mm 轻机枪和7. 62 mm轻重机枪的联合评价值分别为

因y1 ＜y2, 所以 7. 62 mm轻机枪的固有后坐小于7. 62 mm轻重机枪的固有后坐.

5. 2 可感后坐的系统评价

武器的可感后坐主要反映的是武器体部对武器支承体的作用效应, 可以通过理论计算或实验测试方法获得待评价武器的最大后坐力和后坐总冲量, 然后应用武器后坐的系统评价方法 A进行评价.

例如, 根据实验测试, 7. 62 mm 狙击步枪的最大后坐力和后坐总冲量分别为F1= 3. 98 kN,I1= 8. 064 N◦s; 12. 7 mm狙击步枪的最大后坐力和后坐总冲量分别为 F2= 3. 33 kN, I2=38. 18 N◦s.

应用式 (1) 将指标实际值转化成指标评价值, 有

应用式 (3) 可得 7. 62 mm 狙击步枪和12. 7 mm 狙击步枪的联合评价值分别为

因y1 ＜y2, 所以 7. 62 mm 狙击步枪的可感后坐小于 12. 7 mm 狙击步枪的可感后坐.

6 结 论

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状态, 而武器可感后坐反映的是武器的使用状态, 不但与武器的固有状态有关, 而且还与武器的支承状态有关.

2)现行的单因素评价法可能导致评价结果失真.

3)建立的两种多因素系统评价方案能够科学地评价武器后坐的大小, 便于对不同的武器给出正确的评价结果.

[1]兵器工业科学技术辞典编辑委员会. 兵器工业科学技术辞典[M ]. 北京： 国防工业出版社, 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]姚养无. 架座武器后坐力测试技术研究[J]. 测试技术学报, 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]黄君政, 戴劲松. 三种缓冲装置减小后坐力的分析和比较[J]. 弹道学报, 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]谈乐斌, 侯保林, 陈卫民. 降低火炮后坐力技术概述[J]. 火炮发射与控制学报, 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, 周克栋, 张中利, 等. 超高射速武器低后坐力技术研究[J]. 火炮发射与控制学报, 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, 踪家峰. 系统分析与评价方法[M ]. 北京： 经济科学出版社, 2007.

[15]申卯兴, 解洪波, 李磊, 等. 武器装备效能的灰色关联评价[J]. 弹箭与制导学报, 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]冯昌林, 田福庆, 刘骏. 舰炮武器系统作战效能的模糊综合评价[J]. 火炮发射与控制学报, 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)