一种内能源转管武器射控装置设计

韩 铁，袁志华，马坤鹏

(沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳 110159)

一种内能源转管武器射控装置设计

韩 铁，袁志华，马坤鹏

(沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳 110159)

内能源转管炮射控装置以8253可编程计数器/定时器作为自动控制系统的核心，通过自动控制系统控制电磁离合器的离合，进而控制拨弹轮的转动与否，实现对转管武器点射发数控制。方案中采用脉冲计数器，可满足转管武器精确点射发数要求。本设计的寄存器还可以对转管武器累计发射弹数进行计数，便于射手射击，为后勤维修提供了方便。

转管武器；射控装置；自动控制系统；电磁离合器

转管武器是指利用外能源或内能源驱动身管转动,带动武器完成各种自动动作进行连续射击的多管武器。转管武器以火力密集、可靠性高等特点，在防空、地面压制以及空对地攻击等方面得到了广泛应用[1]。高射频是转管武器的主要特点[2]，由于转管武器射速极高，在进行航炮攻击时，常出现无炮弹攻击等现象，给射手造成很大的心理负担[3]。为节约弹药，并对不同目标进行有效射击，更好地达到战术要求，转管武器应设计射击控制器，控制点射的射弹数。另外，连续射击会降低身管寿命，身管寿命可用规定合理的射击规范加以解决[4]。

本文设计了一种内能源转管武器射控装置，可完成对射击弹数的控制。

1 内能源转管武器工作原理

内能源是转管武器利用枪弹击发后产生的部分火药气体作动力，通过一套传动机构使枪管组和机心匣旋转并带动机心完成射击循环。当第一发枪弹击发后，火药气体进入活塞筒腔内，通过活塞筒内端面的作用，迫使活塞筒相对枪管作直线运动，活塞筒进行边后退边旋转的螺旋运动，活塞筒内侧的传动凸起即带动枪管组旋转。机心通过机心导杆上的滚轮沿着炮箱内螺旋槽的轨迹作圆周和往复直线的合成运动。由于枪管组同机心匣联为一体，机心匣随之转动，迫使机心组完成射击循环动作[5]。

2 射控装置总体方案

根据内能源转管武器射击原理，设计了射控装置总体方案。射控装置由射控机构和自动控制机构组成。电磁离合器是射控机构的核心，它是一种自动化执行软件，主动轴通过电磁力可轴向移动，实现力的传递。自动控制系统由主控计算机、固态继电器和脉冲计数器组成。开始工作时，安装在拨弹轮上的脉冲计数器将计数值反馈到主控计算机，主控计算机通过固态计算器控制电磁离合器的离合。当射击弹数达到设置值时，主控计算机使离合器分离，停止射击。

图1 总体方案框图

3 射控机构

由转管武器工作原理可知，对于内能源转管武器，只要控制武器供弹部分不再供弹，转管武器便失去了驱动能源，即可达到停止射击的目的。本文设计的射控机构，通过电磁离合器的离合控制拨弹轮的转动，从而控制武器供弹，达到停射目的。射控机构如图2所示。

图2 射控机构原理图

轴1为机匣传动轴，通过齿轮1带动齿轮2转动。齿轮2通过斜键安装在可轴向移动的轴3上。轴3右端与离合器的活动铁心接触，左侧插入六边形套筒内，并与弹簧相连。轴2固定，其右侧与套筒连为一体，并与弹簧相连，左侧安装拨弹轮。

离合器在断电状态下活动铁心向外伸出，轴3上键与齿轮2键槽分离，弹簧处于压缩状态。当离合器通电后，活动铁心向里吸合，轴3在弹簧力作用下向右移动，斜键与齿轮2上键槽结合，齿轮1带动齿轮2转动，通过轴向传动，使拨弹轮转动，武器供弹，开始射击。离合器断电后，活动铁心复位，斜键再次与齿轮3上键槽分离，此时，齿轮2虽在转动，但轴2停止转动，拨弹轮不再供弹。

4 自动控制机构

4.1 硬件工作原理

主控计算机主要用于接收传感器送来的武器射击脉冲，加以识别、处理、并进行计算和比较，按照预定的程序输出各种控制信号给接口电路，接口电路再经过适配器控制武器进行射击与停射，并将计算出的剩余炮弹数送给显示器实时显示，同时存储武器射击炮弹数的相关信息，并在断电状态下保存各种数据。

由于电磁铁工作电流和启动电机的工作电流很大，单片机无法提供如此大的控制电流对电磁铁和启动电机进行直接控制。所以采用两个继电器分别作为电磁铁和启动电机电路的开关，控制电磁铁和启动电机电路的关断与闭合。

硬件工作原理如图3所示。

4.2 编程结构

可编程计数器/定时器的功能体现在两个方面，一是作为定时器；二是作为计数器[6]。

图3 硬件工作原理图

本方案计数器/定时器采用Intel 8253，其编程结构如图4所示。

图4 8253编程结构图

8253内部有三个计数器，分别称为计数器0、计数器1和计数器2，其结构完全相同。每个计数器的输入输出都决定于设置在控制寄存器中的控制字，它们共用一个控制器，但相互之间完全独立。每个计数器通过三个引脚与外部联系，一个为时钟输出端CLK，一个为门控信号GATE，另一个为输出端OUT。每个计数器内部有一个16位的计数初值寄存器CR，一个计数器执行部件CE和一个输出锁存器OL。执行部件是一个16位减法计数器，其起始值就是初值寄存器的值，而初值寄存器的值由程序控制。这样可通过设置寄存器处置来控制电路，实现离合器的离合与转管武器停射。

计数器的执行部件是计数器的核心部件，它从初值寄存器中获得计数初值，便进行减法计数，锁存器随计数执行部件的内容而变化，当有一个锁存命令到来时，锁存器便锁定当前计数，直到被读走以后，又跟随计数执行部件进行下一个动作。

4.3 点射弹数控制方案选择

实现点射弹数的精确控制有两种方法，一种是定时停止射击，另一种是控制自动机转过一定角度停止射击，无论采用哪种方法都需要使用定时计数器来实现。

4.3.1 计时方案

本方案采用延时控制，定时器的门控信号GATE与击发按钮连接，CLK信号连接1MHz标准时钟信号，在进行射击前先进行射击弹数选择，系统自动装载延时时间。

要实现转管武器30发、60发、120发的点射，可通过CLK时钟信号控制时间，从而控制电磁铁离合实现武器的停射。本方案中8253的频率为1MHz，T=1/f=1×10，转管武器射速为6000发/min，计数初值计算如表1所示。

表1 延时计数器计数初值

根据计算结果可以看出，如果实现30发点射，那么延时时间为0.3s，标准时钟信号输出3×105个方波信号，在延时结束后OUT信号输出一个下降沿信号，控制电磁铁离合，拨弹轮停止供弹。其时序图如图5所示。

图5 延时控制的时序图

由于拨弹轮开始射击时转速不稳定，采用此方法的误差较大。

4.3.2 脉冲控制方案

本方案采用脉冲控制，定时器的门控信号GATE与击发按钮相连，CLK信号连接脉冲计数器，传动齿轮上安装脉冲，每转过一个齿，就有一个脉冲，计数器进行计数。射击前通过设置计数初值来选择射击弹数，当拨弹轮转过预定角度后，OUT产生一个下降沿，离合器分离，拨弹轮停止供弹。本方案设计的六管转管武器，即拨弹轮每转过360°射击六发子弹，传动装置齿轮齿数设计为30，每转过12°即产生一个脉冲信号。计数初值计算如表2所示。

表2 脉冲计数器计数初值

时序图如图6所示。

图6 采用脉冲控制的时序图

通过设置脉冲计数器可达到精确射击的目的。比较两个方案，本设计采用脉冲控制方案，即控制自动机转过的角度。

4.4 输入/输出控制

由于计数器具有计数功能，可将累计脉冲数发往寄存器，计算累计发射的弹数。显示时，系统将寄存器的数据调出来，换算成射击发数，在显示器上显示。总载弹量减去累计发射的弹数即剩余炮弹量。显示面板由6个7段LED数码管组成六位的10进制数显示器，可以满足此武器系统的数据显示要求。LED数码管显示器具有功耗低，显示亮度高的优点。

六位7段LED数目管显示器功能：当显示累计发射数目时，六位显示器全部显示累计发射数目的数据。在其它时间，前三位显示转管武器最常用的发射模式“30”、“60”或“120”各按键功能，控制器外观示意图如图7所示。

图7控制器外观示意图

“累计”：按下此按键时，显示器会显示武器的累计发射数目，“XXXXXX”。

“射击”：按下此键时，武器迅速开始根据预定程序进行射击，达到停射条件时，武器根据设定的程序停射，并显示此次发射模式“30XXXX”、“60XXXX”或“120XXX”。

“30”：按下此键时，武器自动控制系统会预置下次发射模式，即点射数。并显示“30XXXX”。

60发和120发同理。

“输入”：此键为载弹量数据输入按键，按下此键，可通过数字按键“0、1、2、3、4、5、6、7、8、9”输入载弹量。输入模式为从数据的高位到低位依次输入，直到按下“确定”按键时完成载弹量的输入。在“输入”按键按下后，除数字键和“确定”键外，其他按键均无效。

控制面板操作过程：

主机接通电源后，按电源键，主控计算机开机，自动控制系统开始工作，并显示上次武器的发射模式和载弹量，显示格式“30XXXX”、“60XXXX”或“120XXX”为载弹量模式，“30”、“60”或“120”为发射模式，即30发、60发或120发点射。系统第一次工作时的初始数据为零，显示“000000”。

按下各按键时，系统根据预置的程序识别各功能键和数字键，对武器系统进行各种功能控制和操作[7]。

5 装置可行性分析

电磁离合器和计数器已成功应用于23mm航炮上，本设计中将电磁离合器和计数器组合，用于控制射弹发数是可行的。设转管武器射速为6000发/min，则射击一发弹药的时间为10ms；自动控制系统从采集信号、作出判断到向控制电磁铁的继电器发出信号的时间约为0.02ms，继电器的反应时间为0.1ms；电磁铁电路由于采用了逆变电容升压电路，可认为电流上升时间很短暂，约为2ms。累计以上动作时间，武器自动控制系统控制停射的总时间在13ms之内。

综上：点射理论控制精度可控制在±2发以内。

6 结论

针对内能源转管武器设计了一种基于电磁离合器的射控装置，本装置通过控制电磁离合器的离合来控制拨弹轮的转动与停止，实现对高射速转管武器点射数目的精确控制。通过计数器可对点射炮弹数和累计发射炮弹数进行记录，并可显示剩余炮弹数和累计发射炮弹数等功能。

[1]范会兵，朱凝华.外能源转管武器射频控制系统的设计[J].产品开发与设计，2006，16(5)：37-39.

[2]唐亚鸣，廖振强，王晖.新型内能源转管武器驱动技术研究[J].兵工学报，2002，23(2)：273-275.

[3]李元垒，付兴振.高速航炮余弹计数器的设计[J].电子产品世界，2002，(2)：32-33.

[4]薄玉成，王惠源，解志坚.转管武器总体技术的若干问题[J].火炮发射与控制学报，2005，11(3)：9-12.

[5]何志强，黄守仁，李载红.航空自动武器设计手册[M].北京:国防工业出版社，1990：145-162.

[6]冯博琴，吴宁.微型计算机原理与接口技术[M].北京：清华大学出版社，2007：283-285.

[7]eeprom.MC34063.http://www.dianyuan.com/bbs/d/69/253333.html,2008-09-03.

DesignaMechanismtoControltheBurstFiringforOwnEnergySpinTubeGun

HAN Tie，YUAN Zhihua，MA Kunpeng

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

The mechanism to control the burst firing for the own energy spin tube gun makes 8253 programmable counter/timer as the core of the automatic control system,through the automatic control system to control the electromagnetic clutch of the clutch,then control the allocation of ammunition rounds of rotation or not,in order to control the number of burst firing of the gun.The program uses pulse counter to meet the precise burst of the gun′s requests.The design of the register can not only count the total number of the gun fired,make the shooter easily to fire,but also provide a convenient logistics service.

spin tube gun； firing number-controlled mechanism; automatic control system；electromagnetic clutch

2013-06-04

韩铁(1986—)，男，硕士研究生；通讯作者：袁志华(1963—)，男，教授，研究方向：火炮自动武器与弹药工程.

1003-1251(2014)01-0077-04

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