小口径自动炮低后坐力射击模式研究

郭竞尧，刘建斌，李 勇，范文超，豆 征

（1.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099；2.北京军代局驻晋中地区军代室，山西 晋中 030812）

0 引言

现代战争对火炮武器系统的性能要求不断提高，火炮的威力也在逐步提高，同时也要求火炮具有良好的机动作战能力.而火炮威力的增大将产生诸如火炮后坐冲量过大带来的火炮发射载荷增加，火炮系统质量过大，机动性降低，发射平台结构强度变差，火炮精度下降等一系列问题，这些问题成为制约火炮武器系统综合性能进一步提高的主要因素.如何降低或控制火炮发射时所产生的后坐力，是协调火炮威力与机动性矛盾的关键技术，也是火炮武器系统研究中的一个重要问题［1］.

后坐力控制技术一般分为两个研究方向，其一是通过减小火炮后坐冲量，包括炮口制退器的优化设计，膨胀波火炮概念的应用以及前冲火炮技术；其二是通过缓冲装置的优化设计，包括增大后坐长度技术，自适应控制技术及电磁流变技术等.

目前研究的主要方向集中在炮口制退器优化设计［2-3］，膨胀波火炮概念应用［4-6］，新式缓冲装置的结构原理［7-8］和无后坐力火炮［9］等，但由于小口径自动炮的结构及工作特点，尚存在如下问题：一方面是对后坐力减小的贡献度有限，另一方面是工程化实现难度较大以及应用中不可控的因素较多.

根据以上的问题，本文针对一些特定装载平台下的小口径自动炮，提出采用增大后坐长度，弹箱与自动炮共同浮动射击的方法，形成一种低后坐力的射击模式，并以小口径自动炮为例对此射击模式进行了动态仿真分析，分析结果显示该射击模式能有效降低后坐力.

1 射击模式

为了满足自动炮较长连射的要求，一般需要将供弹端固定在摇架或炮塔上，从而使供弹系统有足够的体积能容纳足够的炮弹进行作战.在射击时供弹端固定，自动炮进行后坐复进动作.通过实弹射击表明：自动武器的故障大部分是由供弹机构引起的［10］，而大多数供弹故障的直接或间接原因是供弹端和自动炮之间的相对位移过大.因此为了保证供弹过程的可靠性，目前的小口径自动炮的最大后坐位移一般不超过40mm，大都处于10～35mm 之间.

随着小口径自动炮自身威力和射击精度的提高，毁伤目标所需弹数逐步减少，对于一些自动炮的装载平台，如轻型侦查车、可移动式岗哨及非直接作战用直升机等，不需要每次执行作战任务时携带很多的炮弹，但对机动性、轻量化要求较高，即少量的携弹量就能满足作战需求且要求火炮系统的总质量（包括火炮、供弹系统、弹药、炮架等）较小.

在这种情况下，可使用小容量的无链供弹弹箱并直接安装在自动炮上，随自动炮共同完成后坐复进运动，此时的弹箱和自动炮之间在射击过程中不存在相对位移，供弹可靠性可大幅提升，同时不必为保证供弹可靠性而限制最大后坐长度.这样，就有了通过大后坐行程后位浮动的射击方式来降低后坐力的可能性，从而可减轻火炮系统的总质量，提高了火炮系统装载平台的机动性.

2 动态仿真

2.1 数学模型

火炮在射击时后坐部分所受的主动力、约束反力和阻力构成了一个空间力系.以全炮后坐式自动炮为例，炮膛轴线为轴，则自动炮受力可简化为如图1 所示的示意图.

图1 自动炮受力示意图Fig.1 Schematic diagram of the force on automatic gun

图1 中，mh为后坐体质量；x为自动炮相对摇架的位移，后坐为正，静平衡位置为原点；Fpt为炮膛合力，作用在炮膛轴线上；Ff为自动炮前冲过位的缓冲簧力；Fh为缓冲簧力；FΦ为缓冲器液压阻力；FT为导轨摩擦力；θ为自动炮高低射角.

根据牛顿定律，建立自动炮的运动微分方程为［1］

将式（1）表示为

其中：

是方向与炮膛合力相反的一个合力，称为后坐力.当自动炮平角射击时，mhgsinθ＝0，则式（1），（2）中Fpt的计算式为

式中：ω为火药装药质量；m为弹丸质量；φ为次要功计算系数；φ1为仅考虑弹丸旋转和摩擦两种次要功的计算系数，一般取φ1 ≈1.02；A为导向部分的横截面积（At-A为药室锥面在垂直炮膛轴线方向的投影面积，At为药室膛底的截面面积）；pg为弹丸脱离炮口时膛内的平均压力；χ为炮口制退器的冲量特征量；b为反映炮膛合力衰减快慢的时间常数；tg为弹丸脱离炮口的时刻点；tk为膛内压力为0 的时刻点.

当图1 中的x＞0时，式（1）和（3）中

当图1 中的x＜0时，式（1）和（3）中

式中：p为缓冲簧的预压力；k为缓冲簧刚度.FΦ的计算式为

式中：K为液压阻力系数，是理论与实际之间的复合系数；ρ为液体的质量密度；A0为活塞工作面积；ax为流液孔面积；v为活塞运动速度.

当自动炮处于后坐过程，即v＞0（后坐方向为正）时，FT和式（8）求得的FΦ在式（1）和（3）中取正值；当自动炮处于复进过程，即v＜0时，FT和式（8）求得的FΦ在式（1）和（3）中取负值.

2.2 仿真实例

以采用弹簧液压缓冲器的某30mm 口径自动炮为例，仿真计算步骤如下：

1）确定自动炮的基本参数，包括浮动部分的质量、射速和射击角度.本例中分别为85kg，1 000 发／min，0°；

2）输入自动炮的内弹道参数，根据式（4）和（5）获得Fpt的各阶段数据；

3）调整弹簧参数p值（缓冲簧的预压力）和k值（缓冲簧刚度）；

4）调整后坐，复进不同的流液孔面积，使后坐过程（即v＞0）阻尼系数较小，而复进过程（即v＜0）阻尼系数较大，可根据式（8）动态地计算FΦ值.

借助计算软件，依照上述步骤，以使自动炮能够稳定浮动为目标，根据式（1）和（3）进行数值求解，可得10连发射击时的后坐位移-时间曲线，10 连发射击时的后坐力-时间曲线，如图2 和图3所示.

图2 1 000发／min射速下10连发射击的后坐位移-时间曲线图Fig.2 1 000rounds per minute rate of fire，the 10bursts recoil length-time curve

图3 1 000发／min射速下10连发射击的后坐力-时间曲线图Fig.3 1 000rounds per minute rate of fire，the 10bursts recoil force-time curve

当自动炮工作在另一个射速300 发／min时，重复步骤1）～4），可得10 连发射击时的后坐位移-时间曲线，10 连发射击时的后坐力-时间曲线，如图4 和图5 所示.

图4 300发／min射速下10连发射击的后坐位移-时间曲线图Fig.4 300rounds per minute rate of fire，the 10bursts recoil length-time curve

图5 300发／min射速下10连发射击的后坐力-时间曲线图Fig.5 300rounds per minute rate of fire，the 10bursts recoil force-time curve

自动炮在低后坐力射击模式下（无链供弹弹箱质量未计入后坐质量中）和常规射击模式的对比结果如表1 所示.

表1 两种射击模式对比Tab.1 Two firing mode contrast

由表1可见，在低后坐力射击模式下，最大后坐力较常规射击模式可大幅下降，下降幅度超过了50%.

以上计算是为了与常规射击模式有相同的后坐质量进行对比，在忽略无链供弹弹箱的质量的假设下进行的；而在弹箱和自动炮共同后坐时，弹箱本身和弹箱中的炮弹也属于后坐质量的一部分，并且射击过程中炮弹的数量是在逐步减少，整个后坐部分的质量不是基本恒定不变的，而是逐步减小.后坐部分质量的变化对自动炮射击的后坐力变化有多大影响，从而对射击密集度有多大影响，仍需考虑.为此，采用极限法进行分析，具体为：

1）设定自动机射速为1 000 发／min，弹箱中满炮弹时为状态A，弹箱中无炮弹时为状态B.根据状态A 的后坐质量调整缓冲器参数至在状态A下自动炮能够稳定浮动，再以相同的缓冲器参数计算状态B，得到的对比曲线如图6和图7 所示.

2）设定自动机射速为300 发／min，弹箱中满炮弹时为状态C，弹箱中无炮弹时为状态D.根据状态C的后坐质量调整缓冲器参数至在状态C 下自动炮能够稳定浮动，再以相同的缓冲器参数计算状态D，得到的对比曲线如图8 和图9 所示.

图6 状态A 和B的后坐位移-时间对比曲线Fig.6 Status A and the status B of the recoil length-time of the contrast curve

图7 状态A 和B的后坐力-时间对比曲线Fig.7 Status A and the status B of the recoil force-time of the contrast curve

图8 状态C和D的后坐位移-时间对比曲线Fig.8 Status C and the status D of the recoil length-time of the contrast curve

图9 状态C和D的后坐力-时间对比曲线Fig.9 Status C and the status D of the recoil force-time of the contrast curve

两种射速下两种极限状态的最大后坐位移及最大后坐力计算值对比结果如表2 所示.

表2 两种极限状态下的计算结果对比Tab.2 Two limiting states comparison of calculation results

由表2 可以看出，两种极限条件下的最大后坐力差均不大于10%，且差值较小（分别为0.7kN 和0.3kN），在此基础上可对缓冲器参数进行进一步优化，故而预计在本射击模式下炮弹质量的减小对射击密集度影响不大.

3 结论

针对机动性、轻量化要求较高的自动炮装载平台，提出了小口径自动炮的一种低后坐力的射击模式，该射击模式包含的主要因素有：①自动炮的装载平台执行单次作战任务时所需的携弹量较少；②无链供弹弹箱随自动炮共同后坐、复进并实现浮动射击；③采用了增大后坐长度的技术.

根据以上因素，可形成大后坐行程后位浮动的射击方式，相比于常规射击模式，后坐力降低了50%以上，为小口径自动炮的减小后坐力技术提供了参考.

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