转管武器射控装置研究

韩　铁，梁振刚，马玉石

（1.中国人民解放军92840部队，山东，青岛　266405；2.沈阳理工大学装备工程学院，辽宁，沈阳　110159；3.福建兵器装备有限公司，福建，永安　366032）

转管武器射控装置研究

*韩铁1，2，梁振刚2，马玉石3

（1.中国人民解放军92840部队，山东，青岛266405；2.沈阳理工大学装备工程学院，辽宁，沈阳110159；3.福建兵器装备有限公司，福建，永安366032）

转管武器射速极高，连续射击不仅会过快消耗有限的备弹量，同时会严重降低身管寿命。针对这一问题，本文以内能源23mm转管航炮为依据，分析了现有转管航炮供进弹部分的工作原理，设计了一种控制射击发数的射控装置。射控装置以电磁离合器为核心，运用光电计数器与单片机AT89C51来完成计数和整体控制的任务。利用Pro/E软件对所设计的离合机构进行三维实体建模、整体装配和机构运动仿真。通过对机构动作的仿真模拟，证明结构运动可行。

转管武器；射控装置；电磁离合器；光电计数器；三维建模

0　引言

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［1］。转管武器由于射速高、威力大、射击时间短等特点，在防空、地面压制以及空对地攻击等方面得到了广泛应用［2］。但射击时采用连射方式会消耗大量弹药，仅靠射手控制射击按钮的接通时间来控制炮弹发射数量非常困难，在进行武器射击训练时，常出现无炮弹射击的现象，这给射手造成很大的心理负担，影响训练效果［3］，同时连续射击会对武器身管寿命不利［4］。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装置，控制点射的弹数。本文基于23 mm内能源转管炮设计了一种射控装置，可完成对射击弹数的控制。

1　转管武器射击控制机构工作原理

转管武器开始射击后，动力能源机构开始带动机匣转动，机匣的后齿轮带动进弹机离合器齿轮空转。达到预定转速后，进弹机离合器电磁铁工作，离合器处于闭合的状态而带动拨弹轮拨弹。炮弹被拨弹轮依次拨入每个机心抓手内。弹壳抽出后即被从抓手内铲出，抛到转管炮体外。转管武器射击控制机构通过进弹机离合器来控制拨弹轮轴与进弹轮齿轮的离与合，从而控制拨弹轮供弹与否。

2　射控装置方案设计

根据转管武器射击控制原理，设计了射控装置总体方案。射控装置由射控机构和计数机构组成，其总体方案如图1所示。

图1　射控机构总体方案Fig.1　The overall plan of firing number-controlled mechanism

2.1射控机构设计

2.1.1设计方案

本次射控机构设计提出三种方案：

方案一——切断击发电源

转管航炮为了保证射速，普遍采用的电击发方式以缩短击发时间。本方案在计数完毕后，将信号传至中央控制模块，直接切断火炮的击发电源，瞬间停止击发，待身管组停转后停止供弹，达到停射的目的。其结构如图2所示。

图2　方案一Fig.2　Plan of No.one

方案二——强制身管停转

本方案在计数完毕后，将信号传至中央控制部分，通过减速装置，即摩擦片组中的摩擦片相互摩擦，对火炮转动体施加外部阻力，短时减速至停转，达到停射的目的。其结构如图3所示。

图3　方案二Fig.3　Plan of No.two

方案三——停止供弹

本方案在计数完毕后，将信号传至中央控制部分，输出一个信号控制电磁铁或液压阀门，通过电磁或冷气机构，将身管组与拨弹轮组件间的传动分离，同时对拨弹轮进行止动，限制转动惯量相对较小的拨弹轮转动，停止对膛内供弹，达到停射的目的。其结构如图4所示。

图4　方案三Fig.4　Plan of No.three

2.1.2方案对比优化选择

对于方案一，优点：反应速度快，发出指令，可立即切断电源。缺点：切断电击发电源后，武器身管仍会转动并继续供弹，但不再击发进入膛内的炮弹，短时间内仍会有大量未击发炮弹会被抛出，造成炮弹的严重浪费。

对于方案二，优点：动作可靠，自动机机心进弹、推弹、开闭锁是通过转动来强制执行的，机心停转会强制武器停射。缺点：转管武器身管数量较多，达到额定转速后身管组与机心组的转动惯量很大，如对其进行强制制动，不仅会造成制动机构摩擦件严重磨损，而且制动也存在延时，不利于射弹数的精准控制。

对于方案三，优点：针对内能源武器炮弹击发的驱动源来自火药燃气，切断膛内的弹药供给是一个很好的控制射击的方法。同时拨弹机构的质量较小，对其制动也相对容易。缺点：反应时间稍有延时。

通过对三种方案的对比分析，本设计选用方案三。

2.1.3射控机构工作原理

射控机构结构和工作原理如图5所示。

图5　射控机构结构图Fig.5　The structure figure of firing number-controlled mechanism

图5（a）中离合机构处于完全分离状态，部件9—离合轴是主要的运动件，可做定轴转动和轴向平移移动，自由度为2，通过轴向的左右移动来实现离合机构分与合。部件1—拨弹轮轴只能做定轴转动，通过部件8—连接花键与拨弹轮配合，用以传递离合轴的转矩。部件2—前拨弹轮和部件3—后拨弹轮共同作用将炮弹拨入机心。部件4—拨弹轮限位凸肩用以协助拨弹轮轴左侧轴肩对拨弹轮进行定位。部件5—拨弹轮计数盘是用来进行光电计数的主要部件，其圆周上有一矩形缺口，可在转动时令光电计数电路形成脉冲信号进行记数。当射击电磁阀门打开时，止动轮插销随顶杆瞬间从部件10—止动轮侧面上均匀分布的五个特殊槽中的任意一个槽内向后抽出，瞬间解除对止动轮定轴转动的限制；当制动电磁阀门打开时，高压气体会作用止动轮插销随顶杆向前瞬间插入止动轮侧面上均匀分布的五个特殊槽中的任意一个槽内，此时止动轮被插销瞬间制动停转。部件13—定制动轮与射击发数控制机构架体固定装配，部件14—动制动轮与离合轴固定装配。当离合轴向左移动至行程末段时，动制动轮会通过三角牙嵌配合与定制动轮相互作用，对整个旋转体进行制动。

2.2计数机构

23 mm转管炮的射速可达6000发/分，低射速航炮传统的机械式航炮计数器已无法记录转管航炮的射击发数，故装备此类航炮的飞机适宜采用微机技术的电子计数方式［5］。本文设计采用单片机AT89C51对航炮射击发数进行计数。

AT89C51是一种4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

2.2.1计数原理

本次设计的计数部分采用光电技术原理，光电计数器整体由发射电路与接收电路组成［6］。通过安装在射击发数控制机构架体上特殊位置，利用拨弹轮计数盘上的矩形缺口，形成脉冲信号进行计数，其与机构配合工作的原理如图6所示。

2.2.2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。

图6　计数器与机构配合的工作原理Fig.6　Theory of counter and mechanism

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Fig.7　Schematic diagram of controller appearance

“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］。

3　三维建模与仿真

3.1 机构建模

离合轴是射击发数控制机构离合动作部分主要运动零件，其轴向的左、右移动可使机构处于离与合状态；绕轴的转动可以传递齿轮给机构的转矩，因此该零件的运动是一种转动与平动复合而成的圆柱运动。

同时，由于其上的螺旋凸起与止动轮内表面的螺旋凹槽有特殊的槽配合，故对其添加的约束为：“圆柱——轴对齐”，“槽——直线上的点”，如图8。

图8　离合轴装配约束示意图Fig.8　Schematic diagram of clutch shaft assembly constraints

拨弹轮是射击发数控制机构供输弹部分主要进弹零件，该零件只能做定轴转动。通过一端的花键与离合轴的花键键槽配合实现由离合轴向拨弹轮的转矩传递。

因此对其添加的约束为：“销钉——轴对齐”、“销钉——平移——重合” “滑动杆——轴对齐”、“滑动杆——旋转”，如图9。

图9　拨弹轮装配约束示意图Fig.9　Schematic diagram of wheel assembly constraints

3.2机构运动仿真

机构的所有动作包括：离合轴沿螺旋槽转动、牙嵌啮合、牙嵌脱离等。本次运动仿真，重点仿真了其牙嵌分离时，离合轴向左的轴向移动以及其沿螺旋槽的转动情况，通过模拟各机构间的配合，对运动主体—传动齿轮施加一设定好的伺服电机加以驱动来完成整个仿真的运动。

仿真时，利用“应用程序—机构”命令进入机构运动仿真工作环境，主动驱动伺服电机定义完成后，开始进行运动分析。将分析定义类型设置为“运动学”，“首选项—开始时间”设置为0，“首选项—终止时间”设置为20。点击“运行”按钮，机构开始运动，进行运动仿真。

经运动仿真分析，该机构运动可行，可实现正常分离。

4　结论

本文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。这对于合理射击规范，提高转管武器寿命具有重要意义［8］。

［1］ 韩铁， 袁志华， 马坤鹏.一种内能源转管武器射控装置设计［J］.沈阳理工大学学报， 2014，1（33）:77-80.

［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］ 陈遵银， 付兴振， 董绪华.航炮设计数控系统的设计及实现［J］.军事测试技术，2001， 9（4）:11-15.

［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， 1:11-14.

［5］ 付兴振， 李元垒.高射速航炮余弹计数器的设计［J］.航空计算技术， 2001， 4:30-33.

［6］ 罗明宽.DP-801光电计数器工作原理与使用［J］.电脑与制作， 1999， 1:30-31.

［7］ 鲍廷义.高速定位离合器动态特性分析［D］.南京:南京理工大学， 2009:1-10.

［8］ 刘进成，冯金富.ГЩ-301航炮发射控制原理研究［J］.火炮发射与控制学报， 2002， 4:46-49.

RESEARCH ON THE STRUCTURE OF MECHANISM TO CONTROL THE BURST FIRING FOR SPIN TUBE GUN

*HAN Tie1，2， LIANG Zhen-gang2， MA Yu-shi3

（1.Unit 92840 of PLA，Qingdao， Shandong 266405， China；2.School of Equipment Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang，Liaoning 110159，China；3.Fujian Weapon Equipment co.， LTD，Yong’an ，Fujian 366032，China）

As the spin tube gun has high firing rate， continuous shooting will not only use up the storage of ammunition quickly， but also reduce the tube’s life.In order to solve the problem， we analyzed the existing spin tube gun for the working principle of rotary ammunition supply system and designed a mechanism to control the burst firing based on the 23mm spin tube gun.The device made the electromagnetic as the core of the system，and used the photoelectric counter with the AT89C51 to control the number of burst firing of the gun.We used Pro/E software to model the device for 3D and dynamic simulation.Simulation results show that the structure is feasible on principle.

spin tube gun；firing number-controlled mechanism；electromagnetic；photoelectric counter；3D model

TJ35

ADOI:10.3969/j.issn.1674-8085.2015.02.015

1674-8085（2015）02-0063-06

2014-11-27；修改日期：2015-02-14

*韩铁（1986-），男，河北石家庄人，助理工程师，硕士，主要从事武器设计与仿真研究（E-mail: lujunzhihua2030@163.com）；

梁振刚（1973-），男，辽宁沈阳人，讲师，博士，主要从事武器设计与仿真研究（E-mail:1007272651@qq.com）；

马玉石（1990-），男，辽宁辽阳人，助理工程师，主要从事自动武器设计研究（E-mail:568637432@qq.com）.