小口径步枪热散现象研究

蓝维彬，杨 臻，龙建华

(1.中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051；2.重庆建设工业(集团)有限责任公司，重庆 400054)

枪管是步枪的核心零件，而枪弹的因素将直接影响自动武器的性能，其中枪械的射击精度是武器性能的重要指标。精度包括射击准确度和射击密集度(即射弹散布)，而随着射弹数的增加，枪管在火药燃气的加热下逐渐升温，高温影响枪管材料的力学性能，材料性能的变化影响了弹丸在膛内的变形及运动，有可能引起热枪状态弹丸出枪口的姿态和初速发生变化，出现热偏和热散现象。

对于热偏热散的研究，Joseph South等[1]针对5.56 mm步枪进行了不同速度下的挤进试验，对比了不同速度下的挤进阻力、环向应变、刻痕深度及质量损失情况；刘国庆等对某狙击步枪准静态弹头挤进力及弹丸膛内运动进行了研究[2-3]；曹帅等对不同温度下枪管材料的力学性能差异进行研究,得到不同温度下枪管材料的力学性能变化情况，为深入了解枪械的热偏热散机理提供了基础数据[4-5]；孙全兆等建立了某大口径榴弹炮弹带挤进过程模型，得出动态挤进阻力以及弹丸运动规律[6]。

枪械热偏热散机理的研究是一个复杂而又系统的课题，但现阶段的研究大多是理论分析与仿真计算，缺少完整的试验数据，对步枪因枪管温度而导致精度下降的现象认识不够完善。

1 弹丸结构与被甲材料特性

弹丸的构成主要由被甲、铅套与钢芯3部分组成，如图1所示。其中被甲与枪管内壁发生直接作用，因此被甲的材料特性直接决定挤进过程。

目前弹丸被甲材料主要分为H90铜和覆铜钢两种材料。H90黄铜即含铜量90%，有良好的力学性能和压力加工性能，表面处理性能好，可镀金属及涂敷珐琅，是弹丸被甲主要材料；覆铜钢由中间一层低碳钢和上下两层很薄的黄铜复合而成，有良好的延展性、足够的强度和弹性，以及一定的密封性和小的摩擦系数，与纯铜相比，覆铜钢具有价格低廉等优点。表1为常温下两种材料及其他弹丸参数的力学特性。

表1 弹丸材料机械性能参数

2 不同被甲材料射击试验

2.1 试验方案

研究对象：两支某小口径自动步枪(新枪)及两种被甲的试验枪弹，被甲材料分别为H90铜和覆铜钢。试验枪弹技术参数如表2所示。

表2 试验枪弹技术参数

为了便于比较试验结果，同时说明试验结果的真实性，对两种试验枪弹各抽取一定数量进行初始状态性能测量，技术状态如表3所示。

表3 试验时具体技术状态

试验时两支试验枪固定在夹持试验台上，如图2所示，分别对应使用两种不同材料被甲的试验枪弹对100 m处靶进行试验射击。

射击规则：先进行1组20发试验弹单发精度射击，随后进行150发的无冷却射击，单发、点射、连发射弹量分别为10%，70%，20%。再进行1组20发单发精度射击。

测量数据：两种不同材料被甲对应的射击时枪管温升、弹丸初速、射击精度及枪管内膛受损情况、枪管内径的变化。

2.2 试验结果

2.2.1 冷枪状态下精度试验

初速或然误差，是用来表征初速试验结果散布大小的量，一般用下面的公式[7]来计算：

(1)

本试验采用高速摄像机分别对发射两种不同被甲材料的弹丸出膛口速度进行测量，再通过对100 m靶进行射击，分别测出不同弹丸被甲所对应的射击精度。测量数据如图3～5所示。

根据试验测量可知，冷枪状态下铜被甲弹射击的平均初速为885.7 m/s，初速或然误差值为5.28 m/s，初速下降幅度值为23.8 m/s，散布中心坐标为(4 cm,-0.4 cm)，散布中心距离为4 cm，半数散布圆半径R50为4.7 cm，全数散布圆半径R100为10.2 cm；覆铜钢被甲弹射击的平均初速为897.5 m/s，初速或然误差值为3.19 m/s，初速下降幅度值为14.8 m/s，散布中心坐标为(5.7 cm,0.3 cm)，散布中心距离为5.7 cm，半数散布圆半径R50为5 cm，全数散布圆半径R100为7.8 cm。

由试验可知，铜被甲弹的精度较覆铜钢被甲弹差，铜被甲弹的平均初速较覆铜钢被甲弹更低，铜被甲弹的初速或然误差也更大，同时由试验时的技术状态可知，铜被甲弹的弹重、弹长等技术参数的跳差较覆铜钢被甲弹更大，使得铜被甲弹的精度参数均不如覆铜钢被甲弹。

2.2.2 热散温升射击试验

分别进行150发的无冷却射击，单发、点射、连发射弹量分别为10%，70%，20%。由于射击时枪管内膛的工作环境恶劣，到目前为止，还难以用一般的温度传感器测出连续射击时的內膛表面温度值。即使是为了测试枪管膛面温度而研制的表面热电偶，寿命也只有20发左右，不能满足使用要求。因此，试验采用红外热成像仪直接测量身管外壁的温度历程，经过数据处理后，可为后序仿真值进行可信性验证。测量结果如图6所示。

由试验测量枪管外表面温度可知，单发射击结束时，两种弹导致的枪管温度变化情况基本一致；而到了点射和连射阶段，射击铜被甲弹时枪管温升较射击覆铜钢被甲弹更剧烈；热散试验结束后，射击铜被甲弹时枪管温度更高。

2.2.3 热枪状态下精度试验

经过150发的无冷却射击后，枪管温度较初始阶段有明显升高，此时再进行1组单发精度射击，测出每一发弹的初速以及两种弹在热枪状态下的射击精度，如图7～9所示。

根据试验测量可知，热枪状态下铜被甲弹射击的平均初速为882.8 m/s，初速或然误差值为3.69 m/s，初速下降幅度值为22.1 m/s，散布中心坐标为(3.4 cm,9.9 cm)，散布中心距离为10.4 cm，半数散布圆半径R50为6.3 cm，全数散布圆半径R100为21.6 cm；覆铜钢被甲弹射击的平均初速为895.3 m/s，初速或然误差值为3.58 m/s，初速下降幅度值为20.5 m/s，散布中心坐标为(4.6 cm,5.3 cm)，散布中心距离为7 cm，半数散布圆半径R50为4.1 cm，全数散布圆半径R100为12.4 cm。

2.2.4 枪管内膛测量

射击开始前，先对两支试验枪枪管的内膛尺寸进行了测量。从口部测量时，两支枪管可进入的最大量规为5.83 mm，可深入225 mm；从尾部测量时，两支枪管可进入的最大量规为5.83 mm，可深入91 mm。

为了能更好观察射弹结束之后枪管内膛磨损情况，采用工业内窥镜对枪管内膛受损情况进行观察，如图10～11所示，而后采用不同尺寸量规从枪管尾端对枪管内膛尺寸变化进行测量，得到射击两种弹后枪管内膛尺寸；测量完毕后用随枪附件和白布条蘸上除铜剂，均匀涂覆在枪管内膛表面,涂覆3次，放置5 min后，用随枪附件油毛刷蘸上除铜剂，连续擦拭枪管內膛20次，除铜完毕后在此对枪管内膛尺寸进行测量，测量结果如图12所示。

热散试验后，两支枪管内膛尺寸都有明显增大。射击结束后5.85 mm量规可从尾端深入射击覆铜钢被甲弹枪管41 mm，从图10～11来看射击覆铜钢被甲弹的枪管的内膛磨损较严重。

两支枪管内膛尺寸变化测量如图12所示，射击铜被甲弹的枪管尺寸反而变“小”，从尾部测量，5.83 mm量规只能进入26 mm，5.84 mm量规则无法进入；而从口部测量，5.82 mm量规则无法全通。对枪管内膛擦拭除铜后，从尾部测量，5.84 mm量规可深入18 mm；从口部测量，5.84 mm量规可深入40 mm。

对于射击覆铜钢被甲弹的枪管，除铜前从尾部测量，5.84 mm量规可深入24 mm；从口部测量，5.84 mm量规可深入36 mm。对枪管内膛擦拭除铜后，从尾部测量，5.84 mm量规可深入34 mm；从口部测量，5.85 mm量规可深入15 mm。

2.3 结果分析与讨论

由冷热枪试验结果可知，热枪/冷枪R100变大倍率，铜被甲弹为2.08，覆铜钢被甲弹为1.59；热枪/冷枪平均弹着点偏差，铜被甲弹为10.3 cm，覆铜钢被甲弹为5.1 cm；热枪/冷枪膛口平均初速下降率铜被甲弹为6.7%，覆铜钢被甲弹为5.8%，铜被甲弹的热散现象明显较覆铜钢被甲弹更明显。根据红外测温结果可知，射击铜被甲弹枪管温升较剧烈；而试验后对枪管内膛的观察与测量可知，射击铜被甲弹会在枪管内膛留下较多的附着物，即出现较明显的“挂铜”现象，对弹丸在膛内运动有一定的影响；而通过对枪管内膛尺寸的测量可知，射击铜被甲弹枪管内膛尺寸变化幅度较射击覆铜钢被甲弹大，枪管不同位置内径差异较明显。

3 结论

对于造成某步枪射击不同材料枪弹的精度变化的因素进行了试验，得到了热枪状态下精度下降的原因，具体结论如下：由于被甲材料的不同，两种枪弹在与枪管内壁之间的摩擦系数不同，导致铜被甲在挤进过程中的挤进阻力与弹丸在膛内运动的摩擦力比覆铜钢被甲弹大，使铜被甲弹的初速下降比覆铜钢被甲弹的初速下降更快；射击铜被甲弹的枪管内壁产生过多的附着物，“挂铜”现象明显；同时，射击铜被甲弹的枪管温度更高，会导致枪管热弯曲加剧，对弹丸膛内运动和枪口的扰动有较大影响；虽然覆铜钢被甲弹的热散现象没有铜被甲弹突出，但射击覆铜钢被甲弹对枪管内膛磨损较严重，大量使用覆铜钢被甲弹会使枪管寿命下降。

试验得出不同被甲材料的枪弹的射击精度随温升变化的规律，可为进一步提高射击精度和枪管寿命的研究提供参考依据。

参考文献(References)

[1] SOUTH J, YIOURNAS A, WAGNER J, et al. A study of the engraving of the M855 5.56 mm projectile[R].Maryland: Army Research Laboratory,2009.

[2] 刘国庆，徐诚.狙击步枪弹准静态弹头挤进力研究[J].兵工学报，2014， 35(10)：1528-1535.

LIU Guoqing,XU Cheng.Research on quasi-static engra-ving force of sniper rifle bullet[J].Acta Armamentarii，2014,35(10):1528-1535.(in Chinese)

[3] 刘国庆，徐诚.弹药参数及误差对弹头膛内运动的影响研究[J].火炮发射与控制学报，2017，38(1)：1-6.

LIU Guoqing,XU Cheng. The influence of parameter and error of bullet-powder on movement in internal ballistic process[J]. Journal of Gun Launch & Control,2017,38(1)：1-6.(in Chinese)

[4] 曹帅，徐诚.温度对某枪管材料力学性能影响试验[J].兵器装备工程学报，2017，38(2)：159-162.

CAO Shuai，XU Cheng. Experimental on influence of temperature on mechanical properties of barrel in material 30SiMn2MoVA[J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering, 2017,38(2):159-162.(in Chinese)

[5] 曹帅.某自动步枪冷热枪状态差异分析与研究[D].南京：南京理工大学，2017.

CAO Shuai.Analysis and research on the difference of hot and cold guns in an automatic rifle[D].Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2017.(in Chinese)

[6] 孙全兆,杨国来,葛建立，等.基于Johnson-Cook本构模型的弹带挤进过程数值模拟[J].弹道学报，2015，27(2)：55-61.

SUN Quanzhao, YANG Guolai, GE Jianli，et al. Numercial simulation of rotating band engraving process based on Johnson-Cook constitutive model[J].Journal of Ballistics,2015，27(2)：55-61. (in Chinese)

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CHEN Wei，YANG Pingping. Influence of gun barrel on muzzle velocity probable error[J].Acta Armamentarii，2010，31(8)：1134-1136. (in Chinese)