转管武器双管发射方式研究

2020-07-07张鹏军廖彩红余朝发

兵器装备工程学报 2020年6期

张瑜，张鹏军，廖彩红，余朝发

(1.中北大学机电工程学院，太原 030051；2.中国华阴兵器试验中心教导队技能培训队，陕西华阴 714200;3.陆军工程大学军械士官学校，武汉 430000)

转管武器具有高射速、强火力、高可靠性等特点，可在短时间内发射大量弹丸形成密集弹幕，对敌袭目标进行火力压制并实施有效毁伤，因此被广泛应用于海、陆、空作战平台。按照驱动方式，转管武器可分为外能源转管武器和内能源转管武器。以美国为代表的转管武器，以外能源为主，如M61型20 mm火神机关炮；而俄罗斯的转管武器，以内能源为主，如Gsh-6-23M。

转管武器由多根身管在圆周方向均匀排布形成身管组，并固定在一个机匣上[1]。转管武器工作时，通过外能源或内能源驱动，身管和机匣高速旋转，身管每旋转至击发点时进行一次发射，对于传统转管武器，射击过程中都是单管射击。发射过程中，身管受到火药气体作用，不仅会产生后坐力，还会使身管扭转的力矩[2]，且转管武器射频越高，发射时身管受到的力矩越大，从而身管口变形量越大。

因此提出了一种双管发射的射击方案，对比单管发射的转管武器，该种新式发射方式采用双路供弹、两点击发的射击方式，处于发射状态的两根身管上下或左右受力对称，两身管受到的力矩互相抵消，从而减小身管变形产生的射击散布，可有效提高武器射击精度。

1 转管武器受力分析

以四管转管武器为例，讨论转管武器发射过程中身管组受力情况。转管武器发射过程中，处于发射状态的身管受到火药气体的作用力F，受力方向沿身管轴向向后，身管组支撑点为O，受力情况如图1所示。将身管组受力对中心轴转换，受力情况如图2所示。

1.架座; 2.身管组

图2 身管受力对O点转化

对处于发射状态的单根身管受力分析如图3所示，由图可知，由于火药气体作用，身管受到向后的力F，同时还受到力矩FR的作用，该力矩使转管武器身管相对中心轴线发生偏移。由于F由弹膛压力决定，同一转管武器配置弹种不变的情况下，弹底压力不变，则身管受力F保持不变；R由机心组公转半径决定，则R也可视为保持不变，由此可知影响身管偏移量大小的主要因素为力矩FR。

如图3，身管组部分长度为a，对中心轴的惯性力矩EI；架座部分长度为b，对中心轴的惯性力矩为EI1，发射弹丸时，身管与架座结合处受到力矩FR的作用，使得身管左边部分发生微量变形，相对位置升高。身管变形示意图如图4所示。

图3 身管架座图

图4 身管架座在力矩FR和力F作用下变形

由图可知，在第一支点处由FR引起的身管变形产生的张角θ1为[3]：

(1)

最大挠度点为第一支点和第二支点之间的中点b/2处，最大挠度表示为：

(2)

由式(1)与式(2)可以看出，增大EI1，缩短b值，不仅可以减小θ1的值，还可以减小最大挠度fmax。同时由式(1)可知，如果不考虑重力，那么身管组因变形产生的张角即为θ1，第一支点偏离原轴线的距离为：

x=atanθ1

(3)

该值即为转管武器发射时身管的基本偏量[4]，b是与初速有关的量，当转管武器所配置的弹种不变的情况下，弹丸的初速不变，则b为定值，因此想要减小x的数值，只能通过减小θ1实现。

由图4可知，身管组受到力矩FR作用，身管前段会产生小幅度向上的偏移，造成实际弹着点和瞄准方向之间的偏差。随着发射速度的增加，FR不断作用在身管上造成身管前段偏移，使得转管武器的射击散布增加，影响武器射击精度。

选择转管武器身管数为偶数，并使用双路供弹、两点击发的发射方式，转管武器工作时，处于发射状态的对称两管产生的大小相同方向相反的力矩相互平衡，减小身管变形，修正因FR引起身管偏移所造成射击偏差，从而提高转管武器的射击精度[5-7]。

以4管转管机枪为例，如图5所示，4根身管分2组，一组左侧身管进弹，正上方身管处于发射状态；而另一组右侧身管进弹，下方身管处于发射状态。该情况下，身管组对称布置。处于发射状态的两个身管受到火药气体的作用力大小均为F，方向沿身管轴线向后，两根身管受力向O点转化，则可等效为身管组受到大小为2F，方向沿轴线向后的力，如图6所示。此时身管组中处于发射状态的两管产生的扭矩相互平衡，身管没有摆动情况，有利于提高射击效力[5-6]。

图5 新式双管发射转管武器发射方式

图6 新式双管发射转管武器身管受力对中心转化

2 M134转管机枪仿真分析

美国M134型六管加特林速射机枪又称“迷你炮(Minigun)”，是以M61型20 mm航炮为基础研制的，其最高射速可达6 000发/min，采用北约组织的7.62×51 mm口径标准弹药[8-10]，如图7所示。M134可装备在海军军舰、陆军装甲车及空军武装直升机、攻击机等平台上。M134的相关参数见表1所示。

图7 美军M134转管机枪

参数数据整枪质量15.9 kg(不含驱动电机及供弹机)枪长801.6 mm枪管长559 mm膛线4条缠距254 mm弹头质量9.75 g理论射速6 000发/min初速838 m/s最大膛压345 MPa有效射程800 m误差800 m误差0.2～0.8 m5 000 m误差1.5～3 m

M134转管机枪射频可达6 000发/min，当转管机枪发射时，身管组高速旋转，枪管受到力矩FR的作用会发生变形，导致枪口位置偏离中心轴，从而增大射击散布。对于低速体积大的目标，高射速、强火力可弥补射击精度的不足，但对于高速度、小体积目标，射击散布增大将会使转管武器对目标的命中概率极大减小。以M134为研究对象，根据以上参数，使用UG进行三维建模，画出M134的枪管和架座模型如图8所示。

图8 M134枪管和架座三维模型

北约组织的7.62 mm口径的标准弹药参考文献[10]中所给参数。根据式(4)所示的内弹道方程，得到发射过程中M134转管机枪的内弹道压力曲线如图9所示，可以得出，弹丸在出枪口时的弹底压力P=73 MPa。

(4)

图9 M134内弹道压力曲线

对于M134机枪，其身管数为6管，采用新的供弹方式，即左右两管同时供弹，上下两管同时发射，如果保持射频 6 000发/min不变，则身管组转速从原有的1 000转/min降低为500转/min；若保持身管组转速不变，则转管机枪射频可由6 000发/min上升至12 000发/min。考虑射频提高武器机构碰撞增多，会对转管武器可靠性产生影响，因此，身管组转速设置为500转/min，在保持转管机枪原有6 000发/min射频的同时，可减少供弹机构的碰撞，对武器可靠性有利。

分别对传统方式的单管发射及新供弹方式的对称上下两管同时发射情况下M134转管机枪的发射过程进行动力学仿真，分析射击过程中身管局部位移及身管相对中心轴的速度。将模型导入ANSYS仿真软件，设置转管机枪发射时的膛内压力及身管沿中心轴转动速度，经过ANSYS Workbench的处理[11-13]，动力学仿真结果如图10～图13所示所示。

图10 传统单管射击时身管局部位移

图11 传统单管射击时身管相对速度

图12 双管发射方式射击的身管局部位移

图13 双管发射方式射击的身管相对速度

根据以上仿真可知，对比传统单管射击方式，采用双管发射方式射击时因发射两管对称布置，由弹丸发射的后坐力产生的扭矩互相平衡，各身管的局部位移及身管相对速度相对中心轴对称。对比图10与图12可知，采用传统单管发射方式，处于发射状态的身管口位移最大为0.094 187 mm，而采用双路供弹双管发射方式射击时，因处于发射状态的两管相对中心轴对称布置，产生大小相等方向相等的扭矩互相平衡，身管口因扭矩产生的位移几乎为零,远小于传统单管发射。另外，采用单管发射方式时，身管部最大位移为0.094 187 mm，而采用双管发射方式时身管部最大位移为 0.241 93 mm，这是因为采用双管发射时身管组因火药气体产生的后坐力，所受载荷变为单管发射时的两倍，因此双管发射时身管部位移大于单管发射。

对比图11与图13，采用单管发射时，身管口相对身管组轴线最大相对速度为13.534 mm/s，身管部最大相对速度为60.896 mm/s；采用双路供弹双管发射方式射击时，身管口最大相对速度为零,而因双管发射受到双倍载荷，其身管部相对身管组轴线最大相对速度为152.34 mm/s。由上可知，虽然单管发射时身管部分相对速度小于双管发射，但对于管口部分，采用双路供弹双管发射时管口速度小于单管发射。

由上述仿真可知，当射频设定为6 000发/min时，采用单管发射方式身管口偏转角约为2.005 8°，身管组实际转速为1 000转/分，双管发射方式身管口偏转角近似为零，身管组实际转速为500转/min。则对上述两种情况进行密集度仿真如图14与图15所示。

图14 单管发射立靶密集度仿真图

图15 双管发射立靶密集度仿真图

对比图14与图15，单管发射时身管组实际转速是双管发射的两倍，且存在身管口偏移，因此弹丸在立靶上向右上偏移，而双管发射因采用上下两管同时发射，弹丸出枪口时上下两管受到的扰动方向相反，因此弹丸沿轴线向两端偏移。对比可知，采用双管发射时弹丸散布更小，因此结合动力学仿真及立靶密集度仿真分析可知，从提高转管武器射击精度来看，采用双管发射的射击方式时，虽然身管整体变形及相对速度要大，但身管口变形量及相对速度更小，因此射击精度更好，对比传统单管发射方式更占优势[14-17]。