基于ADAMS 機槍減后坐裝置動力學仿真分析

金永燦，黃 曉，廖振強

(1.南京理工大學機械工程學院，南京 210094; 2.中國兵器工業第二〇八研究所，北京 100000)

近年來，隨著計算機技術、多剛體動力學理論和柔性技術的迅猛發展，三維建模技術和虛擬樣機技術也得到了較大的發展［1］。在武器設計過程中，后坐力大會使機槍振動加劇，發射狀態難以控制，造成機槍的射擊精度降低，也會使機槍系統質量加大，造成機槍的機動性變差，難以滿足現代戰爭要求機槍快速機動的要求，因此減小武器后坐力，提高武器射擊穩定性是自動武器發展中一項長期重要的研究課題。傳統的反后坐技術主要有超長后坐、二維后坐、前沖式后坐等［2］，但這些反后坐技術均是通過改進槍炮內部結構來達到減后坐的效果，國內外專家一直致力于利用內能源減小槍炮后坐力，常見的利用內能源的減后坐結構是膛口制退器，但普通的膛口制退器效率不高。近年來，較為新穎的拉瓦爾噴管反推氣流減后坐結構已被多國運用到多種武器上，例如，克羅地亞RH—Alan 公司于1990年制造的PT—20 型20 mm大口徑狙擊步槍就是運用此原理大大提高了減后坐效率［3］，目前國內對此方面的研究還比較少，本研究通過對某重機槍建模和動力學仿真分析，研究拉瓦爾噴管對機槍減后坐的影響，為改進重機槍系統射擊性能提供參考。

1 物理模型

在拉瓦爾噴管減后坐結構武器的發射過程中，膛內的高溫高壓氣體通過導氣孔進入拉瓦爾噴管內，并經過尾噴管加速向后坐力方向高速噴出，由此產生的反推力抵消部分后坐力，以達到減后坐效果［4］，該結構簡單，并可充分利用膛內燃氣，其結構示意圖如圖1 所示。

圖1 噴管氣流反推式機槍物理模型

由于噴管在槍管上的位置不同，則膛內火藥氣體進入噴管的時刻不同，所產生的反推力也不相同，因此設計了不同進氣口徑d 的噴管，來探究噴管進氣口的口徑大小對氣流反推力的影響。從而進一步進行仿真來研究對機槍系統后坐力的影響。由于若只在單側安裝噴管裝置，會產生一定的翻轉力，會影響機槍射擊的穩定性，因此在基座兩側都安裝了噴管裝置，噴管結果示意圖如圖2 所示(α=30°)。

圖2 噴管結構示意圖

導氣管的導氣孔位置和噴管的導氣孔位置標注如圖3所示。明確導氣管的導氣孔位置和噴管的導氣孔位置便于編寫內彈道等相關程序，來生成膛壓、導氣室壓力、彈丸初速以及噴管氣流反推力等隨時間的變化曲線。

2 火藥氣體壓力計算

由于在槍管上添加了噴管裝置，射擊過程中火藥氣體壓力會產生相應的變化。

2.1 內彈道時期基本方程

內彈道期間，由于部分火藥燃氣會從噴管流出，故內彈道時期基本方程修改為

式中:qmp為噴管秒流量

圖3 導氣管的導氣孔位置和噴管的導氣孔位置標注示意圖

2.2 后效期時期的質量方程變為

式中qmk為膛口秒流量。

2.3 噴管氣流反推力的計算

將膛內火藥燃氣經過噴管導氣孔流入噴管，并從噴管噴口流出槍膛的過程認為是準一維非定常數學模型，為簡化問題提出以下假設條件:

1)噴管內氣流參數只與噴管導氣孔軸向距離x 及時間t 有關，而與噴管導氣孔徑向距離無關。

2)噴管內壁氣體的散熱和摩擦滿足雷諾比擬關系。

3)噴管內壁溫度為一常量。

考慮散熱、摩擦和噴管截面積變化的準一維非定常守恒方程組如式(1)所示

其中

則由動量定理導出氣流反推力計算公式為

其中: ρe、ve、se和Pe為噴管噴口處氣體的密度、速度、噴管噴口處截面積和壓強;Pa為大氣壓強。

3 仿真結果分析

3.1 基座位置處的噴管結構類型

基座位置處兩側安裝噴管裝置，設計不同的堵頭來控制噴管的導氣孔大小和數量，在基座位置處噴管的類型參數如表1 所示。

表1 基座位置處噴管的類型參數

3.2 基座位置處各噴管類型的結果參數對比

運用Matlab 編程求解計算得到上述噴管類型的內彈道及后效期膛壓曲線、導氣室壓力曲線［5］，同時算得噴管氣流反推力和彈丸速度隨時間的變化曲線。分別對比4 種不同噴管導氣孔類型的膛壓、導氣室壓力、彈丸速度以及噴管氣流反推力隨時間的變化曲線，從而分析不同類型參數理論上對減后坐的影響。對比情況分別如圖4、圖5、圖6 和圖7 所示。各類型的關鍵結果參數對比如表2 所示。

表2 基座位置處各結構類型的關鍵結果參數對比

圖4 四種情況膛壓對比曲線

圖5 四種情況導氣室壓力對比曲線

圖6 四種情況彈丸速度對比曲線

圖7 四種情況氣流反推力對比曲線

由表2 中數值及上述對比圖可知，膛壓峰值基本沒有變化，但是由于安裝了噴管，故膛內高溫高壓火藥氣體經噴管導氣孔進入噴管內，所以膛壓會有所下降，但各類型相差不大。同時噴管導氣孔口徑越大，導氣室壓力下降越多，彈丸初速越低，同口徑下噴管數量越多導氣室壓力下降越多，彈丸初速越低。而進入噴管的火藥氣體越多則產生的氣流反推力越大。

一般計算減后坐沖量效率的公式如式(2)所示。經計算在上述各噴管結構類型中，當噴管導氣孔口徑為5 mm，并且基座兩側共有4 個導氣孔時減后坐效率最高，減小后坐沖量率為21.79%

式中:I 為改進前的機槍后坐沖量; I0為改進后的機槍后坐沖量。

3.3 動力學仿真及對比分析

選取計算得到的減后坐效率最好的情況，即噴管導氣孔口徑為5 mm，并且基座兩側各有兩個導氣孔的情況，建立模型，導入ADAMS 中［6］，仿真分析在基座位置處安裝了噴管后的減后坐效果。機槍后坐力隨時間的變化曲線如圖8 所示，相應的后坐位移隨時間的變化曲線如圖9 所示。

圖8 噴管安裝在基座位置處的后坐力曲線

圖9 噴管安裝在基座位置處的后坐位移曲線

由圖8 ～圖9 可以看出，改進后的后坐力亦隨時間規律變化，幾發射擊過程中檢測到的后坐力最大值為2 847 N，最大后坐位移為6.02 mm。式(3)為減后坐力效率的計算公式，則此種情況下減小后坐力的效率為21.2%。

式中:F 為改進前的后坐力峰值;F0為改進后的后坐力峰值。

4 結論

本文將拉瓦爾噴管應用于機槍系統，以ADAMS 仿真軟件為平臺，建立了某通用機槍的虛擬實驗，并分析了其運動情況，得出后坐力曲線和后坐位移曲線，通過對比可以看出，噴管的應用有效減小了后坐力，為研究機槍系統減后坐提供了參考依據。

［1］陳錦喜，王瑞林.基于ADAMS 的某榴彈發射器虛擬樣機仿真及其動力學特性分析［J］. 軍械工程學院學報，2007，19(6):42-45.

［2］談樂斌，侯保林，陳衛民.降低火炮后坐力技術概述［J］.火炮發射與控制學報，2006(4):69-72.

［3］陳霞.克羅地亞“乎提炮”——RT- 20 大口徑狙擊步槍［J］.輕兵器，2009(5):34-36.

［4］翁春生. 計算內彈道學［M］. 北京:國防工業出版社，2006.

［5］金志明.槍炮內彈道學［M］.北京:北京理工大學出版社，2004.

［6］王亞平，趙軍. 機槍剛柔耦合參數化仿真模型及應用［J］.系統仿真學報，2008，20(20):5722-5730.