狙擊步槍新型電動擊發裝置設計與分析

劉華，范大鵬，李勝鵬，周擎坤（.國防科學技術大學機電工程與自動化學院，湖南長沙40073；.湖南兵器資江機器有限公司，湖南益陽43000）

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狙擊步槍新型電動擊發裝置設計與分析

劉華1，范大鵬1，李勝鵬2，周擎坤1
（1.國防科學技術大學機電工程與自動化學院，湖南長沙410073；2.湖南兵器資江機器有限公司，湖南益陽413000）

摘要：針對狙擊步槍手動擊發對瞄準線的擾動以及響應速度慢等不足，提出一種新型嵌入握把內部的電動擊發裝置，分析其工作原理，建立電擊發裝置的參數化模型，并對該電擊發裝置進行了仿真分析與實驗測試。結果表明：該電動擊發裝置能夠實現發射機電控擊發，其對瞄準線方位方向的擾動幅度降為手動擊發的1/5，可有效降低擊發對瞄準線的擾動，提高射擊精度；響應時間約為35 ms，遠快于手動擊發速度，提高了狙擊步槍擊發的響應速度，有助于準確把握擊發時機。

關鍵詞：兵器科學與技術；電動擊發；電磁鐵；響應時間；擊發時機；實驗測試

0　引言

狙擊步槍射擊速度較低，其射擊精度主要由瞄準的準確與穩定程度和扳機控制的水平兩個因素決定。在沒有瞄準線穩定的輔助裝置前提下，瞄準線一直在目標附近動態調整，射手需要大量的實彈射擊訓練，才能做出準確判斷，選擇良好的擊發時機，獲得較好的射擊精度［1］。生物力學中理論證明：人的大腦從接受外界對肌肉的刺激到對其做出反應并做出相應的動作所需的時間約200～300 ms［2］，由于射手自身的抖動以及射手與目標間的相對運動，反應延遲很可能導致瞄準線脫離目標，造成射擊精度下降。同樣，扳機控制水平也直接影響射擊精度，平穩順暢地扣壓扳機能夠有效減小槍口跳動。若扣壓力不均勻比如突發情況猛扣扳機，或者由于害怕后坐而臆測擊發，出現聳肩情況，都會導致射擊精度急劇下降。

為了提高射擊精度，使射手具有良好的扳機控制水平以及準確判斷擊發時機的能力，傳統的方法是增加射手的生理、心理訓練強度。該方法耗費大量的人力、物力、財力，培養射手的周期長。受環境以及射手心理、體能等因素的影響，該方法對提高射擊精度效果并不理想。美國陸軍實驗室等科研機構與公司［3-5］提出了采用電動控制擊發機構結合計算機控制與傳感器技術的方法來提高射擊精度，取得了較好的實驗效果。國內在步槍上加裝電控裝置的主要集中于車載機槍，且采用現成的電磁鐵，體積重量較大，安裝于狙擊步槍上，人機工效差，難以滿足單兵作戰使用要求。因此，本文提出一種具有較高人機工效的握把式電擊發裝置，免除射手扣扳機引入的干擾，準確把握擊發時機，以達到提高射擊精度目的。

1　結構設計與工作原理

電擊發裝置總體設計思路為在不改變原有發射機結構的基礎上，充分利用發射機外圍空間，將電磁鐵集成于握把之中，保證原有槍械的人機工效。安裝電磁鐵后的發射機結構如圖1所示。

圖1　集成電磁鐵的發射機結構圖Fig.1 Structure chart of transmitter with electromagnet

電擊發裝置主要由發射機、握把電磁鐵及其連接銷釘組成。其中，握把電磁鐵包括推桿、拉桿、鐵芯、線圈、芯柱、磁軛、線圈骨架以及握把底蓋等。將電擊發鐵芯以及線圈等嵌入在握把之中，握把的外形尺寸不變，不改變射手的操控習慣。電擊發裝置為模塊化設計，與握把集成，不改變現有發射機結構。電擊發裝置工作過程為控制算法判斷瞄準線偏差，滿足射擊條件后，將電擊發裝置通電，電擊發鐵芯向下運動，使具有杠桿作用的電擊發推桿一端向下運動，另一端則向上運動推動扳機運動，直到擊發。電擊發裝置推桿與扳機之間相對獨立，射手在不需電擊發時，可以手動擊發。

2　電擊發裝置參數化模型

去除發射機內部各零件外形，僅保留其關鍵尺寸，得到如圖2所示的受力分析圖。扳機與電擊發推桿形成凸輪擺桿機構，扳機O1A為凸輪機構擺桿，O1為扳機回轉軸，A點為扳機與電擊發推桿接觸點，長度為lT；電擊發推桿與扳機接觸的輪廓為偏心圓形成的凸輪，以O2為凸輪回轉中心，O1O2間距離為lC，OC為偏心凸輪圓心，其半徑為R；BC為電擊發的鐵芯，鐵芯BC與電擊發推桿間為移動副，B點可沿電擊發推桿O2B滑動，O2B與O2OC間夾角為θ0，O2OC與O1O2連線間夾角為θP，鐵芯BC與O1O2連線的夾角為θB，O2到鐵芯BC的距離為l0.以O1點為坐標原點，O1O2連線為X軸，建立O1XY坐標系。

圖2　電擊發內部零件受力分析Fig.2 Force analysis of internal parts

由于B′為固定點，因此BB′長度變化等于電擊發鐵芯運動距離，因此，鐵芯的氣隙δ可表示為

式中：θP0為推桿在鐵芯吸合時的角度。

A點在圓弧上，可得

式中：Cst=（R2-l2P-l2T-l2C）/2.

O2到直線OCA的距離為

電擊發裝置的核心部件為直流螺線管電磁鐵，吸力″表達式［6］為

式中：I為線圈中通過的電流；N為線圈中匝數；S為磁路截面積；μ0為真空中的磁導率。

扳機在A點受到推桿的推力為″A，產生的驅動力矩為TA，鐵芯的拉力為″B，根據力傳遞關系計算得驅動力矩TA為

式中：η為機構總傳遞效率；″B為

驅動力矩TA大于扳機阻力矩TT即可實現電控擊發。

當線圈接通電流時，由于有自感電動勢存在，線圈內電流I由0呈指數方式上升到穩態值I0.設線圈的內阻為Re，電感為L，則其表達式為

因此，電擊發鐵芯的動力學模型［7］為

式中：″Te為扳機運動過程中等效阻力；Me為發射機運動部件等效質量；Ce為等效阻尼；Ke為發射內部彈簧等效剛度。

利用（7）式可估算出電磁鐵響應時間與發射機擊發響應時間［8］，設計時應使其響應時間盡可能小。考慮到鐵芯剩磁與線圈電感的存在，電磁鐵斷電后仍會吸合一段時間，為防止造成連發，需通過設計凸輪裝置利用自動機后座能量使其迅速釋放，保證單發射擊。

3　仿真分析與實驗測試

根據電擊發裝置的具體結構尺寸，由（2）式、（5）式可得到鐵芯氣隙δ與扳機行程DT與扳機驅動力矩TA數值解，如圖3所示。

由圖3中可知驅動力矩TA在氣隙小于4.75 mm時大于扳機阻力矩TT，扳機預壓行程約為0.8 mm，滿足預壓行程要求。

圖3　鐵芯氣隙與驅動力矩、扳機行程關系Fig.3 Relationships among iron core gap，driving torque and trigger displacement

3.1仿真分析

圖3為理想條件計算結果，沒有考慮漏磁通、磁路飽和等因素，為提高設計的準確度，采用多物理場仿真軟件COMSOL對電擊發裝置進行有限元建模，計算線圈內部的磁場分布，計算電磁鐵在不同氣隙下的輸出力。

圖4（a）所示為磁路理論計算吸力″c與COMSOL的忽略磁飽和電磁吸力″l的對比圖，兩條曲線基本一致，表明漏磁影響相對較小。圖4（b）為考慮磁飽和情況時所示的力-位移曲線，從圖4（b）中可以看出，電磁吸力明顯小于忽略磁飽和時情況，說明磁路發生了飽和。

進一步可發現，預壓扳機使氣隙為4 mm時，電磁吸力為80 N左右，對應的扳機驅動力矩為1.33 N·m，滿足預壓后擊發扳機的力需求。因此，該電擊發的設計能夠滿足功能要求。

圖4　電磁吸力仿真分析Fig.4 Simulating analysis of electromagnetic force

3.2實驗測試

為了驗證電擊發裝置對瞄準線影響小、射擊精度高以及響應速度快等推斷，在某型狙擊步槍發射機的基礎上，根據設計方案，研制了電擊發裝置，實物照片如圖5所示。

圖5　電擊發裝置實物照片Fig.5 Photo of electric firing mechanism

利用激光器、位置靈敏探測器（PSD）、加速度計、NI數據采集卡等設備，對換有電擊發裝置的狙擊步槍進行了實彈射擊測試，實驗測試系統示意圖如圖6所示。

為了比較手動擊發方式與電動擊發方式的優劣，實驗測試分成電擊發與手動擊發兩種擊發方式進行測試。實驗系統電動擊發方式為：光電瞄具判斷瞄準線偏差滿足條件后，在光電瞄具顯示屏上顯示擊發標志，與此同時使電磁鐵通電吸合，完成擊發動作；手動擊發方式為：同樣由光電瞄具判斷瞄準線偏差滿足條件后，在光電瞄具顯示屏上顯示擊發標志，但電磁鐵不通電，由射手看到擊發標志后手動擊發。通過此方法計算不同擊發方式對瞄準線擾動和響應時間。

圖6　實驗測試系統示意圖Fig.6 Schematic diagram of experimental test system

實彈射擊所采用的狙擊步槍為某型12.7 mm半自動狙擊步槍，射擊距離為100 m，綜合考慮PSD的測量范圍與分辨率，將PSD置于距兩腳架3.4 m處，兩種不同擊發方式各試驗3組，每組5發，每完成一組更換一次靶紙，便于統計彈著點信息。

3.2.1瞄準線擾動測試

利用激光器與PSD對手動擊發與電動擊發引起的瞄準線擾動進行了對比測試，典型的測試結果如圖7所示。

圖7（a）為手動擊發對瞄準線的擾動測試結果，手動擊發引起瞄準線抖動范圍約為：方位方向0.106 mrad、俯仰方向0.065 mrad；圖7（b）為電動擊發方式對瞄準線的擾動，測試結果為：方位0.022 mrad、俯仰方向0.015 mrad，遠小于手動擊發對瞄準線的擾動。

圖7中手動擊發與電擊發瞄準線的初始值不同，主要原因是每次射擊槍身后坐都會使槍身與PSD相對位置發生變化，從而導致激光點在PSD上的位置放生變化，而且為使瞄具內十字線壓住目標中心，射手在射擊前會進行一定的姿勢調整，這也會導致激光點在PSD上的位置放生變化。本文主要關注擊發前1～2 s時間內瞄準線的變化，以射手瞄準目標中心為基準，PSD只測量瞄準線的變化。

結合PSD測得的瞄準線擾動數據，兩種擊發方式各選取一組典型的實彈射擊結果進行分析，其照片如圖8所示。

圖7　瞄準線擾動測試Fig.7 LOS disturbance test

圖8　實彈射擊照片Fig.8 Photos of shooting test

以靶標中心白色圓點為坐標原點，測得彈著點坐標，并計算射擊密集度半數散布圓半徑R50［9］，如表1所示。

由表1可知，手動擊發R50值為3.40 cm，電擊發為2.86 cm，電擊發的射擊密集度高于手動擊發的密集度。

表1　彈著點坐標Tab.1 Coordinates of impact points

表1中兩種擊發方式實驗中均有一發彈偏離其他4發彈，采用極值偏差法［9］，以顯著性水平α= 1%對其是否為反常彈進行判斷：手動擊發第5發彈的界限Q=9.16小于顯著性水平α=1%時的界限Qα=13.36，因此可確定此發彈不是反常結果，應保留；而電擊發第5發彈的界限為Q=13.60，大于顯著性水平α=1%時的界限Qα=13.36，因此該發彈為反常結果，應剔除。

剔除電擊發第5發彈后其R50值為1.02 cm，遠小于手動擊發R50值，電擊發的射擊密集度明顯高于手動擊發的密集度，與瞄準線擾動測試結果一致。因此，驗證了電動擊發裝置可明顯減少瞄準抖動，提高射擊精度的推斷。

3.2.2響應時間測試

由于求解非線性方程繁瑣，因此本文采用實驗測試方法獲得電擊發裝置的動態響應時間，即利用NI數據采集卡，同時采集電擊發通電信號及擊發振動信號，以允許擊發信號上升沿為開始基準，線圈開始通電，以加速度峰值表示擊發完成，測量電擊發響應時間，典型實驗測試結果如圖9所示，測試結果表明：電擊發裝置擊發響應時間約35 ms，遠快于手動擊發響應時間230 ms.

4　結論

針對手動擊發對瞄準線的擾動以及響應速度慢等不足，本文提出了一種新型步槍電動擊發裝置，采用了模塊化思想，保持了發射機原有的人機工效不變，實現了電動擊發與手動擊發功能相對獨立，建立了電擊發裝置的參數化模型，最后進行了實驗驗證。實驗測試結果表明：電動擊發裝置對瞄準線方位方向的擾動幅度降為手動擊發的1/5，可顯著降低擊發對瞄準線的擾動，提高射擊精度；電擊發響應時間約為35 ms，提高了狙擊步槍擊發的響應速度，準確把握擊發時機，為后續研究擊發時機決策問題奠定了基礎。該電擊發裝置不改變發射機零部件，易于將現有的步槍升級，在輕武器自動化、信息化方向上進行了積極的探索。此外，還可將該電擊發裝置應用于槍械、彈藥精度考核試驗，使考核結果更加客觀。

圖9　響應時間對比測試Fig.9 Response time test

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中圖分類號：TP273

文獻標志碼：A

文章編號：1000-1093（2016）06-1111-06

DOI：10.3969/j.issn.1000-1093.2016.06.020

收稿日期：2015-12-03

基金項目：武器裝備預先研究項目（40404110205）

作者簡介：劉華（1987—），男，博士研究生。E-mail：easygoingliuhua@sina.com；范大鵬（1964—），男，教授，博士生導師。E-mail：fdp@nudt.edu.cn

Design and Analysis of a Novel Electric Firing Mechanism for Sniper Rifles

LIU Hua1，FAN Da-peng1，LI Sheng-peng2，ZHOU Qing-kun1
（1.College of Mechatronic Engineering and Automation，National University of Defense Technology，Changsha 410073，Hunan，China；2.Hunan Zijiang Ordnance Industries Group Co.，Ltd，Yiyang 413000，Hunan，China）

Abstract：A novel electric firing mechanism which is imbedded in the rifle grip is proposed for the disturbance to line-of-sight（LOS）and low action speed caused by manual firing.The structure and operating principle of the electric firing mechanism are illustrated.A parametric model is established.The electromagnet force of the electric firing mechanism is simulated in COMSOL，and the disturbance to LOS and response time of the electric firing mechanism is tested.The result shows that the mechanism is capable of electrically firing，the azimuthal disturbance of electric firing to LOS is reduced to 1/5 of manual firing，and the response time is 35 ms，which is much faster than manual firing speed.The electric firing mechanism will be helpful to catch the firing time precisely.

Key words：ordnance science and technology；electric firing；electromagnet；response time；firing time；experimental test