轉管武器雙管發射方式研究

張 瑜，張鵬軍，廖彩紅，余朝發

(1.中北大學 機電工程學院， 太原 030051；2.中國華陰兵器試驗中心 教導隊技能培訓隊， 陜西 華陰 714200;3.陸軍工程大學軍械士官學校， 武漢 430000)

轉管武器具有高射速、強火力、高可靠性等特點，可在短時間內發射大量彈丸形成密集彈幕，對敵襲目標進行火力壓制并實施有效毀傷，因此被廣泛應用于海、陸、空作戰平臺。按照驅動方式，轉管武器可分為外能源轉管武器和內能源轉管武器。以美國為代表的轉管武器，以外能源為主，如M61型20 mm火神機關炮；而俄羅斯的轉管武器，以內能源為主，如Gsh-6-23M。

轉管武器由多根身管在圓周方向均勻排布形成身管組，并固定在一個機匣上[1]。轉管武器工作時，通過外能源或內能源驅動，身管和機匣高速旋轉，身管每旋轉至擊發點時進行一次發射，對于傳統轉管武器，射擊過程中都是單管射擊。發射過程中，身管受到火藥氣體作用，不僅會產生后坐力，還會使身管扭轉的力矩[2]，且轉管武器射頻越高，發射時身管受到的力矩越大，從而身管口變形量越大。

因此提出了一種雙管發射的射擊方案，對比單管發射的轉管武器，該種新式發射方式采用雙路供彈、兩點擊發的射擊方式，處于發射狀態的兩根身管上下或左右受力對稱，兩身管受到的力矩互相抵消，從而減小身管變形產生的射擊散布，可有效提高武器射擊精度。

1 轉管武器受力分析

以四管轉管武器為例，討論轉管武器發射過程中身管組受力情況。轉管武器發射過程中，處于發射狀態的身管受到火藥氣體的作用力F，受力方向沿身管軸向向后，身管組支撐點為O，受力情況如圖1所示。將身管組受力對中心軸轉換，受力情況如圖2所示。

1.架座; 2.身管組

圖2 身管受力對O點轉化

對處于發射狀態的單根身管受力分析如圖3所示，由圖可知，由于火藥氣體作用，身管受到向后的力F，同時還受到力矩FR的作用，該力矩使轉管武器身管相對中心軸線發生偏移。由于F由彈膛壓力決定，同一轉管武器配置彈種不變的情況下，彈底壓力不變，則身管受力F保持不變；R由機心組公轉半徑決定，則R也可視為保持不變，由此可知影響身管偏移量大小的主要因素為力矩FR。

如圖3，身管組部分長度為a，對中心軸的慣性力矩EI；架座部分長度為b，對中心軸的慣性力矩為EI1，發射彈丸時，身管與架座結合處受到力矩FR的作用，使得身管左邊部分發生微量變形，相對位置升高。身管變形示意圖如圖4所示。

圖3 身管架座圖

圖4 身管架座在力矩FR和力F作用下變形

由圖可知，在第一支點處由FR引起的身管變形產生的張角θ1為[3]：

(1)

最大撓度點為第一支點和第二支點之間的中點b/2處，最大撓度表示為：

(2)

由式(1)與式(2)可以看出，增大EI1，縮短b值，不僅可以減小θ1的值，還可以減小最大撓度fmax。同時由式(1)可知，如果不考慮重力，那么身管組因變形產生的張角即為θ1，第一支點偏離原軸線的距離為：

x=atanθ1

(3)

該值即為轉管武器發射時身管的基本偏量[4]，b是與初速有關的量，當轉管武器所配置的彈種不變的情況下，彈丸的初速不變，則b為定值，因此想要減小x的數值，只能通過減小θ1實現。

由圖4可知，身管組受到力矩FR作用，身管前段會產生小幅度向上的偏移，造成實際彈著點和瞄準方向之間的偏差。隨著發射速度的增加，FR不斷作用在身管上造成身管前段偏移，使得轉管武器的射擊散布增加，影響武器射擊精度。

選擇轉管武器身管數為偶數，并使用雙路供彈、兩點擊發的發射方式，轉管武器工作時，處于發射狀態的對稱兩管產生的大小相同方向相反的力矩相互平衡，減小身管變形，修正因FR引起身管偏移所造成射擊偏差，從而提高轉管武器的射擊精度[5-7]。

以4管轉管機槍為例，如圖5所示，4根身管分2組，一組左側身管進彈，正上方身管處于發射狀態；而另一組右側身管進彈，下方身管處于發射狀態。該情況下，身管組對稱布置。處于發射狀態的兩個身管受到火藥氣體的作用力大小均為F，方向沿身管軸線向后，兩根身管受力向O點轉化，則可等效為身管組受到大小為2F，方向沿軸線向后的力，如圖6所示。此時身管組中處于發射狀態的兩管產生的扭矩相互平衡，身管沒有擺動情況，有利于提高射擊效力[5-6]。

圖5 新式雙管發射轉管武器發射方式

圖6 新式雙管發射轉管武器身管受力對中心轉化

2 M134轉管機槍仿真分析

美國M134型六管加特林速射機槍又稱“迷你炮(Minigun)”，是以M61型20 mm航炮為基礎研制的，其最高射速可達6 000發/min，采用北約組織的7.62×51 mm口徑標準彈藥[8-10]，如圖7所示。M134可裝備在海軍軍艦、陸軍裝甲車及空軍武裝直升機、攻擊機等平臺上。M134的相關參數見表1所示。

圖7 美軍M134轉管機槍

參數數據整槍質量15.9 kg(不含驅動電機及供彈機)槍長801.6 mm槍管長559 mm膛線4條纏距254 mm彈頭質量9.75 g理論射速6 000發/min初速838 m/s最大膛壓345 MPa有效射程800 m誤差800 m誤差0.2～0.8 m5 000 m誤差1.5～3 m

M134轉管機槍射頻可達6 000發/min，當轉管機槍發射時，身管組高速旋轉，槍管受到力矩FR的作用會發生變形，導致槍口位置偏離中心軸，從而增大射擊散布。對于低速體積大的目標，高射速、強火力可彌補射擊精度的不足，但對于高速度、小體積目標，射擊散布增大將會使轉管武器對目標的命中概率極大減小。以M134為研究對象，根據以上參數，使用UG進行三維建模，畫出M134的槍管和架座模型如圖8所示。

圖8 M134槍管和架座三維模型

北約組織的7.62 mm口徑的標準彈藥參考文獻[10]中所給參數。根據式(4)所示的內彈道方程，得到發射過程中M134轉管機槍的內彈道壓力曲線如圖9所示，可以得出，彈丸在出槍口時的彈底壓力P=73 MPa。

(4)

圖9 M134內彈道壓力曲線

對于M134機槍，其身管數為6管，采用新的供彈方式，即左右兩管同時供彈，上下兩管同時發射，如果保持射頻 6 000發/min不變，則身管組轉速從原有的1 000轉/min降低為500轉/min；若保持身管組轉速不變，則轉管機槍射頻可由6 000發/min上升至12 000發/min。考慮射頻提高武器機構碰撞增多，會對轉管武器可靠性產生影響，因此，身管組轉速設置為500轉/min，在保持轉管機槍原有6 000發/min射頻的同時，可減少供彈機構的碰撞，對武器可靠性有利。

分別對傳統方式的單管發射及新供彈方式的對稱上下兩管同時發射情況下M134轉管機槍的發射過程進行動力學仿真，分析射擊過程中身管局部位移及身管相對中心軸的速度。將模型導入ANSYS仿真軟件，設置轉管機槍發射時的膛內壓力及身管沿中心軸轉動速度，經過ANSYS Workbench的處理[11-13]，動力學仿真結果如圖10～圖13所示所示。

圖10 傳統單管射擊時身管局部位移

圖11 傳統單管射擊時身管相對速度

圖12 雙管發射方式射擊的身管局部位移

圖13 雙管發射方式射擊的身管相對速度

根據以上仿真可知，對比傳統單管射擊方式，采用雙管發射方式射擊時因發射兩管對稱布置，由彈丸發射的后坐力產生的扭矩互相平衡，各身管的局部位移及身管相對速度相對中心軸對稱。對比圖10與圖12可知，采用傳統單管發射方式，處于發射狀態的身管口位移最大為0.094 187 mm，而采用雙路供彈雙管發射方式射擊時，因處于發射狀態的兩管相對中心軸對稱布置，產生大小相等方向相等的扭矩互相平衡，身管口因扭矩產生的位移幾乎為零,遠小于傳統單管發射。另外，采用單管發射方式時，身管部最大位移為0.094 187 mm，而采用雙管發射方式時身管部最大位移為 0.241 93 mm，這是因為采用雙管發射時身管組因火藥氣體產生的后坐力，所受載荷變為單管發射時的兩倍，因此雙管發射時身管部位移大于單管發射。

對比圖11與圖13，采用單管發射時，身管口相對身管組軸線最大相對速度為13.534 mm/s，身管部最大相對速度為60.896 mm/s；采用雙路供彈雙管發射方式射擊時，身管口最大相對速度為零,而因雙管發射受到雙倍載荷，其身管部相對身管組軸線最大相對速度為152.34 mm/s。由上可知，雖然單管發射時身管部分相對速度小于雙管發射，但對于管口部分，采用雙路供彈雙管發射時管口速度小于單管發射。

由上述仿真可知，當射頻設定為6 000發/min時，采用單管發射方式身管口偏轉角約為2.005 8°，身管組實際轉速為1 000轉/分，雙管發射方式身管口偏轉角近似為零，身管組實際轉速為500轉/min。則對上述兩種情況進行密集度仿真如圖14與圖15所示。

圖14 單管發射立靶密集度仿真圖

圖15 雙管發射立靶密集度仿真圖

對比圖14與圖15，單管發射時身管組實際轉速是雙管發射的兩倍，且存在身管口偏移，因此彈丸在立靶上向右上偏移，而雙管發射因采用上下兩管同時發射，彈丸出槍口時上下兩管受到的擾動方向相反，因此彈丸沿軸線向兩端偏移。對比可知，采用雙管發射時彈丸散布更小，因此結合動力學仿真及立靶密集度仿真分析可知，從提高轉管武器射擊精度來看，采用雙管發射的射擊方式時，雖然身管整體變形及相對速度要大，但身管口變形量及相對速度更小，因此射擊精度更好，對比傳統單管發射方式更占優勢[14-17]。

3 結論

1) 相較于單數管，偶數管(4,6,8,10)的轉管武器實現對稱的雙路供彈、兩管發射方式，發射過程中身管組徑向扭矩相互抵消，身管口變形量及速度更小，從而射擊散布更小，對提高轉管武器射擊精度更有利[18]。

2) 在高射頻工作條件下，為保持規定轉管武器的射速，左右或者上下供彈可以令身管組轉速變為原轉速的1/2，在保持原火力的同時，有效減小供彈機構的碰撞，提高機構可靠性，較傳統的單管射擊方式優越。

因此，對于高射頻、超高射頻轉管武器，采用雙路供彈、雙管發射方式可在提高武器可靠性的同時提高武器的射擊精度，對于提升武器整體性能更有利。