轉(zhuǎn)管火炮炮口擾動(dòng)對(duì)射擊密集度的影響分析

謝 鋒，魏立新，朱延飛，賀奇龍

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

密集度是火炮主要的戰(zhàn)技性能指標(biāo)之一，密集度越好，擊毀目標(biāo)所消耗的彈藥量越少。影響密集度的因素很多，主要與火炮自身的彈道與結(jié)構(gòu)性振動(dòng)情況有關(guān)。以轉(zhuǎn)管火炮為例，火炮結(jié)構(gòu)剛度、射擊振動(dòng)、控制系統(tǒng)、彈藥生產(chǎn)加工一致性、發(fā)射平臺(tái)以及作戰(zhàn)環(huán)境等都對(duì)密集度會(huì)產(chǎn)生影響。轉(zhuǎn)管火炮由于射擊時(shí)身管組有圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 產(chǎn)生的不平衡慣性力和支撐身管組的炮箱與卡箍的剛性等對(duì)轉(zhuǎn)管武器的振動(dòng)特性也會(huì)產(chǎn)生影響, 特別是振動(dòng)對(duì)炮口擾動(dòng)的影響, 會(huì)引起射擊密集度變大.因此, 轉(zhuǎn)管火炮的炮口擾動(dòng)研究對(duì)提高轉(zhuǎn)管火炮射擊密集度有重要意義。

1 立靶密集度

經(jīng)過長期的理論和實(shí)踐證明，轉(zhuǎn)管火炮的旋轉(zhuǎn)與振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響到轉(zhuǎn)管火炮系統(tǒng)的射擊精度。炮彈在身管膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)的過程中，受到膛壓的變化和火炮身管振動(dòng)的影響，引起炮口擾動(dòng)，這樣就會(huì)導(dǎo)致每一發(fā)彈丸在出炮口的瞬間位置都不一樣，從而引起轉(zhuǎn)管火炮的彈丸散布變大，影響射擊密集度。

立靶密集度是指在一定距離上通過某種測(cè)量方法求得火炮射擊時(shí)彈丸在立靶面上的密集程度，常用立靶密集度來反映火炮的射擊精度，所以它是衡量火炮射擊精度性能的主要戰(zhàn)技術(shù)指標(biāo)。密集度受偶然誤差的影響，偶然誤差是以火炮的設(shè)計(jì)制造有關(guān)的，所以仿真分析只能判斷射擊密集度的好壞，在此只對(duì)射擊密集度進(jìn)行分析研究。

工程上，常用方位中間偏差Ex和高低中間偏差Ey來表示立靶射擊密集度。具體計(jì)算方法如下：

方位中間偏差Ex公式為：

式中：Ex為方位中間偏差，m；xi為方位散布坐標(biāo)，m；為方位散布坐標(biāo)平均值，；n為射彈總數(shù)。

高低中間偏差Ey公式為：

式中：Ey為高低中間偏差，m；yi為高低散布坐標(biāo)，m；為高低散布坐標(biāo)平均值，；n為射彈總數(shù)。

在實(shí)際應(yīng)用中，通常用中間誤差除以靶距L，立靶密集度利用角度的形式來表達(dá)，即方位立靶密集度：rad；高低立靶密集度：，rad。

2 炮口振動(dòng)響應(yīng)分析

轉(zhuǎn)管火炮在不同結(jié)構(gòu)形式、不同發(fā)射率下，對(duì)射擊激勵(lì)響應(yīng)也不同，且發(fā)射率對(duì)火炮振動(dòng)的固有頻率影響較大。對(duì)于某一轉(zhuǎn)管火炮而言，在一定發(fā)射率下振動(dòng)固有頻率是一個(gè)定值，所以激勵(lì)的輸出響應(yīng)也是相同的。本文轉(zhuǎn)管火炮以發(fā)射率4 000發(fā)/min，對(duì)轉(zhuǎn)管火炮連續(xù)射擊100發(fā)進(jìn)行仿真分析，得出彈丸出炮口瞬間的線位移、線速度以及角位移變化曲線。

2.1 炮口點(diǎn)水平方向振動(dòng)分析

由圖1可以得出，炮口點(diǎn)水平方向的振動(dòng)在初始啟動(dòng)發(fā)射率上升階段振動(dòng)位移波動(dòng)較大，振幅變化量最大達(dá)1.53 mm，發(fā)射率穩(wěn)定后移位一致性好且變小；由圖2可以得出，炮口點(diǎn)水平方向的振動(dòng)線速度振幅變化量最大值為2.15 m/s；由圖3可以得出，炮口點(diǎn)水平方向的振動(dòng)角位移振幅變化量最大值為0.008 8 deg。

圖1 炮口水平方向振動(dòng)線位移曲線Fig.1 Linear displacement curve of muzzle transverse vibration

圖2 炮口水平方向振動(dòng)線速度曲線Fig.2 Linear velocity curve of muzzle transverse vibration

圖3 炮口水平方向振動(dòng)角度曲線Fig.3 Angle curve of muzzle transverse vibration

2.2 炮口點(diǎn)垂直方向振動(dòng)分析

由圖4可以得出，炮口點(diǎn)垂直方向的振動(dòng)在初始啟動(dòng)發(fā)射率上升階段振動(dòng)位移波動(dòng)較大，振幅變化量最大達(dá)3.86 mm，發(fā)射率穩(wěn)定后移位一致性好且變小；由圖5可以得出，炮口點(diǎn)垂直方向的振動(dòng)線速度振幅變化量最大值為4.15 m/s；由圖6可以得出，炮口點(diǎn)垂直方向的振動(dòng)角位移振幅變化量最大值為0.011 4 deg。

通過計(jì)算每發(fā)彈丸出炮口的時(shí)間，計(jì)算得到每發(fā)彈丸在此刻的振動(dòng)線位移、線速度以及角度。從而求得每發(fā)彈丸在炮口處膛口中心相對(duì)膛底中心振動(dòng)位移的坐標(biāo)值。

圖4 炮口垂直方向振動(dòng)線位移曲線Fig.4 Linear displacement curve of muzzle lengthways vibration

圖5 炮口垂直方向振動(dòng)線速度曲線Fig.5 Linear velocity curve of muzzle lengthways vibration

圖6 炮口垂直方向振動(dòng)角度曲線Fig.6 Angle curve of muzzle lengthways vibration

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)置初始條件為：立靶距離200 m，彈丸初速為890 m/s。將每次火炮發(fā)射時(shí)炮口擾動(dòng)的位移值代入外彈道計(jì)算軟件中，可以得到100連發(fā)的立靶坐標(biāo)值。

圖7 炮口處膛口中心相對(duì)膛底中心的振動(dòng)位移Fig.7 Vibration displacement of muzzle center relative to chamber center

由圖8可以看出：有2發(fā)彈的位置偏差比較大，絕大部分彈位置相對(duì)集中。根據(jù)立靶坐標(biāo)值的數(shù)據(jù)利用方位和高低立靶密集度公式求得方位立靶密集度為0.58 mrad，高低立靶密集度為0.43 mrad，結(jié)果良好。由此可以看出轉(zhuǎn)管火炮射擊穩(wěn)定，振動(dòng)對(duì)立靶密集度影響較小，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

圖8 轉(zhuǎn)管火炮 100 連發(fā)立靶密集度Fig.8 Firing density of 100 rds repeating gatling gun

3 結(jié) 語

炮口振動(dòng)是引起炮口擾動(dòng)的主要原因，進(jìn)而又影響轉(zhuǎn)管火炮射擊密集度。本文對(duì)一定的研究對(duì)象先進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，得出了炮口點(diǎn)的位移和速度，進(jìn)而代入外彈道計(jì)算軟件中，得出200 m處立靶密集度，雖然仿真得出的立靶密集度較小，滿足轉(zhuǎn)管火炮規(guī)定的指標(biāo)技術(shù)要求，但是通過分析可以得出結(jié)論如下：

1）通過仿真分析可得炮口振動(dòng)固有頻率，如果固有頻率與轉(zhuǎn)管火炮發(fā)射率相同時(shí)，會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，隨著射彈發(fā)數(shù)的增加，射擊時(shí)間的持續(xù)，炮口振動(dòng)位移將逐漸變大，導(dǎo)致較大的射擊密集度，所以在進(jìn)行轉(zhuǎn)管火炮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要避開共振頻率，達(dá)到振動(dòng)固有頻率和發(fā)射率的良好匹配。

2）為了減少振動(dòng)位移，需要增加轉(zhuǎn)管炮自動(dòng)機(jī)本身和與其配合的搖架、回轉(zhuǎn)前支撐等零部件的裝配間隙，提高轉(zhuǎn)管炮的剛性。

3）加強(qiáng)身管和搖架的自身剛度，也可降低振動(dòng)的影響。

4）提高轉(zhuǎn)管火炮控制系統(tǒng)的性能與隨動(dòng)精度，也可提高射擊密集度。