榴弹机枪系统低后坐发射技术研究

摘要

文章以轻型三脚架支承射击的榴弹机枪系统为研究对象，以武器系统低后坐发射和射击密集度为核心研究内容，结合多体动力学理论、气体动力学理论、枪炮弹道学理论对榴弹机枪系统低后坐发射技术的发射机理、自动机动态特性、架座力与射击密集度的关键影响因素等方面展开研究工作。解决轻量化的榴弹机枪系统发射高速榴弹带来后坐力大、射击密集度差的问题。主要研究内容如下:
　　(1)设计采用导气-浮动枪管混合式低后坐发射技术的榴弹机枪方案。基于内弹道理论、枪炮气体动力学理论，建立考虑热量散失及枪管浮动影响的内弹道时期和后效期的气体动力学数学模型。利用多体动力学理论，建立综合考虑土壤弹塑性、架座-枪管柔性和拨弹阻力作用的高速榴弹机枪系统低后坐发射动力学刚柔耦合模型。根据建立的刚柔耦合多体动力学模型获得弹丸出膛口的起始扰动参数，结合外弹道计算模型，进行榴弹机枪系统射击密集度仿真分析。
　　(2)为了大幅降低榴弹机枪系统架座力、提高武器系统射击密集度，通过大量仿真模拟计算，分析采用导气-浮动枪管混合式低后坐发射技术的武器系统自动机动力学特性，给出架座力峰值的变化规律和膛口扰动特征量对射击密集度的敏感系数。围绕射击边界条件、浮动装置结构参数、枪械结构参数、导气装置结构参数对自动机运动特征量、架座力及射击密集度的影响展开分析研究，给出实现武器低后坐高精度发射的参数调整范围。
　　(3)针对单药室后喷低后坐技术发射过程中弹丸初速衰减严重、减后坐效率低的缺点，提出双药室后喷低后坐发射方案。基于内弹道学理论、超音速气体动力学理论，建立包含后药室、前药室、喷管、导气室四个计算区域的一维非定常气动数学计算模型，解决四个区域耦合求解的难题，为双药室后喷低后坐技术提供理论基础。
　　(4)分析双药室后喷低后坐武器各气室之间气流压力变化规律，讨论喷管内气流压力、温度、密度、速度在管内分布情况和气流特征参数随时间变化规律，揭示双药室气流后喷减后坐机理。研究单药室后喷装置喷管开孔位置、双药室后喷装置结构参数对减后坐效率、弹丸初速的影响规律。建立采用双药室后喷低后坐发射技术的武器系统发射动力学模型，研究双药室后喷装置结构参数对喷管气流反推力、自动机动力学特性、架座力和射击密集度影响规律。
　　(5)权衡导气-浮动枪管低后坐技术与双药室后喷低后坐技术的优缺点，将上述两种低后坐发射技术同时应用于高速榴弹机枪系统。建立采用枪管浮动和双药室后喷低后坐发射技术的武器系统刚柔耦合发射动力学模型。通过仿真计算，研究自动机关键结构参数对武器系统自动机运动特征量、架座力、射击密集度的影响规律，确定实现武器系统低后坐高精度发射的结构参数取值范围。
　　(6)结合本文所研究内容，设计试验总体方案，分别对高速榴弹机枪系统的弹丸初速、自动机运动特征量、武器系统后坐力、膛压、后药室及喷管气室气体压力、射弹散布进行测试研究。将仿真模型计算结果与试验结果进行对比，仿真结果与实测数据基本符合，验证了文中建立的武器系统内弹道计算模型、射击密集度计算模型、双药室后喷数学计算模型、榴弹机枪系统刚柔耦合发射动力学仿真模型的正确性。
　　通过上述关键问题的研究，本文最终形成一整套适应新型榴弹机枪的研究方法，为我国新一代高初速、高精度、低后坐、轻量化的榴弹机枪系统的研制提供技术支撑。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景与意义

1．2 国内外研究概述

1．2．1 榴弹机枪研究现状及发展趋势

1．2．2 低后坐发射技术概述

1．2．3 枪炮发射动力学研究现状

1．3 本文的主要工作

2 导气-浮动枪管低后坐榴弹机枪系统发射动力学建模

2．1 引言

2．2 多体系统动力学建模理论

2．2．1 多刚体系统动力学理论基础

2．2．2 多柔体系统动力学理论基础

2．3 导气-浮动枪管混合式低后坐发射动力学模型构建

2．3．1 榴弹机枪系统工作原理

2．3．2 榴弹机枪系统发射动力学模型简化及假设

2．3．3 榴弹机枪系统刚柔耦合发射动力学建模

2．4 载荷施加及特殊边界条件的处理

2．4．1 膛压和导气室压力计算

2．4．2 抽壳阻力计算

2．4．3 拨弹阻力计算

2．4．4 膛口制退力计算

2．4．5 土壤边界条件

2．4．6 射手边界条件

2．5 射击密集度计算模型

2．5．1 射击密集度的形成原因

2．5．2 武器系统外弹道计算模型

2．5．3 武器系统射击密集度计算方法

2．6 模型验证及分析

2．6．1 榴弹机枪多刚体动力学模型验证及分析

2．6．2 榴弹机枪系统刚柔耦合发射动力学模型验证及分析

2．7 本章小结

3 导气-浮动枪管低后坐榴弹机枪系统发射性能影响分析

3．1 引言

3．2．1 榴弹机枪系统固有频率和模态分析

3．2．2 连发射击自动机动力学特性分析

3．2．3 架座力影响因素分析

3．2．4 射击密集度影响因素分析

3．3 射击边界条件对武器发射性能的影响分析

3．3．1 山地坡角

3．3．2 土壤特性

3．3．3 射手参数

3．4 浮动装置结构参数对武器发射性能的影响分析

3．4．1 浮动行程

3．4．2 浮动簧刚度

3．4．3 浮动簧预压力

3．4．4 浮动解锁位置

3．5 枪械机构质量对武器发射性能的影响分析

3．5．1 枪管质量

3．5．2 机框质量

3．5．3 制退器质量

3．6 导气装置结构参数对武器发射性能的影响分析

3．6．1 导气孔位置

3．6．2 导气孔直径

3．6．3 导气室初始容积

3．7 两种武器发射性能对比分析

3．8 本章小结

4 双药室后喷低后坐发射技术内弹道机理分析

4．1 引言

4．2 单药室后喷低后坐发射技术内弹道流体力学建模及分析

4．2．1 物理模型

4．2．2 数学模型

4．2．3 单药室后喷低后坐内弹道发射性能分析

4．2．4 单药室后喷喷管位置对武器发射性能的影响

4．3 双药室后喷低后坐发射技术内弹道流体力学建模

4．3．1 物理模型

4．3．2 数学模型

4．3．3 双药室后喷减后坐效率及喷管气流反推力计算

4．4 双药室后喷低后坐发射技术发射性能分析

4．4．1 双药室后喷低后坐气体压力分析及模型验证

4．4．2 双药室后喷装置气流参数的分布情况

4．4．3 双药室后喷装置结构参数对武器发射性能的影响

4．5 本章小结

5 双药室后喷低后坐榴弹机枪系统发射动力学研究

5．1 引言

5．2 采用双药室后喷低后坐技术武器发射动力学建模与分析

5．2．1 双药室后喷低后坐自动机工作原理

5．2．2 工作载荷与射击边界条件

5．2．3 双药室后喷低后坐发射仿真分析

5．3 双药室后喷装置结构参数对武器发射性能影响分析

5．3．1 后药室装药量

5．3．2 喷管导气孔直径

5．3．3 喷管喉径

5．3．4 喷管扩张比

5．3．5 喷管扩张角

5．4 单药室后喷武器与双药室后喷武器发射性能对比分析

5．4．1 单药室后喷低后坐榴弹机枪系统发射动力学研究

5．4．2 两种喷管武器发射性能对比分析

5．5 本章小结

6 浮动枪管-双药室后喷低后坐榴弹机枪系统发射动力学研究

6．1 引言

6．2．1 浮动枪管-双药室后喷低后坐自动机工作原理

6．2．2 膛内与喷管内气体计算模型

6．2．3 膛内与喷管内气流参数分析

6．2．4 浮动枪管-双药室后喷低后坐发射过程仿真分析

6．3 浮动装置结构参数对武器发射性能影响分析

6．3．1 浮动行程

6．3．2 浮动簧刚度

6．3．3 浮动簧预压力

6．4 双药室后喷装置结构参数对武器发射性能影响分析

6．4．1 后药室装药量

6．4．2 喷管导气孔直径

6．4．3 喷管喉径

6．5 四种发射方式武器发射性能对比分析

6．6 本章小结

7 榴弹机枪低后坐发射系统试验研究

7．1 引言

7．2 试验方案总体设计

7．3 试验测试方法

7．3．1 弹丸初速测试方法

7．3．2 自动机速度测试方法

7．3．3 压力参数测试方法

7．3．4 后坐力测试方法

7．4 实验结果分析

7．4．1 榴弹机枪系统弹丸初速及压力参数实验结果分析

7．4．2 榴弹机枪系统自动机运动特征量实验结果分析

7．4．3 榴弹机枪系统后坐力实验结果分析

7．4．4 榴弹机枪系统射弹散布实验结果分析

7．5 本章小结

8 结束语

8．1 全文总结

8．2 论文的主要创新点

8．3 工作展望

致谢

参考文献

附录