基于ADAMS 机枪减后坐装置动力学仿真分析

金永灿，黄 晓，廖振强

(1.南京理工大学机械工程学院，南京 210094; 2.中国兵器工业第二〇八研究所，北京 100000)

近年来，随着计算机技术、多刚体动力学理论和柔性技术的迅猛发展，三维建模技术和虚拟样机技术也得到了较大的发展［1］。在武器设计过程中，后坐力大会使机枪振动加剧，发射状态难以控制，造成机枪的射击精度降低，也会使机枪系统质量加大，造成机枪的机动性变差，难以满足现代战争要求机枪快速机动的要求，因此减小武器后坐力，提高武器射击稳定性是自动武器发展中一项长期重要的研究课题。传统的反后坐技术主要有超长后坐、二维后坐、前冲式后坐等［2］，但这些反后坐技术均是通过改进枪炮内部结构来达到减后坐的效果，国内外专家一直致力于利用内能源减小枪炮后坐力，常见的利用内能源的减后坐结构是膛口制退器，但普通的膛口制退器效率不高。近年来，较为新颖的拉瓦尔喷管反推气流减后坐结构已被多国运用到多种武器上，例如，克罗地亚RH—Alan 公司于1990年制造的PT—20 型20 mm大口径狙击步枪就是运用此原理大大提高了减后坐效率［3］，目前国内对此方面的研究还比较少，本研究通过对某重机枪建模和动力学仿真分析，研究拉瓦尔喷管对机枪减后坐的影响，为改进重机枪系统射击性能提供参考。

1 物理模型

在拉瓦尔喷管减后坐结构武器的发射过程中，膛内的高温高压气体通过导气孔进入拉瓦尔喷管内，并经过尾喷管加速向后坐力方向高速喷出，由此产生的反推力抵消部分后坐力，以达到减后坐效果［4］，该结构简单，并可充分利用膛内燃气，其结构示意图如图1 所示。

图1 喷管气流反推式机枪物理模型

由于喷管在枪管上的位置不同，则膛内火药气体进入喷管的时刻不同，所产生的反推力也不相同，因此设计了不同进气口径d 的喷管，来探究喷管进气口的口径大小对气流反推力的影响。从而进一步进行仿真来研究对机枪系统后坐力的影响。由于若只在单侧安装喷管装置，会产生一定的翻转力，会影响机枪射击的稳定性，因此在基座两侧都安装了喷管装置，喷管结果示意图如图2 所示(α=30°)。

图2 喷管结构示意图

导气管的导气孔位置和喷管的导气孔位置标注如图3所示。明确导气管的导气孔位置和喷管的导气孔位置便于编写内弹道等相关程序，来生成膛压、导气室压力、弹丸初速以及喷管气流反推力等随时间的变化曲线。

2 火药气体压力计算

由于在枪管上添加了喷管装置，射击过程中火药气体压力会产生相应的变化。

2.1 内弹道时期基本方程

内弹道期间，由于部分火药燃气会从喷管流出，故内弹道时期基本方程修改为

式中:qmp为喷管秒流量

图3 导气管的导气孔位置和喷管的导气孔位置标注示意图

2.2 后效期时期的质量方程变为

式中qmk为膛口秒流量。

2.3 喷管气流反推力的计算

将膛内火药燃气经过喷管导气孔流入喷管，并从喷管喷口流出枪膛的过程认为是准一维非定常数学模型，为简化问题提出以下假设条件:

1)喷管内气流参数只与喷管导气孔轴向距离x 及时间t 有关，而与喷管导气孔径向距离无关。

2)喷管内壁气体的散热和摩擦满足雷诺比拟关系。

3)喷管内壁温度为一常量。

考虑散热、摩擦和喷管截面积变化的准一维非定常守恒方程组如式(1)所示

其中

则由动量定理导出气流反推力计算公式为

其中: ρe、ve、se和Pe为喷管喷口处气体的密度、速度、喷管喷口处截面积和压强;Pa为大气压强。

3 仿真结果分析

3.1 基座位置处的喷管结构类型

基座位置处两侧安装喷管装置，设计不同的堵头来控制喷管的导气孔大小和数量，在基座位置处喷管的类型参数如表1 所示。

表1 基座位置处喷管的类型参数

3.2 基座位置处各喷管类型的结果参数对比

运用Matlab 编程求解计算得到上述喷管类型的内弹道及后效期膛压曲线、导气室压力曲线［5］，同时算得喷管气流反推力和弹丸速度随时间的变化曲线。分别对比4 种不同喷管导气孔类型的膛压、导气室压力、弹丸速度以及喷管气流反推力随时间的变化曲线，从而分析不同类型参数理论上对减后坐的影响。对比情况分别如图4、图5、图6 和图7 所示。各类型的关键结果参数对比如表2 所示。

表2 基座位置处各结构类型的关键结果参数对比

图4 四种情况膛压对比曲线

图5 四种情况导气室压力对比曲线

图6 四种情况弹丸速度对比曲线

图7 四种情况气流反推力对比曲线

由表2 中数值及上述对比图可知，膛压峰值基本没有变化，但是由于安装了喷管，故膛内高温高压火药气体经喷管导气孔进入喷管内，所以膛压会有所下降，但各类型相差不大。同时喷管导气孔口径越大，导气室压力下降越多，弹丸初速越低，同口径下喷管数量越多导气室压力下降越多，弹丸初速越低。而进入喷管的火药气体越多则产生的气流反推力越大。

一般计算减后坐冲量效率的公式如式(2)所示。经计算在上述各喷管结构类型中，当喷管导气孔口径为5 mm，并且基座两侧共有4 个导气孔时减后坐效率最高，减小后坐冲量率为21.79%

式中:I 为改进前的机枪后坐冲量; I0为改进后的机枪后坐冲量。

3.3 动力学仿真及对比分析

选取计算得到的减后坐效率最好的情况，即喷管导气孔口径为5 mm，并且基座两侧各有两个导气孔的情况，建立模型，导入ADAMS 中［6］，仿真分析在基座位置处安装了喷管后的减后坐效果。机枪后坐力随时间的变化曲线如图8 所示，相应的后坐位移随时间的变化曲线如图9 所示。

图8 喷管安装在基座位置处的后坐力曲线

图9 喷管安装在基座位置处的后坐位移曲线

由图8 ～图9 可以看出，改进后的后坐力亦随时间规律变化，几发射击过程中检测到的后坐力最大值为2 847 N，最大后坐位移为6.02 mm。式(3)为减后坐力效率的计算公式，则此种情况下减小后坐力的效率为21.2%。

式中:F 为改进前的后坐力峰值;F0为改进后的后坐力峰值。

4 结论

本文将拉瓦尔喷管应用于机枪系统，以ADAMS 仿真软件为平台，建立了某通用机枪的虚拟实验，并分析了其运动情况，得出后坐力曲线和后坐位移曲线，通过对比可以看出，喷管的应用有效减小了后坐力，为研究机枪系统减后坐提供了参考依据。

［1］陈锦喜，王瑞林.基于ADAMS 的某榴弹发射器虚拟样机仿真及其动力学特性分析［J］. 军械工程学院学报，2007，19(6):42-45.

［2］谈乐斌，侯保林，陈卫民.降低火炮后坐力技术概述［J］.火炮发射与控制学报，2006(4):69-72.

［3］陈霞.克罗地亚“乎提炮”——RT- 20 大口径狙击步枪［J］.轻兵器，2009(5):34-36.

［4］翁春生. 计算内弹道学［M］. 北京:国防工业出版社，2006.

［5］金志明.枪炮内弹道学［M］.北京:北京理工大学出版社，2004.

［6］王亚平，赵军. 机枪刚柔耦合参数化仿真模型及应用［J］.系统仿真学报，2008，20(20):5722-5730.