写论文

某转管武器设计

1引言

1.1转管武器的研制背景

海湾战争以来，特别是进入21世纪后的几场高技术条件下的局部战争，大大改变了传统战争面貌，向人们展示了一种全新的战争形式：信息化条件下外科手术式精确打击、由海向陆、跳跃攻击、海陆空天一体化。现代战争所呈现出的双方多层次，多方位的综合对抗局面表明，谁能掌握制空权和制信息权谁就能掌握战场的主动权，并最终赢得战争。战争一开始、地面雷达阵地、防空阵地、导弹阵地、机场、指挥中心、军事基地、港口、电站、交通枢纽等重要军事目标就将承受敌方的首轮波次打击，战场的分布从太空到高空、中空、低空一直延伸到超低空，这也使我国未来防空能力建设及相关武器装备的研制面临严峻挑战。

小口径火炮用于近程低空防空反导对付高速机动小型目标，对其射速、精度、可靠性、快速反应能力等都有很高的要求。由于来袭目标的命中面积小、速度快、甚至机动变轨，而且小口径火炮的有效射程较近，所以要达到较高的作战效能，就要求小口径火炮系统要有极快的反应能力，很高的可靠性，良好的射击精度，而且要有很高的射速，使得在一次拦截射击中形成密集的火力网，以获得高的累积命中概率。在同样的精度和打击区域内，射速越高，单位时间发射的弹药就越多，火力密度就越高，命中毁伤目标的概率就越高。所以说射速是近程防空反导火炮的一项十分重要的战术技术指标。

转管炮作为一种近程防空反导武器系统，它具有初速高、射速高、命中精度和毁伤概率高、快速反应能力和抗干扰能力强、极高的可靠性，机动性能好等突出优点。在对付3000米以内的近距目标，特别是超低空目标时，其作战效能通常要优于其它武器系统。此外小口径火炮在技术上比较成熟，使用成本较低，后勤维护保养较为方便。所以转管炮是一种较为理想的近程防空反导武器系统。

1.2转管武器的发展状况

世界上第一支成功的转管武器是由美国人理查·乔登·加特林在1860年设计的手动型多管机关枪，是第一种实用化的机枪。1862年11月4日，加特林获得转管机枪的专利，其中包括了两点转管机枪所共有的设计特点声明：一个提供锁膛的内有击针的圆柱旋转体，与枪管一起旋转；每根枪管都有独立的击针。这使得以后所有与加特林机枪相似的设计都不能再获得专利。1862型加特林转管机枪一开始使用的是独立的钢制弹膛（弹膛与枪管分离），它的尾部封闭并装有撞击火帽。后来加特林将独立的弹膛与枪管合二为一，开发了性能有显著改善的1865年模型，这个模型成为后来转管武器的蓝本。美国军队在1866年将其正式列入制式装备。这种武器一经推出就引起了当时世界各国军队的注意，在传入中国后于1881年开始大规模仿造，先后配备给晚清北洋陆军及北洋水师。

后来由于马克沁机枪等的出现，加特林机枪一度受到军方的冷落。1945年，专门成立的研究小组在美国陆军的建议下对加特林机枪的机动性和可靠性进一步进行研究。1946年，约翰逊上校建议将外动力驱动的加特林机枪系统用作航空机枪。美国空军和陆军装备部随即制定了联合计划，其中包括生产航空转管武器的“火神计划”,通用电器公司获得了该研制合同。1956年，代号为T-171的20毫米转管炮被美国空军和陆军定型为M61型，并且批量生产订购，成为美国航空史上应用最多的一种航炮。美国无疑是二战后最早重视研制转管武器的国家。M61“火神”机炮研制成功后，转管武器又一次出现在美国军队装备中，成为瞩目的焦点，引发了世界各国对转管武器的兴趣。在随后的几十年中，美国通用电气公司在M61型20毫米6管转管航炮的基础上，又先后研制了口径为5.56、7.62、12.7、20、25和30毫米，身管数目为3、4、5、6、7一系列的转管武器，并广泛应用于飞机、舰艇和装甲车。比较有代表性的有M61型20毫米6管转管炮，M134“米尼岗”6管7.62mm转管机枪，GAU-8/A型7管30mm转管航炮等。M61型20毫米6管机炮射速高、威力大、寿命长的优点为后来转管武器的发展打下了坚实的基础。

俄罗斯自1981年首次推出12.7毫米自身能源4管转管机枪以来，也陆续推出了一系列的转管武器。其中前苏联努德尔曼－卡拉什尼科夫设计局根据美国M61型20毫米6管转管航炮和西方国家其它相关技术资料，于1976年研制成功加特林式Gsh-6-23型23毫米6管转管航炮，初速为690米/秒，射速达到了5000发/分。同时，该设计局参考美国M61A1火神航炮研制设计的Gsh-6-30型30毫米6管转管航炮射速也达到了5000发/分，初速较Gsh-6-23大大提高，达到了850米/秒，目前装备在俄罗斯的米格-27/29和苏-25等战斗机上。俄罗斯（包括前苏联）研制装备的转管武器包括曾经装备在米格-21上的Gsh-23L（射速为3500发/分）、Gsh-2-23（射速为4500发/分）、Gsh2-30/L/K、Gsh-2-30以及Gsh-6-23M等。据报道，俄罗斯的Gsh-6-23M的射速高达10000发/分，装备在俄罗斯性能先进的米格-31战斗机上。

除美国和俄罗斯外，也有其他一些国家研制成功或正在研制本国转管机枪（炮），如法国的SATAN-30型7管30毫米转管机炮、SGE-30型7管30毫米机炮，我国的623、630、730等。这些转管武器无一例外的都采用加特林原理，使加特林转管武器家族更为兴旺。

转管武器根据能量利用方式的不同可分为外能源转管武器和内能源转管武器，美国的转管武器以外能源为主，俄罗斯的则以内能源为主，并且他们各有自己的特色。美国的转管武器一般都初速较高，有的可以达到1000m/s以上，但射速不高，一般不超过6000发/分。俄罗斯的转管武器一般射速高，例如Gsh-6-23M射速高达10000发/分，但初速较低，一般为700m/s到900m/s左右。

1.2.1转管武器的结构及工作原理

转管武器由行星体、机心、身管、炮箱、供弹机、缓冲器，驱动装置和炮架等主要零部件组成。转管武器是将多根身管（一般为3到7根）在圆周方向均匀排列，并固定在一个机心匣上，每根身管配有一套机心（闭锁机），机心位于机心匣的纵向导槽内，身管组共用一个进弹机和抛壳器。机心匣和身管组组成一体，通过前后轴承支撑于炮箱内，炮箱通过前后支点固定在炮架上。工作时，身管和机心匣由外部能源或自身能源驱动进行旋转。每个机心上方有滚轮与炮箱内的螺旋曲线槽相配合，机心随着行星体旋转的同时，机心滚轮就在曲线槽的作用下带动机心在行星体的纵向导槽内作前后往复运动，借以完成装填、闭锁、击发、退壳等自动动作，完成自动机的射击循环工作，机心的运动规律受炮箱螺旋曲线槽控制。工作原理如图1所示，结构图如图2所示。

1-枪管；2-曲线槽；3-前拨弹轮；4-后拨弹轮；5-进弹机构；6-电机。

图1 外能源转管武器工作原理图

图2 转管武器内部结构图

1.2.2转管武器的优缺点

优点：

(1) 射速高。对于外能源转管武器其射速可调，对于空地兼用的武器，可调射速意义很大。

(2) 结构紧凑，质量相对较轻，体积较小。

(3) 工作可靠，机构协调紧密，不易出故障，转管武器不受“瞎火弹”限制。此类武器故障率只有万分之几，较单管后退、气推式武器的故障率低一个数量级。

(4) 寿命长，多个炮管和机芯共同承受射弹总发数，可比单管炮成倍的提高寿命。

缺点：

(1) 存在迟发火的危险。由于炮管机心匣旋转操纵射击，闭锁、开膛的时间是一定的，但由于火药受潮等原因可能使发火时间推迟，二者存在不协调可能，即开膛后才发火，必然形成炸膛事故。

(2) 弹道质量较差。由于炮管高速旋转，弹丸散布较大。

(3) 质量集中，外场维护不便。

(4) 对于外能源转管武器必须有一套稳定的能源设备，增加了载体的负担。

几种转管武器的主要性能如表1所示。

表1 几种转管武器的主要性能

2总体方案论证

2.1驱动方式的选择

多管转管型小口径速射火炮根据其驱动方式可以分为外能源转管炮和内能源转管炮。外能源转管炮射击时靠外置的驱动装置来带动行星体旋转，机心在炮箱凸轮曲线槽的约束下在行星体的纵向导槽内作直线运动，以完成供弹、击发、抽壳等自动动作。内能源转管炮也称之为导气式转管炮，它在连续射击时是靠从炮管导出的火药燃气驱动行星体连续转动的。内能源转管炮还要设置首发启动和停射后再启动装置。内能源转管炮由于其转动能量主要来自于发射药，所以其射速性能受弹药弹道性能的影响较大，且射速不可调。又由于要设置导气驱动装置、首发启动装置和停射后在启动装置，内能源转管炮的结构较为复杂，给维修保养增加了困难。外能源转管炮转动的能量来自外部的驱动电机，所以其射速性能基本不受但要弹道性能的影响，而且其射速可根据所对付的目标不同进行分档调节，提高了转管炮一个弹药基数对付目标的能力。但是外能源转管炮对电机的要求较高，高射速需要很大的驱动功率，增加了载体的负担，降低了其适应能力，缩小了应用范围。为了减轻载体的负担，扩大应用范围，并且尽量简化结构，所以本方案采用小电机短时过载启动的内能源驱动方式转管炮。

2.2管数及射速的选择

随着科学技术的发展和战场的需要，巡航导弹等精确制导武器的飞行速度大幅提高。从现在的发展途径来看，一种以俄罗斯和西欧诸国为主，选择“亚音速——超音速（2～2.5Ma）——高超音速（4Ma以上）”的渐进模式;另一种是以美国为主，选择“亚音速——高超音速（4Ma以上）”的跳跃模式。但无论采用何种途径，其最终目的是发展4Ma以上的高超音速导弹。为了能够有效拦截高超音速导弹，反导火炮的射速也要进行相应的调整，才能满足最终拦截的需要。对于飞行速度为0.7～0.8Ma的导弹，火炮在有效拦截区域内的射击时间为5～6秒；对于飞行速度为2～4.5Ma的导弹，火炮在有效拦截区域内的射击时间仅为2～3秒左右。在拦截新一代超音速导弹的时候，如果火炮射速不增加，就会使在有效区域内的射弹数大大减少，并导致对导弹的毁伤概率大幅下降。

为了能够有效地拦截超音速导弹，提高火炮的射速是一个非常有效的途径。对于飞行速度为2～4Ma的超音速导弹，就需要火炮的射速在8000发/分左右。由于转管炮的射速=管数×身管组转速，所以要提高射速，一是增加身管的数目，二是提高身管组的转速。当身管数目一定时，射速越高，身管组的转速就越高，那么所需要的驱动功率就越大。当身管组转速一定时，射速越高，身管的数目就越多，那么炮管的中心距就要增多。随着身管中心距的增加，一方面推弹行程的压力角将减小，使自动机的驱动功率有所减小；另一方面，随着身管中心距的增大，使得身管组的转动惯量大幅增加，又会增加自动机的驱动功率。身管组转动惯量的增大几乎与身管中心距增大成平方比关系，也就是说，转动惯量引起的驱动功率的增大量要远大于压力角减小引起的驱动功率的减小量。所以综合以上因素，本方案采用8根身管的设计，射速为8000发/分，身管组转速为1000转/分。

2.3口径的选择

随着科学技术的发展和战场的需要，现在飞行器的速度不仅越来越快，而且越来越多的在重要部位采用装甲防护。为了能够有效的毁伤目标就必须提高小口径高炮的威力，其途径一是增大火炮的口径，二是采用高性能的弹药。多管转管型小口径速射火炮是以密集的弹幕来毁伤目标的，在作战时弹药消耗量很大，而高性能的弹药一般都价格高昂并且加工要求较高，若全部采用高性能的弹药来拦截目标，就会大大提高转管炮的使用费用，效费比不高。若适当增加口径，就能以更为普通廉价的弹药达到相同的毁伤效果。为了统一口径，标准化和减轻后勤负担，本方案采用30mm口径，和我国现有的730转管炮使用相同的弹药。

2.4主要零部件的方案

2.4.1闭锁机构设计

转管武器闭锁机构可采用双鱼鳃闭锁方式、单鱼鳃闭锁方式和机心头旋转闭锁等。为缩短闭锁机构的纵向行程最好消除轴向闭锁行程和自由行程，其措施是利用闭锁机在前直线段与机箱上的开、闭锁机构（凸轮）相互作用以完成开闭锁工作。这样可以获得较小的武器外径和较短的武器长度。

闭锁机构的设计一般遵照以下几个方面的原则：

（1） 在保证强度、刚度和寿命的情况下，为减小驱动功率，质量尽可能地减轻。

（2） 应有可靠的保险机构，即不闭锁或不完全闭锁时不击发。

（3） 闭锁机构同机心导板、机箱螺旋槽工作面的接触方式尽量采用滚动磨擦，目的是有利于减小外能的功耗。

（4） 与弹膛的定位采取“零定位”，弹壳不受压缩，减小抽壳阻力。

（5） 闭锁机构抓弹部位应有较大的包弹面积，以便提高抽壳的可靠性。

为了减少设计工作量，而且现在30mm转管炮的机心设计已经比较成熟，本方案的机心就采用现有的成熟产品。所以开闭锁机构设计的主要任务就是保证开闭锁的可靠性，在结构上和现有机心相适应，本方案采用机头回转式闭锁方式。动作示意图如图3所示。

图3 开闭锁动作示意图

2.4.2机心设计

本方案的机心采用现有的成熟产品，为机头回转式，电击发。开闭锁的动作：当机心在机心匣的带动下逆时针旋转达到闭锁位置时，闭锁臂碰到机心匣上的闭锁块，使机心头强制旋转一定的角度，完成闭锁，这时制动体解开对导电杆的限制，使得导电杆能在机心匣上的突起的作用下向下运动，强制击针突出机心镜面接通到弹的电源，以完成击发的动作，击发后，当膛压降到安全膛压时，开锁块带动机心头逆时针旋转一定的角度，完成开锁。

2.4.3行星体设计

行星体的设计主要考虑机心在行星体上的布局和运动，供弹抛壳机构的安装，身管及炮闩连接座的布局等。行星体的径向尺寸主要受炮管回转半径的制约。在内弹道参数，射速及身管数确定的情况下，增大炮管回转轴线，即相应要增加行星体的径向尺寸，可以减小推弹和抽壳压力角，使得自动机的驱动功率有所减小。但被另一方面，随着炮管回转半径的增加，炮管组的转动惯量会大幅增加，又会导致驱动功率的增加。压力角的增大与炮管回转半径的增加成反比关系，而炮管组的转动惯量的增大几乎与炮管回转半径的增加成平方比关系，也就是说转动惯量引起的驱动功率的增加量要远大于压力角减小引起的驱动功率的减小量，但过小的炮管回转半径回导致压力角增大，对强度和磨损不利，甚至会引起自锁。所以我们希望炮管回转半径处于一种合适的大小，平衡这两种因素。本方案取炮管回转半径为120mm，即机头的中轴线在行星体上处于半径为120mm的圆周上。行星体纵向尺寸要方便曲线槽的布置，同时还要再合适的位置布置供弹抛壳器，行星体纵向尺寸要尽可能的小，以减小转管炮的总体尺寸，减轻重量，方便武器在载体上布置的灵活性。

2.4.4身管设计

本方案所设计的转管炮通用现有730转管炮的弹药和身管，身管长度为2254.5mm。由于730为外能源式转管炮，而本方案为内能源式转管炮，所以要将730的身管进行适当改动，增加导气孔。身管通过尾端的两个凸起在炮闩连接座上定位和连接。

2.4.5炮闩连接座设计

炮闩连接座用于连接身管和行星体，使身管，炮闩连接座和行星体同步转动。炮闩连接座一端有提供闭锁的闭锁支撑面，炮闩连接座内有弹膛，另一端用于连接身管。炮闩连接座表面安排有齿轮，和电机相连，用于首发启动和再启动。

2.4.6导气装置设计

曲柄连杆装置设计中最重要的就是导气装置和锥齿轮的设计，火药气体就是通过曲柄连杆结构机构来实现将直线运动通过锥齿轮转化为转动，带身管匣完成转动、供弹、抛壳等一系列后续运动。导气孔位置的选取至关重要，一是要避开最大膛压，选取一个合适的膛压点，既要能可靠地驱动身管匣的转动，又不能对内弹道造成比较大的影响;二是要在时间和空间上和其他机构相契合，这和身管的转速和活塞的行程等有关。而且导气孔的方向要前后交替，以使导出的气体使活塞前后往复运动，实现连续运动。

2.4.7供弹抛壳装置设计

转管武器的进弹机构用于在射击过程中及时可靠地向武器提供弹药，以满足连续射击的要求，由于转管炮的射速都很高，所以对供弹机构的要求也很高。设计时要注意以下几点：确定弹带的起始位置，控制炮弹的进弹和工作时机，完成除链、拨弹至机心抓手中，引导弹壳抛出、停止进弹等的要求。其中最重要的就是供弹路线的排列，确保供弹在时间和空间上的准确性。其中设计进弹机构时必须设计离合器，控制进弹机构在转速达到预定转速时才能向武器供弹。

2.4.8除链抛壳器设计

除链抛壳器的主要作用是使弹链中的炮弹脱离弹链以便能顺利地进入机心抓手中，同时导引机心中的弹壳顺利的抛出。抛壳时必须有足够的能量，并按一定的方向将弹壳抛出炮外，落到预定的地点。要尽量减少突加冲击载荷，保持射击时的平稳。必须要有足够的刚度，以保证武器的正常的工作。抛壳机构设计还需考虑和武器装载平台的匹配问题，抛壳窗口位置的设计要考虑弹壳抛出的路线和弹壳抛落的姿态，抛壳窗的长度以自由通过整个炮弹为准，窗口宽度一般为最大直径的1.5至2倍。拨弹齿和行星体装配时，为避免相互干涉，行星体设计时还需让出相应空间。原理图如图4所示。

图4 进弹、除链、抛壳原理图

3结论

本方案设计的转管炮射速为8000发/分，拥有8根身管，身管匣转速为1000转/分，身管回转半径为120mm。采用优化设计的曲线槽，前直线段所占角度为73度，后直线段为35度，机心行程为298mm，P为0.75，Q为1.5。由matlab计算可得本方案所设计的转管炮的机心最大加速度为3370.1667m/s2，最大速度为26.4845m/s。