狙击步枪新型电动击发装置设计与分析

刘华，范大鹏，李胜鹏，周擎坤（.国防科学技术大学机电工程与自动化学院，湖南长沙40073；.湖南兵器资江机器有限公司，湖南益阳43000）



狙击步枪新型电动击发装置设计与分析

刘华1，范大鹏1，李胜鹏2，周擎坤1
（1.国防科学技术大学机电工程与自动化学院，湖南长沙410073；2.湖南兵器资江机器有限公司，湖南益阳413000）

摘要：针对狙击步枪手动击发对瞄准线的扰动以及响应速度慢等不足，提出一种新型嵌入握把内部的电动击发装置，分析其工作原理，建立电击发装置的参数化模型，并对该电击发装置进行了仿真分析与实验测试。结果表明：该电动击发装置能够实现发射机电控击发，其对瞄准线方位方向的扰动幅度降为手动击发的1/5，可有效降低击发对瞄准线的扰动，提高射击精度；响应时间约为35 ms，远快于手动击发速度，提高了狙击步枪击发的响应速度，有助于准确把握击发时机。

关键词：兵器科学与技术；电动击发；电磁铁；响应时间；击发时机；实验测试

0　引言

狙击步枪射击速度较低，其射击精度主要由瞄准的准确与稳定程度和扳机控制的水平两个因素决定。在没有瞄准线稳定的辅助装置前提下，瞄准线一直在目标附近动态调整，射手需要大量的实弹射击训练，才能做出准确判断，选择良好的击发时机，获得较好的射击精度［1］。生物力学中理论证明：人的大脑从接受外界对肌肉的刺激到对其做出反应并做出相应的动作所需的时间约200～300 ms［2］，由于射手自身的抖动以及射手与目标间的相对运动，反应延迟很可能导致瞄准线脱离目标，造成射击精度下降。同样，扳机控制水平也直接影响射击精度，平稳顺畅地扣压扳机能够有效减小枪口跳动。若扣压力不均匀比如突发情况猛扣扳机，或者由于害怕后坐而臆测击发，出现耸肩情况，都会导致射击精度急剧下降。

为了提高射击精度，使射手具有良好的扳机控制水平以及准确判断击发时机的能力，传统的方法是增加射手的生理、心理训练强度。该方法耗费大量的人力、物力、财力，培养射手的周期长。受环境以及射手心理、体能等因素的影响，该方法对提高射击精度效果并不理想。美国陆军实验室等科研机构与公司［3-5］提出了采用电动控制击发机构结合计算机控制与传感器技术的方法来提高射击精度，取得了较好的实验效果。国内在步枪上加装电控装置的主要集中于车载机枪，且采用现成的电磁铁，体积重量较大，安装于狙击步枪上，人机工效差，难以满足单兵作战使用要求。因此，本文提出一种具有较高人机工效的握把式电击发装置，免除射手扣扳机引入的干扰，准确把握击发时机，以达到提高射击精度目的。

1　结构设计与工作原理

电击发装置总体设计思路为在不改变原有发射机结构的基础上，充分利用发射机外围空间，将电磁铁集成于握把之中，保证原有枪械的人机工效。安装电磁铁后的发射机结构如图1所示。

图1　集成电磁铁的发射机结构图Fig.1 Structure chart of transmitter with electromagnet

电击发装置主要由发射机、握把电磁铁及其连接销钉组成。其中，握把电磁铁包括推杆、拉杆、铁芯、线圈、芯柱、磁轭、线圈骨架以及握把底盖等。将电击发铁芯以及线圈等嵌入在握把之中，握把的外形尺寸不变，不改变射手的操控习惯。电击发装置为模块化设计，与握把集成，不改变现有发射机结构。电击发装置工作过程为控制算法判断瞄准线偏差，满足射击条件后，将电击发装置通电，电击发铁芯向下运动，使具有杠杆作用的电击发推杆一端向下运动，另一端则向上运动推动扳机运动，直到击发。电击发装置推杆与扳机之间相对独立，射手在不需电击发时，可以手动击发。

2　电击发装置参数化模型

去除发射机内部各零件外形，仅保留其关键尺寸，得到如图2所示的受力分析图。扳机与电击发推杆形成凸轮摆杆机构，扳机O1A为凸轮机构摆杆，O1为扳机回转轴，A点为扳机与电击发推杆接触点，长度为lT；电击发推杆与扳机接触的轮廓为偏心圆形成的凸轮，以O2为凸轮回转中心，O1O2间距离为lC，OC为偏心凸轮圆心，其半径为R；BC为电击发的铁芯，铁芯BC与电击发推杆间为移动副，B点可沿电击发推杆O2B滑动，O2B与O2OC间夹角为θ0，O2OC与O1O2连线间夹角为θP，铁芯BC与O1O2连线的夹角为θB，O2到铁芯BC的距离为l0.以O1点为坐标原点，O1O2连线为X轴，建立O1XY坐标系。

图2　电击发内部零件受力分析Fig.2 Force analysis of internal parts

由于B′为固定点，因此BB′长度变化等于电击发铁芯运动距离，因此，铁芯的气隙δ可表示为

式中：θP0为推杆在铁芯吸合时的角度。

A点在圆弧上，可得

式中：Cst=（R2-l2P-l2T-l2C）/2.

O2到直线OCA的距离为

电击发装置的核心部件为直流螺线管电磁铁，吸力″表达式［6］为

式中：I为线圈中通过的电流；N为线圈中匝数；S为磁路截面积；μ0为真空中的磁导率。

扳机在A点受到推杆的推力为″A，产生的驱动力矩为TA，铁芯的拉力为″B，根据力传递关系计算得驱动力矩TA为

式中：η为机构总传递效率；″B为

驱动力矩TA大于扳机阻力矩TT即可实现电控击发。

当线圈接通电流时，由于有自感电动势存在，线圈内电流I由0呈指数方式上升到稳态值I0.设线圈的内阻为Re，电感为L，则其表达式为

因此，电击发铁芯的动力学模型［7］为

式中：″Te为扳机运动过程中等效阻力；Me为发射机运动部件等效质量；Ce为等效阻尼；Ke为发射内部弹簧等效刚度。

利用（7）式可估算出电磁铁响应时间与发射机击发响应时间［8］，设计时应使其响应时间尽可能小。考虑到铁芯剩磁与线圈电感的存在，电磁铁断电后仍会吸合一段时间，为防止造成连发，需通过设计凸轮装置利用自动机后座能量使其迅速释放，保证单发射击。

3　仿真分析与实验测试

根据电击发装置的具体结构尺寸，由（2）式、（5）式可得到铁芯气隙δ与扳机行程DT与扳机驱动力矩TA数值解，如图3所示。

由图3中可知驱动力矩TA在气隙小于4.75 mm时大于扳机阻力矩TT，扳机预压行程约为0.8 mm，满足预压行程要求。

图3　铁芯气隙与驱动力矩、扳机行程关系Fig.3 Relationships among iron core gap，driving torque and trigger displacement

3.1仿真分析

图3为理想条件计算结果，没有考虑漏磁通、磁路饱和等因素，为提高设计的准确度，采用多物理场仿真软件COMSOL对电击发装置进行有限元建模，计算线圈内部的磁场分布，计算电磁铁在不同气隙下的输出力。

图4（a）所示为磁路理论计算吸力″c与COMSOL的忽略磁饱和电磁吸力″l的对比图，两条曲线基本一致，表明漏磁影响相对较小。图4（b）为考虑磁饱和情况时所示的力-位移曲线，从图4（b）中可以看出，电磁吸力明显小于忽略磁饱和时情况，说明磁路发生了饱和。

进一步可发现，预压扳机使气隙为4 mm时，电磁吸力为80 N左右，对应的扳机驱动力矩为1.33 N·m，满足预压后击发扳机的力需求。因此，该电击发的设计能够满足功能要求。

图4　电磁吸力仿真分析Fig.4 Simulating analysis of electromagnetic force

3.2实验测试

为了验证电击发装置对瞄准线影响小、射击精度高以及响应速度快等推断，在某型狙击步枪发射机的基础上，根据设计方案，研制了电击发装置，实物照片如图5所示。

图5　电击发装置实物照片Fig.5 Photo of electric firing mechanism

利用激光器、位置灵敏探测器（PSD）、加速度计、NI数据采集卡等设备，对换有电击发装置的狙击步枪进行了实弹射击测试，实验测试系统示意图如图6所示。

为了比较手动击发方式与电动击发方式的优劣，实验测试分成电击发与手动击发两种击发方式进行测试。实验系统电动击发方式为：光电瞄具判断瞄准线偏差满足条件后，在光电瞄具显示屏上显示击发标志，与此同时使电磁铁通电吸合，完成击发动作；手动击发方式为：同样由光电瞄具判断瞄准线偏差满足条件后，在光电瞄具显示屏上显示击发标志，但电磁铁不通电，由射手看到击发标志后手动击发。通过此方法计算不同击发方式对瞄准线扰动和响应时间。

图6　实验测试系统示意图Fig.6 Schematic diagram of experimental test system

实弹射击所采用的狙击步枪为某型12.7 mm半自动狙击步枪，射击距离为100 m，综合考虑PSD的测量范围与分辨率，将PSD置于距两脚架3.4 m处，两种不同击发方式各试验3组，每组5发，每完成一组更换一次靶纸，便于统计弹着点信息。

3.2.1瞄准线扰动测试

利用激光器与PSD对手动击发与电动击发引起的瞄准线扰动进行了对比测试，典型的测试结果如图7所示。

图7（a）为手动击发对瞄准线的扰动测试结果，手动击发引起瞄准线抖动范围约为：方位方向0.106 mrad、俯仰方向0.065 mrad；图7（b）为电动击发方式对瞄准线的扰动，测试结果为：方位0.022 mrad、俯仰方向0.015 mrad，远小于手动击发对瞄准线的扰动。

图7中手动击发与电击发瞄准线的初始值不同，主要原因是每次射击枪身后坐都会使枪身与PSD相对位置发生变化，从而导致激光点在PSD上的位置放生变化，而且为使瞄具内十字线压住目标中心，射手在射击前会进行一定的姿势调整，这也会导致激光点在PSD上的位置放生变化。本文主要关注击发前1～2 s时间内瞄准线的变化，以射手瞄准目标中心为基准，PSD只测量瞄准线的变化。

结合PSD测得的瞄准线扰动数据，两种击发方式各选取一组典型的实弹射击结果进行分析，其照片如图8所示。

图7　瞄准线扰动测试Fig.7 LOS disturbance test

图8　实弹射击照片Fig.8 Photos of shooting test

以靶标中心白色圆点为坐标原点，测得弹着点坐标，并计算射击密集度半数散布圆半径R50［9］，如表1所示。

由表1可知，手动击发R50值为3.40 cm，电击发为2.86 cm，电击发的射击密集度高于手动击发的密集度。

表1　弹着点坐标Tab.1 Coordinates of impact points

表1中两种击发方式实验中均有一发弹偏离其他4发弹，采用极值偏差法［9］，以显著性水平α= 1%对其是否为反常弹进行判断：手动击发第5发弹的界限Q=9.16小于显著性水平α=1%时的界限Qα=13.36，因此可确定此发弹不是反常结果，应保留；而电击发第5发弹的界限为Q=13.60，大于显著性水平α=1%时的界限Qα=13.36，因此该发弹为反常结果，应剔除。

剔除电击发第5发弹后其R50值为1.02 cm，远小于手动击发R50值，电击发的射击密集度明显高于手动击发的密集度，与瞄准线扰动测试结果一致。因此，验证了电动击发装置可明显减少瞄准抖动，提高射击精度的推断。

3.2.2响应时间测试

由于求解非线性方程繁琐，因此本文采用实验测试方法获得电击发装置的动态响应时间，即利用NI数据采集卡，同时采集电击发通电信号及击发振动信号，以允许击发信号上升沿为开始基准，线圈开始通电，以加速度峰值表示击发完成，测量电击发响应时间，典型实验测试结果如图9所示，测试结果表明：电击发装置击发响应时间约35 ms，远快于手动击发响应时间230 ms.

4　结论

针对手动击发对瞄准线的扰动以及响应速度慢等不足，本文提出了一种新型步枪电动击发装置，采用了模块化思想，保持了发射机原有的人机工效不变，实现了电动击发与手动击发功能相对独立，建立了电击发装置的参数化模型，最后进行了实验验证。实验测试结果表明：电动击发装置对瞄准线方位方向的扰动幅度降为手动击发的1/5，可显著降低击发对瞄准线的扰动，提高射击精度；电击发响应时间约为35 ms，提高了狙击步枪击发的响应速度，准确把握击发时机，为后续研究击发时机决策问题奠定了基础。该电击发装置不改变发射机零部件，易于将现有的步枪升级，在轻武器自动化、信息化方向上进行了积极的探索。此外，还可将该电击发装置应用于枪械、弹药精度考核试验，使考核结果更加客观。

图9　响应时间对比测试Fig.9 Response time test

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中图分类号：TP273

文献标志码：A

文章编号：1000-1093（2016）06-1111-06

DOI：10.3969/j.issn.1000-1093.2016.06.020

收稿日期：2015-12-03

基金项目：武器装备预先研究项目（40404110205）

作者简介：刘华（1987—），男，博士研究生。E-mail：easygoingliuhua@sina.com；范大鹏（1964—），男，教授，博士生导师。E-mail：fdp@nudt.edu.cn

Design and Analysis of a Novel Electric Firing Mechanism for Sniper Rifles

LIU Hua1，FAN Da-peng1，LI Sheng-peng2，ZHOU Qing-kun1
（1.College of Mechatronic Engineering and Automation，National University of Defense Technology，Changsha 410073，Hunan，China；2.Hunan Zijiang Ordnance Industries Group Co.，Ltd，Yiyang 413000，Hunan，China）

Abstract：A novel electric firing mechanism which is imbedded in the rifle grip is proposed for the disturbance to line-of-sight（LOS）and low action speed caused by manual firing.The structure and operating principle of the electric firing mechanism are illustrated.A parametric model is established.The electromagnet force of the electric firing mechanism is simulated in COMSOL，and the disturbance to LOS and response time of the electric firing mechanism is tested.The result shows that the mechanism is capable of electrically firing，the azimuthal disturbance of electric firing to LOS is reduced to 1/5 of manual firing，and the response time is 35 ms，which is much faster than manual firing speed.The electric firing mechanism will be helpful to catch the firing time precisely.

Key words：ordnance science and technology；electric firing；electromagnet；response time；firing time；experimental test