手持式枪械后坐力测试方法研究

枪械后坐力是指枪械发射枪弹时形成的向后反冲力，是枪械的一项重要技术指标，其大小和指向直接影响着武器的操控性和射击精度，是枪械强度设计和射击稳定性设计的重要依据[1]。在枪械型号论证和研制过程中，手持式枪械后坐力指标大都以定性指标来要求，如“可感后坐力小，射击稳定性好”、“与某型枪械后坐力相当或不超过一定范围的百分比”等，很难提出定量指标要求[2]。尽管目前轻武器行业内对枪械后坐力测试方法较多，但其测试结果对后坐力的要求和评判仍无法给出非常准确的结果，尤其是手持式枪械，涉及人的因素影响较大，不确定性更大，难以达到统一的共识[3]。鉴于此，本文通过研究一种手持式枪械后坐力测试方法，旨在准确测试出手持式枪械后坐力的大小和指向，为手持式枪械论证、研制设计、性能试验提供有效参考。

1 手持式枪械后坐力测试技术状况

目前，测量手持式枪械后坐力的方法主要包括应变式测力法和压电式测力法等。实验研究结果[4]表明：同一武器在同一刚性装置上，采用不同测量方法，其测量结果不同；同一武器采用同一测量方法，若采用不同刚性装置支撑其尾端，所测结果也不同。通常做法是将手持式枪械固定在自由后坐台滑车上，压力传感器固定在自由后坐台两侧支撑板上并使其受力面与枪托接触，经过射击、后坐、撞击使传感器获得电信号，最终在数字采集和信号处理后得到后坐力随时间变化曲线[5]。文献[6]中基于三分力传感器结构设计了枪械后坐运动参数测试平台，并利用该平台实现了对手持式抵肩枪械后坐力的测试，但该测试方法仅能测试来自沿枪管轴线方向的后坐力，无法测量其余方向的后坐力；文献[7]中基于人-枪系统中不同自动方式对枪械后坐作用影响的研究，采用射手射击方式，将枪托底部连接压电传感器，传感器另一端抵于射手肩部来进行后坐参数测量，综合考虑了人的因素对枪械后坐的影响，但存在人体对试验操作和仪器设备干扰的可能，存在一定的不确定性。

为更准确全面地测量出手持式枪械后坐力，本研究提出一种新的测试方法[8]，通过采用基于5自由度模拟人体台架的后坐力测试系统进行测试，一方面测量出枪械后坐力的大小和指向，弥补上述其他测试方法只能测试单一方向或无法测试后坐力具体指向的不足；另一方面充分考虑了人体因素对后坐力的影响，排除人体对试验的干扰，确保测量出的后坐力更加符合实际情况。

2 手持式枪械后坐力测试原理与方法

2.1 测试系统组成

手持式枪械后坐力测试系统主要由模拟人体台架、三向压电力传感器、电荷放大器、数据采集系统及测试分析软件等组成[9]。其中，模拟人体台架主要由上躯干部分、固枪装置、下躯干部分、下体部分以及弹簧阻尼系统等组件组成，如图1所示。上躯干部分用来模拟人体上躯干的质量分布，固枪装置用来模拟人体手臂的质量分布及固定枪支，下躯干部分用来模拟人体下躯干的质量分布，下体部分用来模拟人体腰部以下未运动部分的质量分布，弹簧阻尼系统用来模拟人体各部分肌肉的作用和约束[10]。

2.2 测试原理分析

手持式枪械后坐力测试系统结构如图2所示。将手持式枪械固定在模拟人体台架上，三向压电力传感器固定在模拟人体台架靠近枪托底部位置，射击时，枪械沿着导轨向后运动撞击三向压电力传感器，传感器产生电信号，通过电荷放大器调理后进入高速数据采集系统，经高速数据采集系统转换后，由计算机测试分析软件对信号进行分析处理，最后得到枪械后坐力测试曲线。枪械后坐力作用于三向压电力传感器时，传感器可以测量出后坐力在3个方向上分力的大小和方向，通过分析计算即可得到枪械后坐力的大小及其方向。

其中，模拟人体台架作为人-枪系统相互作用的重要部分，主要是通过5个自由度来实现模拟的，如图1(a)所示。首先，通过上下躯干部分和前后俯仰弹簧阻尼器、侧向收展弹簧阻尼器、扭转弹簧阻尼器分别模拟人体腰部的前后俯仰、侧向收展和绕垂直轴扭转3个自由度的运动，这3个弹簧阻尼器分别安装在上下躯干与下肢连接处；其次，通过固枪部分(导轨位置)的弹簧阻尼器和肩部(导轨与上下躯干之间)的片簧组件模拟武器后坐和绕肩高低转动2个自由度的运动，具体弹簧阻尼参数见表1。

而枪械通过固枪装置连接在模拟人体台架上，当模拟人体台架在相应自由度上运动时，枪械也具有相同方向的运动，因此，可以认为枪械在各个自由度上也是自由的。

为了确保模拟人体台架射击与真人射击结果的吻合性，通过射击对比试验来进行验证。选择某型步枪进行100 m单发射击，对散布精度进行试验对比。模拟人体台架和真人分别进行3组单发射击试验，每组10发。射击试验结果见表2。从试验结果可以看出，采用模拟人体台架射击散布精度相对较好，二者半数散布圆半径R50基本一致，表明模拟人体台架与真人射击吻合性相对较好。

3 手持式枪械后坐力测试实例

采用本文提出的手持式枪械后坐力测试方法，对某型步枪进行后坐力测试试验，试验状态如图3所示。通过对该步枪单发射击、点射(3发)和连发(5发)射击3种情况进行了后坐力测试，其后坐力测试曲线如图4～图6所示。

图4(a)给出了某型步枪单发射击后坐力3个分力(F1、F2、F3)大小变化情况，图4(b)给出了3个分力方向(θ1、θ2、θ3)变化情况，图4(c)给出了后坐力合力F大小变化情况。每张图中3条曲线自上而下分别为横向、纵向和枪管轴向3个方向曲线(下同)。

从图4中可以看出，枪管轴向分力F3最大，其方向θ3接近180°，与枪管轴线平行(肩部基本垂直)；横向分力F1最小，其方向θ1接近160°，与横向略偏一定角度；纵向分力大小F2居中，其方向θ2在130°左右，与纵向偏离较大角度。图4中给出的曲线真实反映了单发实弹射击时枪械对人体冲击和自身动态特性变化的实际情况：射击时，后坐力大部分集中分布在枪管轴向方向，对人体的冲击表现为前后运动，其次后坐力分布在纵向方向，对射击散布精度影响表现为上下浮动，后坐力在横向分布最少，对射击散布精度表现为左右偏差。通过后坐力测试结果分析，可以有效指导武器操控，促进人机结合，进而提高武器的实际射击精度。

图5(a)给出了某型步枪点射(3发)射击后坐力3个分力(F1、F2、F3)大小变化情况，图5(b)给出了3个分力方向(θ1、θ2、θ3)变化情况，图5(c)给出了后坐力合力F大小变化情况。和单发射击相比，枪械点射(3发)射击后坐力在横向、纵向和枪管轴向3个方向上的分力分布及分力方向情况基本一致，与实际射击情况相吻合。

点射时，3发后坐力峰值变化以及时间间隔较为接近，没有出现明显的变化，其中，第1发后坐力峰值最大，为492 N，第2发最小，465 N，相差5.5%。从点射后坐力曲线变化规律可以看出，采用的后坐力测试系统能够排除人为因素对试验造成的干扰，避免出现明显地误差和离群情况，所得试验结果真实有效地反映了枪械点射后坐力变化情况，可以用于有效指导枪械射击和动态特性分析。

图6(a)给出了某型步枪连发(5发)射击后坐力3个分力(F1、F2、F3)大小变化情况，图6(b)给出了3个分力方向(θ1、θ2、θ3)变化情况，图6(c)给出了后坐力合力F大小变化情况。和单发、点射(3发)相比，枪械连发射击后坐力在横向、纵向和枪管轴向3个方向上的分力分布及分力方向情况基本一致，与实际射击情况相吻合。

连发射击时，5发后坐力峰值变化以及时间间隔较为接近，表现出一定的均匀和规律性，第1发的后坐力峰值最大，为484 N，第5发最小，为450 N，相差7.0%。和点射后坐力曲线变化规律一样，连发后坐力曲线变化规律也反映了采用的后坐力测试系统能够排除人为因素对试验造成的干扰，对测量后坐力的真实值具有非常重要的作用。

4 结论

1) 本研究提出了基于5自由度模拟人体台架的后坐力测试方法，充分考虑了人的影响因素，并有效排除了人为因素对试验造成的干扰，很好地解决了后坐力测试中人-枪系统相互影响问题，为手持式枪械后坐力测试提供了一种新的有效测试方法。

2) 所研究的手持式枪械后坐力测试方法不仅能够准确测量出后坐力大小，而且还能够测量出3个方向上的分力大小和方向，弥补了传统测试方法只单一测量枪管轴向后坐力和无法测量后坐力方向的不足。

3) 所研究的手持式枪械测试方法可以为手持式枪械后坐力指标的论证、试验等提供有效手段，为手持式枪械论证、研制设计、性能试验提供重要参考依据。

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