如何科学拉栓——使用内弹道模拟程序的气缸软弹枪效率研究与卷毛/内管选型指导

大做题家 · 发表于 2023-12-6 05:08:43

源码网址：https://gitee.com/Hanhsin-Zhang/nerf_sim

因为嫌一发发试射慢慢摸索最佳配置又贵又慢又烦，而且也没有明确的优化方向。最近用C++写了个气缸软弹枪的内弹道模拟，包括弹簧参数计算，拍头和软弹运动仿真，气体绝热过程和摩擦力模拟，效率计算之类的东西。为配件选型提供优化思路。
模拟程序没有考虑气密问题和非线性摩擦力，实测对跑分的估计一般会偏高30%，时间比较长的模拟会偏高比较多(因为真实情况漏气多了嘛)

发现了一些有趣的现象，下文会解释：
1：拍头在释放后会快速受到巨大的气压差抵消弹簧的推力，这会导致拍头进入一种类似震荡的状态。女武神的条件下，拍头在软弹出膛之前只能走完一半行程。
2：拍头越轻能量利用率越高
3：软弹越轻能量利用率越高

以下是女武神使用扩容拍头，2*24*150毛和不同重量软弹的测试结果，我的女武神用1g弹，实测跑分在68-70之间。

一：对模拟结果的一些观察和分析：
拍头的振荡现象原理
在软弹发射过程中，拍头会受到弹簧的推力，压缩空气的阻力和摩擦力。

随着拍头向前运动压缩空气，它受到的气压力会急剧增加，这会导致拍头的加速度变为负数，导致拍头的运动速度下降，在一些参数下甚至会出现拍头向后运动的情况。————这种情况并不奇怪，如果我们封闭枪膛，假设空气完全不溢出，那么拍头的运动就变成了标准的阻尼振荡。（现实中封闭枪口测试气密时一般不会出现振荡的原因一是空气会外泄，二是低速情况下摩擦力十分复杂，不是恒定值）
二：影响振荡的因素
在加入运动弹头的情况下，气体可以通过推动弹头获得额外的体积，这降低了膛内气压，从而降低了拍头的减速趋势。这使拍头的振荡周期变长了。一般来说，弹头越轻，反向加速度就越低（气压低了），拍头的振荡周期就越长，它就能走完更多的气缸行程，释放更多弹簧能量

另一个影响是枪管长度。在枪管长度过长+拍头剧烈振荡的情况下，拍头可能停滞不前甚至向后运动，无法有效压缩空气。这使膛内气压可能会降低到低于环境气压的程度。出现这种情况时气压差会把弹头向后“吸”，反而降低了速度。

需要指出的是，这种情况与一般认知中的“枪管过长导致气缸气体无法充满枪管”不同，导致气压降低的主要原因是拍头振荡无法有效压缩气体，而不是气缸体积不足。
三：优化方法
所以我们需要尽可能降低拍头受到的反向加速度，延缓振荡并降低它的强度。

做到这一点有三种思路：1.降低拍头受到的气压力，这对应着使用更轻的弹头。2.增加拍头受到的弹簧推力，这一点可以通过换更强力的弹簧/增加弹簧预压做到。 3.改变振荡的固有频率，根据理论依据和模拟发现，弹簧的劲度系数越大，预压越多，拍头越轻，振荡的频率就越高，反向运动出现得越早。

另一方面，我们希望找到合适的枪管长度，让弹头在膛内气压衰减到大气压时恰好出膛。一般来说，弹头较轻时，振荡缓慢且平滑，可以适当延长枪管长度;弹头较重时，振荡快速且剧烈，需要使用短枪管避免弹头被向后吸。弹簧劲度系数越小，振荡固有频率越低，反向运动出现得越晚，可以适当延长枪管;对应地，弹簧劲度系数越大，反向运动出现地越早，枪管不宜过长。
四：具体方案

如果你需要提高能量利用率：
1：使用极长枪管并搭配超重弹头，人为增加弹头在枪管内滞留时间并缩短振荡周期。拍头在出现反向运动后，又会受到更大的弹簧力和更小的气压，导致它再度向前运动，第二次加速弹头。这样做能大大提升弹簧能量的利用率。这样做需要特制重弹，比较麻烦，初速也不会太高。

如图，女武神不换卷毛，使用2.5克超重弹和600mm超长内管，弹簧能量利用率相比普通的1g软弹+350内管上升了不少

2.使用超短弹簧，我们观察到正常情况下，拍头总是在气缸的后半部运动，因此如果调整弹簧的参数，使用较短的弹簧（它在拍头后半段释放更多能量），也能提高能量利用率。只是这样做会恶化拉栓手感，弹簧也可能乱飞，对发射器的构型有额外要求。
如图，相比2*24*150簧，分别使用2*22.5*136簧和2.3*23.5*120簧(用这么怪的参数纯粹是控制它们的弹簧能量一样)的女武神模型效率都有所提升

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