本发明涉及武器、火药、机电及嵌入式设备软硬件开发相关的技术，特别涉及武器自动控制、液体火药的使用及无弹壳武器的实现相关技术。
背景技术：
当今枪械和小口径火炮所使用的子弹都是采用弹头和弹壳一体封装的形式，其中弹壳的作用不可或缺。弹壳起着封装发射药粉末、包裹弹头、固定底火、弹膛气密以及带走部分热量起着降温的作用。但是弹壳也带来了很大的困扰，比如：铜质弹壳造成了极大的资源浪费；弹壳重量占了子弹一半多的比例，限制了士兵的弹药携带数量；抛壳以及可以左右切换的需求使得枪械结构更加复杂。
以北约5.56×45毫米口径弹药来说，该类子弹单颗重量约在11.8克左右，其中弹头重量约4.02克（62格令），弹壳重量约6.16克（95.1格令），而火药的重量大致在1.6克（24.5格令）左右。由此可见，子弹的重量有52.2%是由弹壳占据。以一个士兵战斗出勤时弹药最大负重10公斤为例，考虑到弹匣重量，一个士兵大约可以携带660发5.56毫米的子弹，这些子弹总重量大约在7.8公斤左右，而其中有4.06公斤是弹壳的重量。
由于弹壳的存在，相关武器都必须实现抛壳动作。对于多数枪械，大多设计时采用右侧抛壳，高温的弹壳不仅对身边战友造成干扰，还对于一些习惯使用左手的射手本人可能造成更大的困扰，这个困扰在无托枪械里则会表现的更加突出，很多枪械不得不额外设计出可以将抛壳进行左右切换的机构。除了高温铜壳带来的困扰以外，由于抛壳窗离射手距离近，火药的烟雾及残留燃气也会给射手带来一些干扰。
基于固体火药的枪炮发明至今已数百年，目前大规模装备的枪械还是基于机械、火药方式的。为了满足半自动或全自动射击的需要，现代枪械大都利用火药燃气的能量来实现抛壳和上膛，在设计中很难精确地利用火药燃气的能量完成下一次的循环，为了满足可靠性的要求，只能过度利用燃气能量用十分猛烈的方式完成抛壳、复进上膛动作。这样既降低了火药的利用效率，又影响了射击的精度。由于机械构造的局限性，在一把枪上很难满足即可全自动射击又可高精度狙击的需求，导致目前狙击步枪为了满足精度的要求不得不采用栓动结构或者勉强采用半自动结构。
如今液体火药已经被广泛应用于矿山、海洋工程的作业、军事工程爆破以及特殊工程爆破的领域。液体火药具备高流动性、爆热高、体积能量好以及安全的优点。其中双元非自燃液体火药非常适合枪械的安全要求，通过压力喷射注入燃烧室混合后才能形成可燃爆的混合炸药。双元液体火药中氧化剂可以选择硝酸、四氧化二氮、过氧化氢、以及过硝酸胺（
液体火药具备良好的流动性，因此液体火药可以通过压力注入到燃烧室完成火药的装填。对于装甲车辆或其它机械化载具而言，由于有充足的动力，其液体火药可以采用常压装载，再通过高压泵输送到压力调节器。由于燃料和氧化剂分离，这样也可以尽量地提高火药存储的安全性，可以极大地避免弹药殉爆发生。另外，液体本身有着较高的比热以及良好的热传导性，其对燃烧室可以起到很好的降温效果，可以有效的防止燃烧室和机匣部分过热。
电子火控单元（efcu）的功能和汽车使用的引擎控制单元（ecu）的工作原理十分接近，且枪械对efcu远不如发动机对ecu有那样高的速度要求。参考当今主流单兵枪械的性能，枪械在全自动火力模式射速达到400～900发/分钟左右可满足战场的需求；在多连发火力模式下，战斗射速到达80～120发/分钟左右即可满足需求。通过单片机、存储器、电源模块、数模转换模块可以非常容易的实现满足于武器系统需要的电子火控单元（efcu）。结合开关器件、传感器、电磁阀、指示灯以及步进电机可以很好的实现基于液体火药的无弹壳武器。
基于当今枪炮及弹药局限性，本发明提供了一种采用液体火药的无弹壳武器思路，使得在同等负重条件下战斗人员的弹药携带量可以得到极大提高，与此同时还可以满足对武器系统精度和火力的双重要求，这类武器系统可以大大节约对铜材这类的贵重金属的消耗，使得射击成本大大降低。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种采用液体火药，利用电动方式进行自动循环完成弹头上膛闭锁，利用电子点火点燃火药完成发射，可以替代传统机械火药式武器的系统。
为了解决上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种利用电动方式实现枪机自动往复及闭锁的方法，该方法包括：
以电池供给能量，通过步进电机驱动实现枪机自动往复完成弹头装载、枪机闭锁动作；
步进电机驱动轴和活动零件之间的正时构造、零件模块化及免工具组装。
一种采用燃烧室进行直线往复运动实现弹头自动装载的方法，该方法包括：
以燃烧室作为运动部件，旋转锁直接驱动燃烧室在枪匣内部沿着弹膛轴线做直线往复运动；
利用燃烧室的直线往复运动实现弹头的装载；
确定弹匣、弹头和燃烧室之间的空间几何关系，确定燃烧室、弹膛结合部位的锥面形状，使得弹头在燃烧室锥头的挤压下可以自行进入弹膛完成装载。
一种实现弹膛和燃烧室气密锁止的方法，该方法包括：
燃烧室和弹膛结合面之间采用凸凹圆锥面嵌套贴合，燃烧室向前运动到停止点时其前端和弹膛贴合形成气密条件，燃烧室前端使用弹塑性较高的材料进行制造，在高压力下发生弹性变形可以使其更好地贴合弹膛锥面，其中燃烧室前端采用凸圆锥面，弹膛采用凹圆锥面；
通过采用旋转锁的方式锁定燃烧室，在锁定后使得燃烧室不再可以沿着轴向前后移动从而实现闭锁。
一种利用弹头锥形尾端部分伸入燃烧室实现燃烧室前端气密的方法，该方法包括：
在燃烧室锥端将弹头压入弹膛的同时，弹头尾端可以部分伸入到燃烧室的燃气出口内部封堵住燃烧室燃气出口为后续的火药喷射形成一定的气密条件，避火药喷射进入弹膛。
一种通过固定式柱塞实现燃烧室尾端气密的方法，该方法包括：
采用圆柱形柱塞实现燃烧室后端的气密，柱塞通过螺纹固定在机匣上，燃烧室尾端套在柱塞外如同气缸一样可以沿着轴向滑动，彼此间采用间隙配合并维持一定的气密条件；
柱塞需要可以承受火药爆炸后产生的压力。
一种通过固定式柱塞完成火药喷射和点火的方法，该方法包括：
沿着柱塞轴向有加工深孔，该类孔被用来安装点火器和作为燃料喷射孔。
一种针对液体火药流动易泄漏的特性，将喷射和点火进行联动的方法，该方法包括：
通过efcu实现火药喷射和点火联动，在紧随燃料和氧化剂喷射之后，点火器进行点火燃爆火药完成发射；
将联动耗时控制在人类反应速度以内，避免出现射击延迟。
一种实现单发精确射击的设计方法，该方法包括：
在单发模式下，每次射击后efcu会缺省的进行适当延时，确保弹头已发射出，然后再控制枪机完成弹头上膛和闭锁，然后再进入到等待下一次扳机触发指令的状态。当扳机再次触发，efcu将给出燃料和氧化剂喷射和点火的联动信号，该联动对射击精度的影响将小于传统击针撞击底火的影响。
一种实现高速射击需求的设计方法，该方法包括：
在多连发和连发火力模式下，枪机会连续进行往复循环完成上膛闭锁动作，期间efcu根据步进电机脉冲信号进行参考同给出火药喷射和点火的指令；
在高速连续进行的每一次上膛、闭锁、火药喷射和点火循环过程中，确保燃烧室有一个时间片段处于静止闭锁状态，同时在该时间段内完成火药喷射和点火发射；
多连发和连发火力模式下，除了燃烧室会有短暂静止状态，步进电机和其它运动部件要始终保持连续的循环运转状态。
一种采用单片机实现火控单元的方法，该方法包括：
智能控制火控单元（efcu）的系统结构；efcu的主程序流程。
一种利用电子开关通过efcu实现扳机功能的方法，该方法包括：
efcu处理扳机信号的程序流程。
一种利用电子开关通过efcu实现保险以及火力模式切换的方法，该方法包括：
efcu处理保险开启关闭、火力模式切换的程序流程。
一种利用电子开关通过efcu实现发射威力可选的方法，该方法包括：
efcu处理发射威力选择的程序流程。
一种利用电子开关通过efcu实现枪榴弹发射及空包弹发射的方法，该方法包括：
efcu处理发射空包弹或枪榴弹的程序流程。
一种调整内弹道自动适应环境射击诸元变化的方法，该方法包括：
efcu自动调整内弹道的程序流程。
由以上的技术方案可以看出，该武器系统不同于传统的机械火药的自动方式，而是采用了机电和自动化相结合的技术，可以使得武器结构更简单轻便，也更可靠更经济以及更加满足实际的需求。
附图说明
图1主要的机械零部件示意图；
图2主要运动部件示意图；
图3弹头上膛过程示意组图；
图4弹膛、弹头上膛和燃烧室关系示意图；
图5旋转锁和机匣关系意图；
图6柱形凸轮轮廓线示意图；
图7凸轮及凸轮轴正时方案示意图；
图8柱塞构造示意图；
图9电磁阀门座示意图；
图10弹匣及抱弹口示意图；
图11弹匣布局及装载示意图；
图12efcu模块示意图；
图13efcu软件开机流程示意图；
图14efcu运行流程示意图；
图15efcu关机流程示意图；
图16枪支整体布局示意图；
图17武器系统示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施案例对本发明进行详细描述。
本发明所提供方法的主要实施过程包括：
以北约5.56毫米口径弹药的相关参数为参考，本实施过程给出了采用长度508毫米（20英寸）重枪管、口径5.56毫米无托突击步枪的设计特例，该突击步枪可以进行精准狙击和全自动射击，满足大部分野战和巷战的需求，采用无托结构也将适合机械化步兵在狭窄车辆中使用。
整枪的主要机械零部件如图1所示，主要包含如下零部件：⑴枪管、⑵机匣套管、⑶燃烧室、⑷旋转锁、⑸导向销、⑹挡圈、⑺柱塞、⑻阀门座、⑼滑块、⑽导轨支架、⑾柱形凸轮、⑿凸轮轴、⒀定位销。这里还有efcu、步进电机、电磁阀、压力调节器、各类开关、传感器、指示灯和电池没有一并给出图示。
在前面给出的主要机械零部件中，枪管、燃烧室、旋转锁、导向销、挡圈、柱塞以及定位销采用钢质材料，其它的部件可以全部采用6061-t6铝合金材料进行加工制造，图1所示全部零件总重量在2.66千克。
本实施案例采用电池供能，使用步进电机驱动柱形凸轮旋转，柱形凸轮带动滑块推杆使滑块沿着导轨支架做直线往复运动，滑块再作用于导向销带动旋转锁沿着机匣套管l形导向槽进行直线及旋转运动，最终实现弹头上膛、闭锁的循环过程。本案例中机匣套管和导轨支架分别独立加工成型，机匣套管留有针对导轨支架装配的定位槽，导轨支架可以通过焊接或铆接的方式和机匣套管装配在一起构成机匣。运动部件相关关系见图2组图所示。
枪管和机匣套管之间可以采用螺纹连接，也可以采用其它快速插接的方式，并通过定位销确保安装到位。枪管根部兼弹膛功能，其圆锥底半径需要略微超过出弹口弹头的中轴线延长线，保障弹头尖端在燃烧室推动下进入弹膛锥面的引导范围，弹头上膛过程如图3组图所示。
燃烧室在确保强度的情况下需要尽可能轻量化以减少惯性，将有利于提高射武器的射速。燃烧室工作容积由弹头和柱塞位置决定，其容积大小需要综合考虑多方面的因素，最终还是需要通过实验来确定。高强度的燃烧室使得武器可以使用烈度更高、燃烧更加迅速的火药。燃烧室燃气出口半径需要略微大于弹头尾部半径，但是必须小于弹头最大半径。弹膛、燃烧室和弹头关系如图4所示。
本实施案例中，燃烧室采用钢铜复合制造，其中燃烧室主体采用钢材，燃烧室前锥端采用铜材。在强烈的爆炸压力下，铜材会表现出良好的延展性和弹塑性，燃烧室前锥端会出现轻微变形而更好的贴合弹膛锥面，从而实现良好的气密性，也可以避免前锥端在火药燃爆压力下开裂。
本实施案例中，旋转锁和机匣套管各自具备6个按圆周均匀分布的齿突，闭锁角为30度，当旋转锁沿着机匣套管l形导向槽旋转30度后，其齿突将和机匣套管上的齿突发生重叠从而完成燃烧室闭锁。齿突结合面之间采用楔形，随着旋转锁的旋转，楔形面之间的相互作用可以推动燃烧室尽可能地向前抵近弹膛，从而保证气密性，也防止燃烧室薄弱的前端因缺乏弹膛支撑而炸裂，与此同时可以降低了对机械加工和装配精度的要求。旋转锁和机匣套管关系如图5所示。
本案例中滑块和柱形凸轮上的螺旋开槽都采用45度螺旋角，导向销和滑块凸轮杆分别在这两组开槽中进行相对运动。以滑块为例，45度的螺旋角可以保证滑块移动的距离等于导向销绕机匣套管l形导向槽转动的弧长。柱形凸轮直接由步进电机驱动，柱形凸轮在旋转时会和滑块凸轮推杆相互作用而使滑块沿着导轨做直线往复运动。这里凸轮轮廓线如图5所示。
由图6可以看出轮廓线环绕凸轮一周，凸轮轮廓线从a—b段是一段垂直于凸轮轴的水平弧线，滑块凸轮推杆从a点到b点，凸轮旋转的角度约90度，其间滑块凸轮推杆将处于相对静止状态，同时燃烧室也处于闭锁状态。在高速连射火力模式下，凸轮将不间断的连续旋转，每当滑块凸轮推杆经历从a点再到b点的时间段里，efcu通过步进电机角位移量判断凸轮位置，并在该段时间内完成火药喷射和点火发射。
凸轮轮廓曲线的高度hc由燃烧室锥端伸入枪管锥面的距离lo、弹匣抱弹口的直径dm（或宽度）以及燃烧室闭锁时导向销沿着机匣套管转过的30度的弧长la决定，即hc=lo+dm+la，(注，这里限定滑块螺旋开槽的螺旋角是45度)。
鉴于凸轮轮廓线平直段a—b占据了1/4的圆周，螺旋开槽的螺旋角为45度，则柱形凸轮的直径dc需要满足：dc=8hc/3π
燃烧室的行程lc的关系为：lc=lo+dm
efcu需要通过步进电机的位移角判定火药喷射和点火的时机，柱形凸轮旋转的角度及方向可以唯一决定滑块的位置和运动方向，而滑块的位置和方向又可以唯一决定旋转锁和燃烧室的位置以及运动方向。因此只要确定好步进电机和柱形凸轮之间的正时装配，就可以解决整个系统的正时要求。由图7所示，本设计案例采用半圆截面的凸轮轴分别连接步进电机和柱形凸轮，这样可以完全杜绝因装配带来的正时问题。
柱塞在本系统中是一个比较核心的部件，除了承受爆炸产生的高温高压起着气密的作用以外，其本身还需要容纳点火装置和作为燃料的喷孔。其示意图参见图8，柱塞点火装置部分的构造参考汽车火花塞的构造和工艺，考虑到小口径弹药产生的最大膛压可达到430mpa，柱塞需要采用高强钢和高强度绝缘陶瓷进行制造。
阀门座可采用6061-t6硬质铝合金制造，阀门座除了承受柱塞传递过来的压力，同时还起着连接电磁阀和柱塞的作用，如图9所示，阀门座尾端提供2个圆柱形电磁阀插口，便于电磁阀的插接。
液体火药的燃烧剂和氧化剂可以采用压力容器进行加压隔离封装，然后通过快速插接接头和枪械进行连接，液体发射药和液体氧化剂将各自通过独立的管道进入到各自对应的压力调节器中，最后通过压力调节器形成恒压再进入到2个电磁阀中。
在本实施方案中，液体发射药直到进入燃烧室才进行混合，从而确保了该类武器的安全性。
考虑现有的技术条件，对于单兵武器采用压力容器进行液体发射药的供给比较现实。以5.56毫米弹药为例，其弹壳装药量约为1.5克，体积约1.85毫升，考虑到液体火药体积能量高于固体发射药，而且本武器系统有着更高的火药利用效率，所以采用450毫升的压力瓶装液体火药至少可以满足300次以上的连续发射要求。
对于瓶内需要维持的压强大小可以做个简单的估算：
假定该枪械设计射速为600发/分钟（即柱形凸轮的旋转速度为600转/分钟），则每发子弹平均耗时为100毫秒。由前面图6所示，在连射模式下滑块凸轮推杆从a点到b点，凸轮旋转的角度约90度，其间efcu将完成火药喷射和点火的过程，点火时间可以忽略不计，则从a到b点的时间约为ti=100×90/360=25毫秒。每次喷射液体火药的量为ci=1.5毫升，则其流量qi=1.5/0.025=60毫升/秒，由燃料喷孔直径di=2毫米，可以得到需要的燃料喷射速度为vi=4ci/πtidi2，可以得到vi=19.1米/秒。
当电磁阀开启时，火药会从压力调节器经阀门开孔流入柱塞的喷孔中，并由喷孔喷射进入到燃烧室内，假定压力调节器需要维持的恒定压强为pr，，液体在压力调节器中的流速可认为近似于0，柱塞喷孔出口的压强pi近似于一个大气压，忽略液面高差的影响。根据伯努力方程，则有：pr=pi+ρvi2/2，其中ρ为液体火药的密度，这里近似的取ρ=1000kg/m3，由前面的计算值代入可以得到pr=pi+0.183mpa=0.284mpa，由此可见理想状态下pr不到三个大气压，即便考虑到液体的粘滞性及小孔的摩阻力，pr应该还会是一个在实际生产上可实施的范围。
由于弹头体积远小于完整的有壳子弹，因此本发明类武器的弹匣具备更大的容量潜力，适合采用鼓式弹匣、圆筒式弹匣。这里本实施方案采用了顶装纵向弹匣（topmountedlongitudinalmagazine）为特例进行参考，该弹匣专利（专利编号us4905394a）于1990年在美国发布，目前已经超过20年时效，可以免费使用。该弹匣具备简单、轻巧和大容量的特点，特别适合本实施方案。目前利用这一专利弹匣的武器有比利时fabriquenationale公司生产的p90，其使用的弹匣长度约28厘米，容量50发。在本方案中采用长度约22厘米的弹匣，其容量可以达到60发。如图10所示，本方案中该弹匣在机匣上方进行装载，其抱弹口需要有一个略微向前倾斜向下的角度，便于弹头在推入弹膛的过程中更可靠的进入到弹膛锥面内部。另外，本实施案例中弹匣装载不同于fn的p90，这里将弹匣布置在枪身后部，这样将不会影响护手和导轨的布局，如图11所示。
efcu是整个系统的大脑，是本系统最为核心的部件之一，由硬件和相关的软件构成，其硬件模块框图如12图所示，其软件开机流程图如图13所示，运行流程图如图14所示，图15所示为efcu关机流程图。在选装有环境传感器的情况下，每次扳机触发时，efcu都将检测射击诸元参数，efcu将从各个环境传感器中获取实际参数，并通过插值算法确定阀门开启定时器的修正值。
作为武器使用的电子部件，在整个实施方案中所有电子部件及电路都需要满足防水、抗冲击以及防电磁干扰的需求。
枪支整体的布局可以参考图16所示，采用20英寸重管，铝合金材质护手和导轨，工程塑料枪托及握柄，枪支的整体长度不超过790毫米，高度不超过220毫米，枪支重量可以控制在3.5公斤以内（含电池，但不含弹匣及燃料罐）。其中燃烧剂和氧化剂罐可以采用铝罐或其它耐压抗腐蚀材料制成，其内部由燃烧剂和氧化剂隔离装填并各自施加压力。罐体本身可以借助护手下部的导轨实现挂载和固定，燃烧剂及氧化剂的出口和枪械上的快速插接阀门相连接。
以上所述仅为本发明的较佳实施特例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。