Dynamic analysis of firing mechanism of underwater pistol

TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SỐ K2-2017 61  Abstract — The important problem of designing underwater pistol was analysed and calculated the dynamics of firing mechanism. On the basis of analyzing the performance of the underwater pistol, the paper presents a theoretical model for analysing the dynamics of firing mechanism of underwater pistol with the with the resistance of water acting on firing pin and slide. The result of this research can be applied to design the underwater pistol and underwater firearm. Index Terms—Dynamics, Firing mechanism , Resistance of water, Underwater pistol. 1 INTRODUCTION HE underwater pistol is designed to destroy enemy personnel at ranges of up to 20m under water (depending on diving depth) [1]. Firing under water is possible from all swimmer positions as well as against surface targets from under water. The pistol is intended for combat swimmers. Two kinds of typical underwater pistol current are HKP11 of Germany (Fig.1a) and SPP-1M of Russian (Fig.1b) [2]. In Vietnam, the research on underwater pistol is limited and water commando forces have not been equipped with this weapon. The researches are mainly focused on projectile's motion under water. So design underwater pistol has become a hot topic. Manuscript Received on July 13th, 2016. Manuscript Revised December 06th, 2016. This research is funded by the state-level project “Design and manufacture underwater pistol and projectile to serve the water commando forces” code: KC.03.TN08/11-15. We are also grateful to our colleagues from Department of Weapons for valuable discussions which help to conduct the study. Dung Nguyen Thai is Dean of the Faculty of Weapons and Director of the Technical Center for Weapons, Military Technical Academy (e-mail: thaidung1966@gmail.com). Hung Nguyen Van is with the Department of Weapons, Faculty of Weapons, Military Technical Academy (e-mail: hungnv_mta@mta.edu.vn). In the design process, the dynamic analysis of firing mechanism is a fundamental problem and very important [3]. So the article focuses on solving this problem with the research object is firing mechanism of SPP-1M underwater pistol. a) b) Figure 1. Two kinds of typical underwater pistol a. HKP11 underwater pistol; b. SPP-1M underwater pistol 2 DYNAMIC MODEL OF FIRING MECHANISM OF UNDERWATER PISTOL The principle of operation of firing mechanism of underwater pistol based on the operation of typical pistol but it is improved to reduce the resistance of water [4]. The firing mechanism of underwater pistol consists of: trigger, slide, slide latch, firing pin, and return spring [5,6,7,8]. Fire process comprising two stages (fig.2): Stage I: Slide and firing pin moves backward. After pulling the trigger, trigger (1) motions and impacts on B point on the slide (3) to make slide and firing pin moving backwards. Stage I ended when the catch (2) is not contact with B point on on the slide. Stage II: Slide and firing pin moves forward. After the catch (2) is not contact with B point, Slide (3) and firing pin (4) move forward under the Dynamic analysis of firing mechanism of underwater pistol Dung Nguyen Thai, Hung Nguyen Van T 62          SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 20, No.K2- 2017 action  of  recoil  force  of  the  spring.  Firing  pin  moving  forward  and  strike  the primer on bullet  to  fire.  Figure 2. Structural diagram of firing mechanism of underwater  pistol  1. Trigger; 2. Slide latch; 3. Slide; 4. firing pin; 5. return spring.  The  dynamic  model    of  firing  mechanism  of  underwater  pistol  is  built  on  the  basis  of  the  following assumptions:  1.  The  objects  in  the  firing  mechanism  are  absolute hard.  2.  Ignore  the  resistance  of  water  acting  on  the  objects  rotation  in  mechanism  (Trigger  and  Slide  latch).  3.  Ignore  the  resistance  of  water  acting  on  the  return spring and Slide.  4.  Ignore  friction  force  acting  on  the  objects  when moving.  5.  In  stage  II,  Silde  and  firing  pin  are  blocked  into  an  object  with  mass  is  3,4m   and  it  move  forward. Hence  the  model of    firing mechanism  is  simple model as shown in firgure 3.  6. Angular velocity of Trigger    around origin  O is constant.  In  order  to  analyse  dynamics  of  firing  mechanism, at first we consider kinematic in stage  I. In Fig.2 it is seen that:  2 1 3 2 1 os os sin sin Bx l c l c e l l     =   =                 (1)  Derivative equation system 1 we obtain:  1 3 2 1 os (tan tan ) sin sin Bx l c e l l       = -   =     (2)  Derivative equation system 2 we obtain:  1 2 3 2 1 (tan tan ) os (1 tan tan ) sin sin Bx l c e l l              = -    -    =       (3)  In equation systems (1), (2), (3):  2      In  stage  I,  external  forces acting on  the  systerm  as follows (Fig.1):  1. Elastic force of the return spring  F .  2.  The  Moment  of  trigger  pull  of  the  gunner  pM .  3. The resistance moment of trigger spring  RSM .  Assumption  uM   is  useful  moment  acting  on  trigger to fire, we have:  1 os (tan -tan )-Mu p RSM M Fl c   = -        (4)  The  total kinetic  energy of  the  system  given  by  [9]:  1 2 3 2 2 2 2 2 2 1 2 1 3,4 1 2 2 2 2 1 2 1 3,4 1 1 1 1 J os (tan tan ) 2 2 2 1 [J os (tan tan ) ] 2 T T T T m l m l c m l m l c           =   = =    =          (5)  where:  1 2 3, ,T T T   are  the kinetic energy of Trigger,  Slide latch and Slide  1J  is the moment of inertial of Trigger.  2m  is the mass of Slide latch.  3,4m  is the total mass of slide anf firing pin.  The dynamic equations of  firing mechanism are  in the Lagrangian form given by [10]:  u d T T M dt      - =                  (6)  From Eq. (4), (5), (6) we have:  2 2 2 2 1 2 1 3,4 1 2 2 3,4 1 2 1 os (tan tan ) 1 [sin2 (tan tan ) 2sin2 2 2(tan tan )] os (tan -tan )-Mp RS J m l m l c m l M Fl c                       -    = -   (7)  Because  the  angular  velocity  of  Trigger  is  constant  (assumption 6),  so  0 = . From Eq.7 we  obtain:  1 2 2 3,4 1 2 os (tan -tan )+M 1 [(tan tan ) sin 2 2sin2 2 2(tan tan )] p RSM Fl c m l           =     -      (8)  In stage II, the article only studying the dynamic  of firing pin. So from the Fig.3 we have:  3,4 1 2( ) ( )m x H x k R R= - -           (9)  where  3,4m  is the total mass of slide and firing pin.  H  is the original length of the spring.  k  is a constant factor characteristic of the spring.  TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SỐ K2-2017 63  1 2,R R are  resistance  forces  of  water  acting  on  firing  pin  and  its  are  determined  by  the  formula  [11]:  2 1 1 1 2 2 2 2 1 2 1 2 d d R A C x R A C x    =   =                        (10)  where  1 2,A A  are the area of firing pin at nose and  body;    is density of water;  x  is velocity of firing  pin;  1 2,d dC C   are  drag  coefficient.  Because  the  shapes  of  nose  and  body  section  of  firing  pin  are  the same, so:  1 2 1.2d d dC C C= = =   Figure 3. Model of  firing mechanism of underwater pistol in  stage II  From Eq.9, 10 we have:  2 3,4 1 2 2 1 ( ) ( ) 2 1 ( ) 2 d d m x H x k C A A x H x k C Ax   = - -  = - -        (11)  where  1 2A A A=   is the section area of firing pin.  Initial  conditions  to  solve  equations  (11)  are:  0(0) 0; (0)x x x= = .  So  the  dynamic  equations  of  firing pin in stage II are:  TABLE 1   INPUT PARAMETERS  No. Items Symb ol Unit Value 1  Geometric dimensions  (Fig.2) 1l mm  16.9  2l mm  44.4  e3=e1-e2  mm  1.2  1  Mass of slide and firing  pin  3,4m kg  0.08  2  Resistance moment of  trigger spring  RSM N/mm  0.14.  10-3  3  Constant factor  characteristic of the spring  k   N/mm  0.65  4  Mass of cartridge case  Mvd  kg  0,091  5  Angular velocity of  Trigger      rad/s  1  6  Section area of firing  pin  A   mm 2  254.7  7  Original length of the  spring  H   mm  220  8  Density of water     kg/m3  1030  9  Drag coefficient  dC     1.2  2 3,4 3,4 3,42 dC A k Hkx x x m m m  - = -                 (12)  3 CALCULATION RESULTS  AND DISCUSSION  For the purpose of presenting results of solution,  we chose object is the firing mechanism of SPP-1M  underwater  pistol.  The  values  of  the  input  parameters to analyse are listed in table 1.  The  results  calculated  of  displacement,  velocity  and acceleration of slide with  0 0270 ,320       in  stage  I  shown  in  figure  4.  The  displacement,  velocity,  acceleration  of  slide  and  firing  pin  with   0,6t ms   in  stage  II  shown  in  figure  5.  We  can  see  maximum  velocity  of  slide  in  stage  I  is  18.29  mm/s at  0289.9 = .  4.712 4.8 4.887 4.974 5.061 5.149 5.236 5.323 5.411 5.498 5.585 40 41.6 43.2 44.8 46.4 48 49.6 51.2 52.8 54.4 56 Displacement ( )  180deg   (a) 4.712 4.8 4.887 4.9745.061 5.149 5.2365.323 5.411 5.498 5.585 14.5 14.9 15.3 15.7 16.1 16.5 16.9 17.3 17.7 18.1 18.5 18.29 Velocity ( ) 5.057  180 deg   (b) 4.712 4.8 4.887 4.974 5.061 5.149 5.236 5.323 5.411 5.498 5.585 15- 12.7- 10.4- 8.1- 5.8- 3.5- 1.2- 1.1 3.4 5.7 8 Acceleration ( )  180 deg   (c) Figure 4. Displacement, velocity and acceleration of slide in  stage I  64          SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 20, No.K2- 2017 a. Displacement; b. Velocity; c. Acceleration  0 1.2 10 3-  2.4 10 3-  3.6 10 3-  4.8 10 3-  6 10 3-  0.078 0.0802 0.0824 0.0846 0.0868 0.089 0.0912 0.0934 0.0956 0.0978 0.1 x t( ) t   a)  0 1.2 10 3-  2.4 10 3-  3.6 10 3-  4.8 10 3-  6 10 3-  0 0.7 1.4 2.1 2.8 3.5 4.2 4.9 5.6 6.3 7 t x t( ) d d t   b)  0 1.2 10 3-  2.4 10 3-  3.6 10 3-  4.8 10 3-  6 10 3-  100 299 498 697 896 1.095 10 3  1.294 10 3  1.493 10 3  1.692 10 3  1.891 10 3  2.09 10 3  2 t x t( ) d d 2 t   c) Figure 5. Displacement, velocity and acceleration of slide and  firing pin in stage II  a. Displacement; b. Velocity; c. Acceleration  4 CONCLUSION  Through  analysis  of  operating  characteristics,  building  mathematical  model  for  analysing  the  dynamic  of  dynamic  of  firing  mechanism  of  underwater pistol and application with the SPP-1M  underwater pistol, we see that the calculation results  was suitable  for  the  fact. Therefore,  the  theoretical  model  of  the  article  has  been  presented  is  model  have high accuracy and can be applied to design the  underwater  piston  and  underwater  firearm  and  amphibious  assault  rifle.  The  research  results  of  this paper have been used in the state-level project  “Design  and  manufacture  underwater  pistol  and  projectile  to  serve    the  water  commando  forces” code: KC.03.TN08/11-15.  REFERENCES  [1] “Firearms Technical Trivia”, cruffler.com, 2001.  [2] “4.5mm  SPP-1M  Underwater  Pistol”,  TsNIITochMash,  2010.  [3] Bộ  môn  súng pháo,  “Nguyên  lý  thiết  kế  súng  tự  động”,  Tập 3, Trường Đại học Kỹ thuật quân sự, 1977.  [4] Võ Ngọc Anh, “Động lực học vũ khí tự động”, Học viện  Kỹ thuật  quân sự, 1995.  [5] Popenker,  Max  R,  “SPP-1  underwater  pistol”,  world.guns.ru, 2010.  [6] T. O. Zavod(TOZ), “Special Submarine Pistol SPP-1M”,  Tula Arms Plant, 2010.  [7] “SPP-1  and  SPP-1M  underwater  pistol  4.5mm”,  www.securityarms.com,2010.  [8] Bộ  môn  súng pháo,  “Nguyên  lý  thiết  kế  súng  tự  động”,  Tập 1, Trường Đại học Kỹ thuật quân sự, 1974  [9] Nguyễn Đông Anh, “Động lực học hệ vật rắn”, Nhà xuất  bản xây dựng, 2000.  [10] P.  D.Benzkofer,  “Dynamic  analysis  of  shoulder-fired  weapons”,  Proceedings  of  the  seventh  U.S.Army  symposium on gun dynamics, p205-225, U.S.Army, 1993  [11] A.M.  Mackey,  “A  mathematical  model  of  water  entry”,  AUWE Technical Note, No.636179,1979.  Dung Nguyen Thai was born  in Vinh Phuc Province, Viet  Nam in 1966. He received the  B.S. and M.S. degrees in  weapon engineering from the  Military technical Acedemy,  Viet Nam, in 1990 and the  Ph.D. degree in mechanical  engineering, in 2002.      From 2001  to 2004, he  was  a  Lecturer  with  the  Department  of  Weapons,  Faculty  of  Weapons,  Military  Technical  Academy.  Since  2010,  he  has  been  an  Asscociate  Professor.  He  is  the  author  of  nine  books,  more  than  40  articles. His  research  interests  include  design  and  improvement  of  guns  and   rocket  motor.  He  is  Dean  of  the  Faculty  of Weapons and Director of  the Technical Center  for  Weapons, Military Technical Academy.   Hung Nguyen Van  was  born  in  Thanh  Hoa  Province,  Viet  Nam  in  1985.  He  received  the  B.S.  and  M.S.  degrees  in  weapon  engineering  from  the  Military  technical  Acedemy,  Viet  Nam,  in  2009.  He  is  lecturer  of  the  Department  of  Weapons, Faculty of Weapons,  Military  Technical  Academy. He  is  the  author  of  three  books,  more  than  10  articles.  His  research  interests  include design of special ammunition and  guns.   TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SỐ K2-2017 65  Tóm tắt - Tính toán và phân tích động lực học của cơ cấu phát hỏa là một vấn đề rất quan trọng trong tính toán thiết kế súng ngắn bắn dưới nước. Trên cơ sở phân tích hoạt động của súng ngắn dưới nước, bài báo trình bày một mô hình lý thuyết để phân tích động lực cơ cấu phát hỏa súng ngắn bắn dưới nước có kể đến ảnh hưởng do lực cản của nước tác động lên khóa nòng và kim hỏa. Kết quả nghiên cứu của bài báo có thể ứng dụng trong tính toán thiết kế súng ngắn và súng tiểu liên bắn dưới nước. Từ khóa - Động lực học, Cơ cấu phát hỏa, Lực cản của nước, Súng ngắn bắn dưới nước. Phân tích động lực học cơ cấu phát hỏa   của súng ngắn bắn dưới nước  Nguyễn Thái Dũng, Nguyễn Văn Hưng