一種聲測量彈目偏差的方法研究*

李宗賢,蔣小奇,王鳳歌

(1.西北機電工程研究所,陜西咸陽 712099;2.北方重工業(yè)集團有限公司,內(nèi)蒙古包頭 014033)

火炮武器綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)最終射擊效果的考核指標(biāo)是毀傷效能,其中密集度和射擊精度是被考核的關(guān)鍵指標(biāo)之一,火炮對空中飛行目標(biāo)射擊時彈丸與目標(biāo)之間的距離,即彈目偏差[1]測量值則是計算該指標(biāo)的原始數(shù)據(jù).就目前所采用的測量技術(shù)而言,雷達可進行實時測量,光學(xué)方法需事后處理,它們的優(yōu)點是無需針對彈丸進行校準和協(xié)作目標(biāo),屬主動式測量方法,對大口徑火炮的彈丸來說基本是可行的,而對小口徑高炮的彈丸,尤其是小口徑、高射速高炮武器系統(tǒng)則存在漏測率高的缺陷.本文通過采用聲學(xué)空間定位原理測量火炮武器系統(tǒng)對空中飛行目標(biāo)射擊時彈丸與目標(biāo)之間的矢量距離(簡稱彈目偏差向量)測試系統(tǒng)的研究,可以解決上述技術(shù)存在的問題,為火炮武器系統(tǒng)實現(xiàn)精確打擊,考核和評價火炮武器系統(tǒng)的射擊密集度和射擊精度提供有效測試與試驗,達到對目標(biāo)射擊毀傷效能進行快速、準確、科學(xué)評估的目的[2].

1 超音速飛行彈丸特征

由空氣動力學(xué)知,當(dāng)彈丸以大于局部空間聲速飛行時,空氣受到擾動而形成疏密變化的壓力波,俗稱彈頭波,彈道上各點彈頭波波前和波后的軌跡其形狀如一運動圓錐,頂點伴隨著聲源一起運動,波前圓錐半角u=arcsin(1/Ma)[3],如圖1所示,其中PB為砰發(fā)點,dB為傳感器到砰發(fā)點的距離,TF為彈丸N波時間寬度,RB為脫靶距離[4].在彈道上每一點都有一個運動方向和波前成直角并以聲速向外傳播的壓力波,該波在時間軸上呈英文字母“N”的形狀,所以又被稱為彈丸N波.彈頭波的波前稱為彈丸N波前沿、波后稱為彈丸N波后沿,實際測量的超音速飛行彈丸N波信號如圖2所示.經(jīng)過大量的試驗數(shù)據(jù)分析研究發(fā)現(xiàn),超音速飛行彈丸具有如下特征:彈丸N波的前沿和后沿的斜率(上升時間)、壓力幅值(絕對值)基本一致;彈丸N波的前沿與后沿之間的時間差(簡稱彈丸N波時間寬度)隨測量點距彈道線距離的增加而增大;彈丸N波的前沿和后沿的壓力幅值隨測量點距彈道線距離的增加而減小.實際測量超音速飛行彈丸N波信號與測試距離的關(guān)系見表1.

表1 實際測量超音速飛行彈丸N波信號與測試距離的關(guān)系Tab.1 Relationship ofm easured real N w ave real signal and m easuring distance

圖1 彈頭波示意圖Fig.1 Schem atic diagram of projectile w arhead

圖2 實測彈丸N波信號(距離20.8 m,35 mm彈丸)Fig.2 Realm easurement o f the projectile's N wave signal(distance 20.8 m,35mm projectile)

2 工作原理

基于前面對超音速飛行彈丸N波信號的特征分析,只要通過探測器(安裝有激波傳感器即N波傳感器)能測量到超音速飛行彈丸N波信號,并提取出彈丸N波時間寬度,經(jīng)過對其彈丸N波時間寬度的相關(guān)計算和修正,就可以得到探測器與彈道的最短距離,即彈目偏差,這是聲學(xué)方法測量彈目偏差的基本原理.當(dāng)然,也可以通過測量并提取出彈丸N波壓力幅值的方法得到彈目偏差.通過理論和實際試驗數(shù)據(jù)分析認為:采用彈丸N波時間寬度為測量參數(shù)的測試方法,其測量精度較高,這是因為在實際工程測量時,所測量的彈丸N波時間寬度參數(shù)受天氣(溫度、濕度、氣壓及風(fēng)速等)、遮擋物繞射等外部環(huán)境因素的影響,遠比所測量的彈丸N波壓力幅值參數(shù)影響小的原因.

火炮對空射擊彈目偏差向量測試系統(tǒng)采用空間聲定位的測量原理,其工作過程是:為了測量彈目偏差向量,引入了計算上較簡單的交匯方法,即通過 4個安裝在指示器陣架各自特定位置的N波傳感器[6],該N波傳感器具有高靈敏度、高頻率響應(yīng)、帶有溫度和振動補償及全向接收彈丸激波的性能[7-8],它們分別采集超音速飛行彈丸N波信號,經(jīng)過放大器、濾波器將彈丸 N波信號預(yù)處理后,由N波信號數(shù)字處理模塊對該N波信號進行信號分析、識別處理,使測試系統(tǒng)具有抑制空中氣動和高速飛行平臺所產(chǎn)生振動等噪聲的能力,最終從復(fù)雜的背景噪聲中正確提取出彈丸的N波信號信息:首遇或全部4個N波傳感器所測彈丸N波的時間寬度TFi,或TF1～TF4和4個N波傳感器接收到彈丸N波的時刻t4.為了確定在飛行目標(biāo)附近彈道方向nb,在指示器陣外增設(shè)第5個 N波傳感器以提取彈丸N波時間寬度TF5和接收到彈丸N波的時刻t5.上述5個時刻(t1、t2、t3、t4、t5)、兩個時間寬度(TFi、TF5)或5個時間寬度(TF1～TF5),再經(jīng)空中預(yù)處理器對其處理后,得出各N波傳感器所接收同一發(fā)超音速飛行彈丸N波信號的時間差t1～t4或t1～t5和N波時間寬度TFi,通過編碼和遙測發(fā)射機將這些原始信號數(shù)據(jù)發(fā)向地面接收機.地面接收機將接收的信號數(shù)據(jù)傳輸給解調(diào)器,地面綜合處理中心再利用這些解調(diào)器所接收到的時間差及N波時間寬度參數(shù)和其它由常規(guī)測試或查表得到的參數(shù),代入該測試系統(tǒng)所建立的數(shù)學(xué)模型中,即可算出彈目偏差向量.

火炮對空射擊彈目偏差測量公式

式中:C1、C2為彈丸校準系數(shù),由常規(guī)地面校準試驗預(yù)先得出;MP為空中目標(biāo)近處的馬赫數(shù),由彈丸存數(shù)VP除以聲速C得出;TFi為N波的時間寬度,i=1～5.

根據(jù)被試對象的特征、使用環(huán)境、測量范圍及測量精度等具體情況,火炮對空射擊彈目偏差測試系統(tǒng)可分為以下幾種類型:只測量以飛行目標(biāo)為中心的彈丸偏差量稱為簡易快速評價彈目偏差測試系統(tǒng);可以測量以飛行目標(biāo)為中心并可給出彈丸所處象限的偏差量稱為標(biāo)量彈目偏差測試系統(tǒng);火炮對空射擊彈目偏差向量測試系統(tǒng)則可以給出在以飛行目標(biāo)某點為中心所建立坐標(biāo)系中彈丸的矢徑.

3 系統(tǒng)組成

火炮對空射擊彈目偏差向量測試系統(tǒng)由指示器和地面綜合處理中心站兩大主要部分組成.其中指示器由N波傳感器、N波信號數(shù)字處理模塊、預(yù)處理器和遙測發(fā)射機構(gòu)成;地面綜合處理中心站由接收機、解調(diào)器及地面信息處理中心構(gòu)成,如圖3所示.

圖3 彈目偏差測試系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of m issd istance test system

指示器安裝在空中飛行平臺系統(tǒng)上,接收可測量范圍內(nèi)的彈丸N波信號,尤其是通過N波信號數(shù)字處理模塊要將處于測量距離遠端、淹沒在強氣動背景噪聲中的微弱彈丸N波信號正確的提取出來,經(jīng)預(yù)處理器處理得到各N波傳感器接收同一發(fā)彈丸N波信號的時間差和N波時間寬度,通過遙測發(fā)射機將該組原始信號數(shù)據(jù)發(fā)送給地面綜合處理中心站.遙測發(fā)射、接收系統(tǒng)采用突發(fā)遙測數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),這樣可以大幅度提高無線傳輸數(shù)據(jù)的可靠性.

地面綜合處理中心站主要負責(zé)接收從空中發(fā)回的測量數(shù)據(jù),經(jīng)過地面接收機和解調(diào)器,送入地面信息處理中心,地面信息處理中心再依據(jù)所建立的彈目偏差向量數(shù)學(xué)模型和修正模型及其它由常規(guī)測試或查表得到的參數(shù),完成彈目偏差向量的數(shù)據(jù)解算、顯示、輸出、網(wǎng)絡(luò)傳送等功能.

由于空中飛行平臺系統(tǒng)裝有大量的定高、飛行姿態(tài)等其它控制裝置,而且空間狹小、允許載荷質(zhì)量有限,所以,在電子元器件、機加件的材料選擇和加工工藝均需綜合考慮.

4 試驗數(shù)據(jù)

火炮對空射擊彈目偏差向量測試系統(tǒng)歷經(jīng)12.7,14.5mm機槍,25,30,35及37 mm火炮等多種類型槍炮的地面和對空射擊試驗,獲取了大量的試驗數(shù)據(jù).該測試系統(tǒng)每航次試驗結(jié)束后自動提供全部測試結(jié)果(彈序、彈目偏差角、脫靶距離或每組彈的彈目偏差統(tǒng)計值和散布圖等),所測數(shù)據(jù)還可事后再處理.

表2是該測試系統(tǒng)的測量試驗數(shù)據(jù)與真值數(shù)據(jù)的對比,數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明系統(tǒng)測試精度可達測試距離的±5%(1σ).X、Y分別是彈丸在炮手坐標(biāo)系的偏差值.

表2 試驗數(shù)據(jù)與真值數(shù)據(jù)的對比Tab.2 Com parison of test data and real data

5 結(jié) 論

由試驗數(shù)據(jù)分析可知,火炮對空射擊彈目偏差向量測試系統(tǒng)達到了設(shè)計指標(biāo),可以滿足未來火炮武器系統(tǒng)對空射擊彈目偏差向量的實時測試要求,起到快速、準確、實時分析、考核、評價和診斷影響武器系統(tǒng)對空射擊精度性能的問題,達到迅速解決具體問題的目的,能夠有效地減少系統(tǒng)試驗次數(shù)、縮短產(chǎn)品研制周期;節(jié)約大量的人力、物力和試驗經(jīng)費.該測試系統(tǒng)可廣泛適應(yīng)地(艦)對空、空對地(艦)、空對空、地(艦)對地(艦)等各種條件下的射擊試驗.

[1] 西北機電工程研究所.火炮對空射擊彈目偏差向量測試方法與設(shè)備:中國,94107406.4[P].1995-11-19.

[2] 李宗賢,康寶.火炮對空射擊毀傷效能測試方法研究[C]//中國兵工學(xué)會2008學(xué)術(shù)年會論文集分冊.西安:中國兵工學(xué)會,2008:78-80.

[3] 肖峰,李惠昌.武器和測量[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002:84-91.

[4] 張飛猛,馬春茂.對空射擊聲學(xué)靶脫靶量測量測試系統(tǒng)的精度分析[J].兵工學(xué)報,2000,21(1):23-26.

Zhang Feimeng,Ma Chunmao.Accuracy analysis for themeasuring system of target deviation for p rojectiles shooting an acoustic target[J].Journalof Ordnance,2000,21(1):23-26.(in Chinese)

[5] 西北機電工程研究所.武器對空射擊炸目偏差實時測試方法:中國,200610055444.0[P].2008-10-15.

[6] 西北機電工程研究所.一種壓電式測量彈丸激波的壓力傳感器:中國,200610055373.4[P].2009-11-16.

[7] 李宗賢,于雪媛.一種用于測量彈丸激波的傳感器[J].傳感器技術(shù),2003,22(7):30-32.

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[8] Zi Zhenghua,Shi Gengchen.Research on Identifying supersonic projectiles based on shock wave[J].Journal of test and measurement technology,2007,21(2):21-24.