彈丸出炮口時間測試方法研究

王寶元，鈔紅曉，邵小軍，張鵬飛，曹馨，洪麗娜

(西北機電工程研究所，陜西咸陽712099)

彈丸出炮口時刻的時間參數(shù)在火炮動力學(xué)分析、實驗測試等研究領(lǐng)域有著重要的作用，研究火炮結(jié)構(gòu)振動影響其射擊精度時，必然涉及到彈丸出炮口時間，研究彈丸膛內(nèi)運動規(guī)律需要彈丸出炮口時間，研究炮口振動影響彈丸起始擾動需要彈丸出炮口時間［1－4］。彈丸出炮口時間可以采用內(nèi)彈道計算方式得到，也可以采用實驗測試方式得到，但實驗測試更具有實際指導(dǎo)意義。

為了得到彈丸出炮口時刻的時間參數(shù)，人們先后提出了高速攝影法、靶絲通斷法、光電法和后坐位移法等。靶絲通斷法和光電法由于方法簡單、容易實現(xiàn)，多年來一直是人們首選采用的時間參數(shù)測試方法，在火炮參數(shù)測試領(lǐng)域已應(yīng)用多年，發(fā)揮了較積極的作用。隨著火炮測試技術(shù)的深入研究和火炮動態(tài)參數(shù)的精確測量，傳統(tǒng)的靶絲通斷法和光電法時間測量誤差大小就受到人們的高度重視。彈丸出炮口時刻，是彈丸碰斷靶絲，還是高速火藥氣體吹斷靶絲?光電法形成的脈沖曲線中，曲線起始點是彈丸出炮口時刻，還是曲線最大值點是彈丸出炮口時刻?由于測試技術(shù)的限制，目前還沒有見到相關(guān)測試結(jié)果的公開報道。

由于上述方法的工作原理不同，由此得到的彈丸出炮口時間也出現(xiàn)數(shù)值上的差異。哪種方法能更準(zhǔn)確反映彈丸出炮口時刻、不同方法之間差異如何?為回答上述問題，特進(jìn)行彈丸出炮口時間實驗方法研究。

本文以小口徑火炮為實驗對象，采用高速攝影法、靶絲通斷法、光電法和后坐位移法等4 種方法，開展彈丸出炮口時刻的時間參數(shù)測試方法研究，用4 種方法同時測試同一發(fā)彈丸出炮口時間，用同一臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集4 種信號，這樣，就將4 種信號的時間坐標(biāo)統(tǒng)一了，以便相互對比。由于高速攝影法能清晰地觀察到彈丸出炮口的高速運動過程，又有很高的時間分辨率，因此，以高速攝影法得到的時間曲線為時間基準(zhǔn)，將其余3 種方法得到的時間曲線與之對比，分析每一種方法彈丸出炮口的準(zhǔn)確時間。

彈丸出炮口時刻的時間參數(shù)測試文獻(xiàn)報道很少。文獻(xiàn)［5］涉及到了彈丸出炮口時間參數(shù)，但沒有給出炮口時間的測試方法。目前，國外在彈丸出炮口時間測試技術(shù)方面，主要采用高速數(shù)字?jǐn)z影法、光電法、光幕法、天幕法、聲學(xué)法等。文獻(xiàn)［6］采用炮口壓力傳感器記錄彈丸離開炮口時間，但沒有介紹時間測量機理，這種方法也存在靶絲通斷法和光電法的缺陷。文獻(xiàn)［7］在炮口外表面粘貼電阻應(yīng)變片，當(dāng)彈丸通過炮口時，該位置出現(xiàn)膨脹而應(yīng)變信號會出現(xiàn)突變，以此特征給出彈丸離開炮口時間，這種方法容易受到應(yīng)力波的干擾。國外在炮口固定炮口靶，用線圈感應(yīng)彈丸出炮口時間，及時為火控系統(tǒng)和彈丸引信裝定提供時間信息，以此提高火炮射擊精度，取得了很好的效果，但在靶場常規(guī)測試中，這種方法通用性受到限制。

1 測試原理

所謂彈丸出炮口時間，就是火炮射擊時，彈丸的彈帶離開炮口時刻的時間。時間測試基準(zhǔn)可以是火炮擊發(fā)時刻，也可以是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的觸發(fā)時刻。彈丸出炮口時間測試方法研究，就是用同一臺數(shù)采同時記錄4 種原理傳感器感知的同一發(fā)彈丸出炮口時間信號，分析各方法的差異，指出形成差異的原因，以及4 種方法如何正確使用。

1.1 高速攝影法

如圖1所示，火炮射擊前，在炮口側(cè)面合適位置布置一臺高速數(shù)字?jǐn)z像機，視場對準(zhǔn)炮口。火炮射擊，彈丸經(jīng)過膛內(nèi)運動、離開炮口及后效期過程。采用后觸發(fā)方式，啟動高速數(shù)字?jǐn)z像機，記錄存儲彈丸離開炮口過程影像資料。經(jīng)過后續(xù)圖像處理，確定彈帶離開炮口時刻t1(如圖2所示)，定義此時刻為彈丸離開炮口時間。高速數(shù)字?jǐn)z像機觸發(fā)時刻tT定義為彈丸離開炮口時刻的時間基準(zhǔn)，也是彈丸出炮口時間實驗方法的時間基準(zhǔn)。因為高速圖像可以為人們提供清晰的彈丸出炮口連續(xù)過程資料，是確定時間的依據(jù)。根據(jù)上述定義建立時間坐標(biāo)軸，如圖3所示，t1時刻為時間軸原點，左邊時間為負(fù)值，表示先于彈丸出炮口時刻。在本文實驗中，高速數(shù)字?jǐn)z像測試參數(shù)取為，分辨率800 像素×200 像素時拍攝速率為4 ×104幀/s.白天晴朗時，拍攝速率可以達(dá)到10 ×104幀/s.

圖1 高速攝影法測時間示意圖Fig.1 Sketch of high－speed photography

圖2 高速攝影法觸發(fā)時間信號曲線示意圖Fig.2 Trigger signal of high－speed photography

圖3 時間坐標(biāo)軸示意圖Fig.3 Time coordinate

1.2 靶絲通斷法

如圖4所示，火炮射擊前，在炮口端面中心位置布置一根靶絲，該靶絲為多芯銅絲導(dǎo)線，導(dǎo)線直徑為2 mm，在銅絲兩端加一直流電壓。火炮射擊時，彈丸在膛內(nèi)運動。當(dāng)彈頭快接觸該銅絲時，該銅絲要么被高速火藥氣流吹斷，要么被彈頭沖斷，銅絲兩端電壓信號發(fā)生突變，電壓由銅絲未斷開前的U2突降為0，以此判斷彈丸出炮口時間。該方法簡單易行，是一種傳統(tǒng)的時間測試方法。圖4中，E 為電源，R為負(fù)載。參考圖5，t2為銅絲斷開時刻，則靶絲通斷法得到的彈丸出炮口時間t'2(相對于銅絲斷開時刻)為

若t'2＞0，則表示彈丸出炮口時間發(fā)生在銅絲斷開之后。

圖4 靶絲通斷法測時間原理示意圖Fig.4 Sketch of on－off target method

圖5 靶絲通斷法時間信號曲線示意圖Fig.5 Time signal of on－off target method

1.3 光電法

火炮射擊前，在炮口附近布置一個光電傳感器，傳感器視場對準(zhǔn)炮口?；鹋诎l(fā)射時，彈丸出炮口時刻出現(xiàn)炮口火焰，炮口的背景光發(fā)生顯著變化，由此引起光電傳感器輸出電信號也發(fā)生顯著變化，以此來判斷彈丸出炮口時間。圖6中，t3時刻出現(xiàn)炮口火焰，光電傳感器輸出電壓出現(xiàn)突變。t3為光電傳感器輸出電信號發(fā)生顯著變化的起點時刻，則光電法得到的彈丸出炮口時間t'3(相對于t3時刻)為

若t'3＞0，則表示彈丸出炮口時間在光電傳感器輸出電信號顯著變化起點時刻之后。

1.4 后坐位移法

圖6 光電法時間信號曲線示意圖Fig.6 Time signal of photoelectric method

火炮射擊前，在火炮結(jié)構(gòu)上固定拉桿位移傳感器，傳感器不動結(jié)構(gòu)固定在搖架上，活動結(jié)構(gòu)與后坐部分連接，測量火炮后坐部分位移隨時間變化曲線，根據(jù)該位移曲線特征點對應(yīng)的時間確定彈丸出炮口時間。火炮一擊發(fā)，炮膛合力推動后坐部分向后運動，后坐位移曲線開始偏離靜平衡位置，以偏離靜平衡位置起始點對應(yīng)時間再考慮彈丸膛內(nèi)運動時間，就可以確定彈丸出炮口時間。在圖7中，t5為火炮后坐部分開始后坐時刻，t4為彈丸出炮口時刻(相對于高速攝像信號觸發(fā)時刻)。后坐位移法得到的彈丸出炮口時間t'4(相對于火炮后坐部分開始后坐時刻)為

圖7 后坐位移法時間信號曲線示意圖Fig.7 Time signal of recoil displacement method

如果沒有高速攝影法作為參考，而靶絲通斷法、光電法和后坐位移法單獨使用時，首先要找到銅絲斷開或光電傳感器開始觸發(fā)時刻到彈丸出炮口時刻的間隔時間，然后利用測試曲線特征點即可得到彈丸出炮口時間。如果僅僅采用后坐位移法測量彈丸出炮口時間，設(shè)彈丸膛內(nèi)運動時間為Δt4，則彈丸出炮口時間t'4為

1.5 測試步驟

采用高速攝影法、靶絲通斷法、光電法和后坐位移法4 種方法進(jìn)行彈丸出炮口時間測試，其步驟為:

1)將4 種測試系統(tǒng)同時布置在火炮特定測試位置，同一臺數(shù)據(jù)采集器分別與4 種測試系統(tǒng)相連。

2)火炮射擊，彈丸離開炮口，4 種測試系統(tǒng)同時感知同一發(fā)彈丸出炮口時間信號。

3)采集、記錄、處理和分析4 種時間信號，以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集觸發(fā)時間為時間坐標(biāo)，以高速攝影法信號確定彈丸出炮口準(zhǔn)確時間。

4)在相同時間坐標(biāo)系下，確定其他3 種方法時間與高速攝影法時間的相對關(guān)系、以及時間差。

2 測試結(jié)果與分析

經(jīng)過火炮射擊實驗，采用高速攝影法、靶絲通斷法、光電法和后坐位移法等4 種方法，分別得到了彈丸出炮口時間，其實驗測試結(jié)果如表1和圖8所示。圖8為采用4 種方法測量得到的同一發(fā)彈丸射擊時間特征曲線。圖9為4 種方法特征曲線的展開表示形式，可以看出每條曲線的變化細(xì)節(jié)，圖中的長豎線是用高速攝影確定的彈丸出炮口時刻，也就是通過處理彈丸出炮口過程高速圖像，觀察到彈帶剛離開炮口的時刻。

圖8 彈丸離開炮口時間曲線(完整曲線)Fig.8 Time curve of leaving muzzle

表1中的時間基準(zhǔn)用高速攝影結(jié)果給出，彈帶離開炮口時刻，高速攝影時間定義為0 ms，彈丸出炮口前的時間就為負(fù)值。結(jié)果表明，根據(jù)彈丸結(jié)構(gòu)尺寸和彈丸速度參數(shù)，彈帶離開炮口前0.396 ms，通斷靶絲已斷開。因此，可以認(rèn)為，通斷靶絲是被高速燃?xì)饬鞔禂?，或由于激波引起斷開，而不是被彈頭碰斷的。

圖9 彈丸離開炮口時間曲線(展開曲線)Fig.9 Expanded time curve of projectile leaving muzzle

表1 4 種方法時間測試誤差結(jié)果對比Tab.1 Tested time errors of four methods ms

從表1光電法結(jié)果及曲線處理可以看出，彈帶離開炮口前0.392 ms，漏出的炮口高溫火藥氣體已觸發(fā)了光電傳感器。彈帶離開炮口后2.468 ms，光電傳感器輸出信號有最大值。

彈丸在膛內(nèi)剛一啟動，身管就開始后坐，身管從開始后坐到彈丸出炮口，其時間與彈丸膛內(nèi)運動時間基本相同。從表1可以看出，彈丸出炮口前5.561 ms，后坐部分已開始后坐。

由于高速攝影法拍攝速率為4 ×104幀/s.時間精度為0.025 ms，其余3 種方法數(shù)據(jù)采樣率為500 kHz，其時間精度為0.002 ms.因此，測試方法時間精度能滿足要求。

3 結(jié)論

1)高速攝影法、靶絲通斷法、光電法和后坐位移法等4 種方法中，確定彈丸出炮口時刻，高速攝影法最準(zhǔn)確，是彈丸出炮口時間測試的首選方法，其次是靶絲通斷法和光電法，后坐位移法次之。

2)彈帶離開炮口前0.396 ms，通斷靶絲已斷開，通斷靶絲是被高速燃?xì)饬鞔禂啵蛴捎诩げㄒ饠嚅_，而不是被彈頭碰斷的。

3)彈帶離開炮口前0.392 ms，漏出的炮口高溫火藥氣體已觸發(fā)了光電傳感器。彈帶離開炮口后約2.468 ms，光電傳感器輸出信號有最大值，最大值出現(xiàn)的時刻分散性較大。用曲線起始拐點作為彈丸出炮口參考點精度較高，認(rèn)為光電傳感器以曲線起始拐點作為彈丸出炮口參考點較合理。

采用通斷靶絲法和光電法得到的炮口時間，還應(yīng)分別增加一個時間差值，才是準(zhǔn)確的時間結(jié)果。

4)彈丸在膛內(nèi)剛一啟動，身管就開始后坐，身管從開始后坐到彈丸出炮口，其時間與彈丸膛內(nèi)運動時間基本相同。因此，用后坐位移法，彈丸出炮口時間為身管開始后坐時刻加彈丸膛內(nèi)運動時間。

致謝 朱德發(fā)、郭旻、周大錚、衡剛為論文的完成付出了辛勤的勞動，在此表示感謝。

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