彈丸發(fā)射環(huán)境動態(tài)參數(shù)測試研究

裴東興,祖 靜,張 瑜,沈大偉,劉祖凡

(中北大學 電子測試技術重點實驗室，山西 太原 030051)

武器系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)的測試，由于其測試環(huán)境的惡劣性，對于測試裝置提出了特殊的要求。基于存儲測試的彈載電子測試儀可置于被測體體內實時、完整記錄被測參數(shù)變化規(guī)律的優(yōu)點被廣泛應用于彈藥性能和彈道的測試。這種無需引線且具有良好電磁兼容性的彈載電子測試儀在多種動態(tài)參數(shù)如各種彈箭發(fā)射、飛行、終點環(huán)境的加速度、姿態(tài)、壓力等動態(tài)參數(shù)的測試中發(fā)揮了重要的作用[1-2]。

國外的彈載電子測試儀有著廣泛的應用，1996年美國國防部和美國陸軍聯(lián)合提出了強化超小型遙測和傳感器系統(tǒng)(Hardened Subminiature Telemetry and Sensor System,HSTSS)計劃，以開發(fā)和演示新一代高g值遙測技術，并將這些產(chǎn)品用于測試領域；瑞士的武器系統(tǒng)與彈藥試驗中心設計了高g值彈道飛行數(shù)據(jù)記錄器FDR，其結構緊湊(232 mm×64 mm)，質量較小(3.58 kg)[3-5]。

國內研制的微型彈載姿態(tài)遙測系統(tǒng)成功獲取了某火箭彈的飛行參數(shù)，但是對于彈體體積較小、需承受拋撒或撞擊目標時高沖擊環(huán)境下參數(shù)的測量，無線遙測系統(tǒng)難以完成[6]。

筆者針對目前在彈體體積較小、需承受拋撒或撞擊目標時高沖擊環(huán)境下參數(shù)的測量難題，進行了深入的研究并成功應用于在多個彈載多參數(shù)測試試驗。

1 總體方案設計

1.1 技術特性

本文介紹一種用于各種彈丸及引信在發(fā)射過程的動態(tài)參數(shù)測試儀器系統(tǒng)。這種儀器放置在被測體上(引信或彈丸內)，隨被測體一起運動，承受與被測體相同的環(huán)境力，實時實況地測取其動態(tài)參數(shù)，因而具有以下特性：

1)抗高沖擊能力。視發(fā)射和終點的具體情況，可測量及承受高達50 000g的發(fā)射加速度及100 000g的終點撞擊加速度。

2)一彈多參數(shù)。為節(jié)省試驗費用，需要在1次實射中可同時測量彈丸飛行時的微小姿態(tài)參數(shù)、空氣阻力參數(shù)、彈上控制制導零件的運動、引信在環(huán)境參數(shù)激勵下的響應運動，及其他的動態(tài)參數(shù)。

3)一彈多環(huán)境。炮彈發(fā)射時在炮膛內受到10 000～20 000g的推動加速度，在飛行時受到小于100g的空氣阻力加速度，在撞擊目標時可受到高達100 000g的撞擊加速度，所受到的環(huán)境力相差千倍以上，為得到彈丸和引信在全彈道的環(huán)境力參數(shù)，及其對環(huán)境里的響應，彈上測試儀器必需能夠承受并在一次射擊中準確地測取這些動態(tài)參數(shù)，因此測試儀具有動態(tài)范圍大及智能采樣功能。

4)微體積微功耗。為適應小彈體動態(tài)參量的測量，為不影響被測體的質量和質心分布，以及為減小彈載儀器緩沖裝置的負擔，彈載電子測試儀的彈上部分必須具有微小的體積和質量，微小的功耗。

5)通用性。彈載電子測試儀要具有通用性，可配用不同的傳感器構成多種動態(tài)參數(shù)的測試系統(tǒng)，具有多種采樣策略，通用的體系結構，以滿足多種武器系統(tǒng)不同的測試要求。

6)高可靠性。彈體飛行試驗是很昂貴的，彈載電子測試儀必須具有高的可靠性。

1.2 總體結構

彈載電子測試儀的體系結構是：把彈上動態(tài)參數(shù)測試必不可少的功能結構部分放置到彈載電子測試儀上，而把盡可能多的功能結構部分如接口、數(shù)據(jù)傳輸、計算機、控制、數(shù)據(jù)處理、顯示、繪圖等功能部件放置在地面。再經(jīng)過特殊的校準系統(tǒng)進行校準，及專門的惡劣環(huán)境可靠性考核系統(tǒng)進行考核使其適應彈載測試的惡劣環(huán)境。

彈載電子測試儀完成被測參量的獲取和存儲記錄，通過抗高沖擊殼體緩沖結構的有效防護，可以提高儀器的存活性。通過專用數(shù)據(jù)通信接口，地面計算機完成對彈載電子測試儀的參數(shù)設置及實驗數(shù)據(jù)的讀取、處理、顯示。

彈載電子測試儀由電路模塊、電池、上電開關、面板、傳感器接口、通訊接口、灌封結構和殼體緩沖結構等組成。儀器的原理框圖見圖1。圖中傳感器1為軸向安裝的加速度傳感器；傳感器2和3為徑向安裝的加速度傳感器；傳感器4為自制的地磁傳感器；電路的核心中心控制電路采用本研究室研制的專用ASIC-HB0202,完成對整個測試系統(tǒng)的控制，為了確保數(shù)據(jù)的可靠性采用了兩級防護結構。

1.3 關鍵技術

1)抗高沖擊結構的防護結構。為了確保數(shù)據(jù)的可靠采集和存儲，該測試儀采用了抗高沖擊結構防護結構，即儀器的外殼采用高強度鋼以保護內部的電路模塊，同時在儀器電路模塊內部進一步采用高強度鋼對核心存儲部分閃存進行保護，即使電路模塊在撞擊目標時結構損壞確保閃存內數(shù)據(jù)的完整性。

2)智能采樣策略。為了滿足彈上多種變化規(guī)律，采樣頻率、增益以及偏置的選擇及設置關系到能否正確獲取完整的信號和測試數(shù)據(jù)的質量。測試儀采用的專用ASIC-HB0202具有多種采樣策略，可根據(jù)被測對象的特點、信號的變化規(guī)律，實時調整采樣頻率、增益及偏置等參數(shù)。

3)強化緩沖技術。為了確保儀器的可靠性對儀器進行強化處理，即電路模塊采用真空灌封工藝，用高強度高硬度環(huán)氧樹脂灌封，使得在高沖擊過載作用下不致因灌封材料彈塑性變形而拉斷板間的連接線和板上焊點，同時在電路模塊周圍增加合適的緩沖結構對電路進行緩沖；為了確保測試儀在高速旋轉時各部件間沒有相對位移，設計了止轉結構。

2 實測數(shù)據(jù)分析

2.1 引信加速度信號實測分析

圖2為利用彈載測試儀測試的某引信在膛內及其發(fā)射過程的三軸加速度曲線。

從圖2中可以看出，z代表軸向加速度，x和y分別代表了兩維徑向加速度?？梢钥闯銎漭S向最大加速度為11 670g；其徑向的最大加速度為7 930g。

由F=ma可知，加速度跟壓力成正比，本次試驗同時通過放入式電子測壓器獲得了火炮膛壓曲線，圖3為膛壓曲線與軸向加速度曲線的對比圖。

根據(jù)相關系數(shù)rxy公式：

(1)

2.2 引信轉速信號的實測分析

圖4為某引信在0～1 s內的轉速信號變化過程；圖5為其在0～100 ms內曲線的展開，可以看出在膛內的發(fā)射過程中轉速變化比較復雜，最后在炮口處使得轉速穩(wěn)定；圖6為膛外轉速的變化曲線，可以看出所測得引信膛外轉速變化在大約1 s時間內從1.764×104r/min降到了1.74×104r/min。

在發(fā)射的同時使用天幕靶對彈丸的初速進行了測量，初速為703 m/s。通過對引信軸向加速度信號的積分得出了彈丸在膛內的速度曲線，如圖7所示，計算出引信在出炮口的最大速度為697 m/s。和所測的初速相差6 m/s，驗證了測試數(shù)據(jù)的正確性。

3 結 論

本文針對彈丸發(fā)射動態(tài)環(huán)境(高沖擊、高轉速、空間狹窄等)的測試難題，設計出了一種新型的存儲式彈載電子測試儀，論述了總體方案和關鍵技術，成功測得引信發(fā)射及飛行過程的加速度和轉速信號。經(jīng)過多次實測驗證該儀器具有很強的存活性和可靠性，能適應于不同的彈載測試。本文所提出的關鍵技術可應用于多種引信或彈丸測試系統(tǒng)，對于通用彈載測試儀器研制具有指導意義。

參考文獻(References)

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