彈載光電設(shè)備內(nèi)彈道發(fā)射環(huán)境測(cè)試技術(shù)發(fā)展研究

易建坤,馬翰宇,朱建生,張東紅

(解放軍陸軍軍官學(xué)院，安徽 合肥 230031)

新型炮兵彈藥的彈載光電設(shè)備能否承受常規(guī)火炮苛刻的膛內(nèi)發(fā)射環(huán)境考驗(yàn)是此類(lèi)彈藥研發(fā)過(guò)程需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。最有效可靠的方法是采用真實(shí)的火炮膛內(nèi)發(fā)射環(huán)境來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)研究。早期主要是通過(guò)膛壓測(cè)試間接研究膛內(nèi)彈丸及彈載設(shè)備的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)；現(xiàn)則發(fā)展到膛內(nèi)與彈上測(cè)試相結(jié)合的多參數(shù)測(cè)試技術(shù)來(lái)研究膛內(nèi)發(fā)射乃至全彈道過(guò)程對(duì)彈載設(shè)備的影響。其中反映火炮特性的膛內(nèi)壓力指標(biāo)的測(cè)定始終是必不可少的，這是內(nèi)彈道參數(shù)測(cè)試的基礎(chǔ)，也是研究彈載光電設(shè)備內(nèi)彈道動(dòng)力學(xué)響應(yīng)問(wèn)題及其與發(fā)射平臺(tái)火炮特性匹配問(wèn)題的基礎(chǔ)。

基于此，本文對(duì)以膛壓測(cè)試為基礎(chǔ)的當(dāng)前內(nèi)彈道測(cè)試技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行全面梳理，以期為新型炮兵彈藥彈載光電設(shè)備內(nèi)彈道動(dòng)力學(xué)響應(yīng)問(wèn)題的研究尋求有效的內(nèi)彈道測(cè)試技術(shù)手段。

1 國(guó)內(nèi)火炮膛壓測(cè)試技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 三種傳統(tǒng)的膛壓測(cè)試技術(shù)及其特點(diǎn)[1-2]

1.1.1 銅柱測(cè)壓技術(shù)

銅柱測(cè)壓法是利用銅柱在火藥燃?xì)鈮毫ψ饔孟庐a(chǎn)生的永久變形量作為壓力值的度量?；鹋谏鋼魰r(shí)，膛內(nèi)火藥燃?xì)鈮毫ψ饔糜阢~柱測(cè)壓器上，測(cè)壓銅柱產(chǎn)生塑性變形，變形量與受力成正比，通過(guò)銅柱壓力表將測(cè)壓銅柱的變形量換算為壓力值即可確定出膛內(nèi)火藥燃?xì)鈮毫Φ拇笮　y(cè)試系統(tǒng)主要由測(cè)壓銅柱、銅柱測(cè)壓器、千分尺等組成。

銅柱測(cè)壓法操作方便，工作穩(wěn)定，成本低廉，適用于大口徑制式火炮燃?xì)鈮毫Φ臏y(cè)量。但只能測(cè)量火藥燃?xì)鈮毫Φ淖畲笾?，不能測(cè)量其隨時(shí)間的變化規(guī)律。另外測(cè)量結(jié)果受操作者經(jīng)驗(yàn)影響大，測(cè)量精度低，存在系統(tǒng)誤差，壓力低約為12%～15%。不過(guò)由于其方便易用，至今仍有應(yīng)用。

1.1.2 應(yīng)變測(cè)壓技術(shù)

應(yīng)變測(cè)壓法是利用應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)將壓力的變化轉(zhuǎn)換為彈性元件的變形量，彈性元件的變形轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變片的電阻變化，電阻的變化再通過(guò)電阻應(yīng)變儀轉(zhuǎn)換為電壓的變化并進(jìn)行記錄、輸出的測(cè)量方法，屬于彈性變形測(cè)壓法。

系統(tǒng)主要由應(yīng)變式測(cè)壓傳感器、電阻應(yīng)變儀、記錄顯示設(shè)備和壓力標(biāo)定機(jī)組成。垂鏈膜片式應(yīng)變測(cè)壓傳感器因其頻響范圍為：30～50 kHz，滿足火炮射擊時(shí)的各種壓力測(cè)量，得到了廣泛的應(yīng)用。

應(yīng)變測(cè)壓法的測(cè)量精度高于銅柱測(cè)壓法，不存在12%～15%的系統(tǒng)誤差?？蓽y(cè)量壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律，即p-t曲線。測(cè)壓效率高，既可測(cè)靜態(tài)壓力，又可測(cè)動(dòng)態(tài)壓力。在膛內(nèi)燃?xì)鈮毫y(cè)量時(shí)，只適用于彈道槍(炮)的膛壓測(cè)量。且每次試驗(yàn)前或后都需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，使用麻煩。

1.1.3 壓電測(cè)壓技術(shù)

壓電式壓力傳感器是一種壓電型傳感器，它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。系統(tǒng)主要由壓電式測(cè)壓傳感器、信號(hào)處理器、記錄顯示設(shè)備和壓力標(biāo)定機(jī)等組成。

壓電式壓力傳感器以膜片式應(yīng)用最廣，具有質(zhì)量小，頻響能力高的特點(diǎn)(100 kHz以上)。

壓電式測(cè)壓法主要用于動(dòng)態(tài)壓力的測(cè)量，具有頻響能力高，靈敏度高，動(dòng)態(tài)測(cè)量精度高，電路體積微型化、測(cè)試較為方便等特點(diǎn)。目前被廣泛應(yīng)用于各種內(nèi)彈道膛壓測(cè)試系統(tǒng)中。

以上介紹的應(yīng)變和壓電測(cè)壓技術(shù)均屬于引線電測(cè)法中的應(yīng)變和壓電測(cè)壓技術(shù)，和銅柱(球)測(cè)壓技術(shù)構(gòu)成目前國(guó)內(nèi)最主要的膛壓測(cè)試方法。

1.2 放入式電子測(cè)壓系統(tǒng)

此系統(tǒng)是20世紀(jì)90年代初由中北大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種膛壓測(cè)量設(shè)備，后經(jīng)不斷完善與發(fā)展。系統(tǒng)主要由放入式電子測(cè)壓器和計(jì)算機(jī)兩部分組成[3-4]。

射擊前將放入式電子測(cè)壓器放于藥筒底部。射擊過(guò)程中火藥燃?xì)鈮毫ψ饔迷趬弘娛綁毫鞲衅魃希瑝弘娛綁毫鞲衅鲗毫Φ淖兓D(zhuǎn)變?yōu)殡姾傻淖兓?，電荷放大器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后存入存儲(chǔ)器中。射擊結(jié)束后，將放入式電子測(cè)壓器連接到計(jì)算機(jī)上，讀出其存儲(chǔ)的壓力測(cè)試信號(hào)。

放入式電子測(cè)壓器既有與銅柱法相當(dāng)?shù)捏w積小、無(wú)引出線、使用方便的特點(diǎn)。又有與引線電測(cè)法相當(dāng)?shù)臏y(cè)試精度高和可記錄膛壓-時(shí)間曲線的能力，并可重復(fù)使用。它是一種理想的火炮膛內(nèi)燃?xì)鈮毫y(cè)量設(shè)備。

國(guó)內(nèi)放入式電子測(cè)壓系統(tǒng)所采用的壓電式壓力傳感器在微型化方面與國(guó)外有差距，現(xiàn)已向基于電容式應(yīng)變計(jì)的壓力傳感器發(fā)展，這使得測(cè)壓器結(jié)構(gòu)上更為緊湊且能避免零點(diǎn)飄移現(xiàn)象；電子測(cè)壓系統(tǒng)也更趨微型化，目前,0～600 MPa量程的測(cè)壓器最小體積可達(dá)21cm3[5-8]。

1.3 多路瞬態(tài)信號(hào)內(nèi)彈道測(cè)試系統(tǒng)

近年來(lái)涉及彈載設(shè)備的內(nèi)彈道相關(guān)參數(shù)的測(cè)試試驗(yàn)越來(lái)越復(fù)雜，已不再滿足于靠單一膛內(nèi)壓力指標(biāo)測(cè)試間接研究彈載設(shè)備動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，而是開(kāi)始發(fā)展彈上測(cè)試技術(shù)直接測(cè)定膛內(nèi)彈丸及彈載設(shè)備的相關(guān)運(yùn)動(dòng)指標(biāo)如三軸加速度等來(lái)研究膛內(nèi)發(fā)射乃至全彈道過(guò)程對(duì)彈載設(shè)備的影響[9-13]。測(cè)試系統(tǒng)向集成化、復(fù)合化的全彈道多指標(biāo)參數(shù)測(cè)量方向發(fā)展。

1.3.1 膛內(nèi)多路瞬態(tài)信號(hào)硬線測(cè)試彈上系統(tǒng)[14]

南京理工大學(xué)孔德仁項(xiàng)目組提出的一種用于解決膛內(nèi)異?，F(xiàn)象探測(cè)問(wèn)題的基于PCM硬線傳輸技術(shù)的膛內(nèi)多參數(shù)測(cè)試方法。主要研制出適合對(duì)火炮膛壓?jiǎn)卧⒓铀俣葐卧突鹚庮w粒對(duì)彈底作用力3個(gè)物理參量進(jìn)行測(cè)試的復(fù)合壓電傳感器。通過(guò)在有限的彈丸尾部空間安裝傳感器及電路，對(duì)膛壓?jiǎn)卧?、加速度單元和火藥顆粒對(duì)彈底作用力3個(gè)物理參量進(jìn)行硬線測(cè)試。

該系統(tǒng)作為一種彈上測(cè)試系統(tǒng)，能更直接的反映出彈丸及彈上部件的受力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。但由于采用的是在彈底安裝多路測(cè)試系統(tǒng)，較之傳統(tǒng)的旋入式或藥筒底部放入式的單一指標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)而言，技術(shù)要復(fù)雜，技術(shù)成熟度也低于前二者。另外該系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)存貯于彈上設(shè)備中，在彈丸完整回收后才可以讀取數(shù)據(jù)。因此，測(cè)試彈丸的無(wú)損回收是一個(gè)很關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

1.3.2 基于VXI虛擬儀器總線的內(nèi)彈道測(cè)試系統(tǒng)[15]

某研究所在內(nèi)彈道測(cè)試項(xiàng)目中提出了一種基于VXI虛擬儀器總線的內(nèi)彈道綜合測(cè)試系統(tǒng)。整個(gè)內(nèi)彈道測(cè)試系統(tǒng)由VXI-1010主機(jī)箱、系統(tǒng)控制器(AGLIENT E8491B)、VXI-1114高速并行數(shù)據(jù)采集模塊、筆記本計(jì)算機(jī)、測(cè)速和測(cè)壓傳感器構(gòu)成。

該系統(tǒng)除了能測(cè)量多個(gè)內(nèi)彈道參數(shù)外，還將VXIbus和虛擬儀器技術(shù)平臺(tái)運(yùn)用到內(nèi)彈道測(cè)試試驗(yàn)中。與傳統(tǒng)測(cè)試儀器比較，基于VXIbus的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)在性能、測(cè)量精度、數(shù)據(jù)處理、擴(kuò)展性、開(kāi)發(fā)時(shí)間、無(wú)縫集成以及性價(jià)比等方面有著絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)出了用軟件代替測(cè)試硬件的內(nèi)彈道測(cè)試技術(shù)發(fā)展新趨勢(shì)。

1.3.3 基于DSP的多通道全彈道彈載數(shù)據(jù)記錄儀

國(guó)內(nèi)某大學(xué)在火炮發(fā)射和彈丸飛行相關(guān)動(dòng)態(tài)測(cè)試領(lǐng)域做了大量工作。最新研制的基于DSP的多通道彈載數(shù)據(jù)記錄儀是面向彈丸內(nèi)彈道發(fā)射和外彈道飛行全過(guò)程的彈上多路瞬態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)[16]。

系統(tǒng)在DSP控制下能夠?qū)崿F(xiàn)20路模擬信號(hào)、10路TTL信號(hào)及一路232信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣，且可面向發(fā)射和飛行過(guò)程的動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試。全彈道數(shù)據(jù)采集能力有顯著提升。系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)保存在FLASH存儲(chǔ)器中并在回收后再發(fā)送至PC機(jī)處理，這表明此系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中仍然需無(wú)損回收。特別是當(dāng)需要一次性采集內(nèi)、外彈道及終點(diǎn)彈道全過(guò)程的彈丸動(dòng)態(tài)參數(shù)時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的性能完好，測(cè)試數(shù)據(jù)的無(wú)損回收，相當(dāng)關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)此類(lèi)系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)彈道過(guò)程(如爆炸拋撒和靶板侵徹過(guò)程)中的動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試，采取對(duì)彈載測(cè)試系統(tǒng)實(shí)施緩沖和保護(hù)措施，帶來(lái)了測(cè)試數(shù)據(jù)(如加速度)失真問(wèn)題[17]。

2 國(guó)外火炮膛壓測(cè)試技術(shù)研究現(xiàn)狀

自19世紀(jì)60年代諾貝爾利用銅柱測(cè)壓器測(cè)膛內(nèi)火藥氣體最大壓力以來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展在單一膛壓指標(biāo)的測(cè)量方面先后出現(xiàn)了引線電測(cè)法測(cè)壓、內(nèi)置式電子測(cè)壓等方法。近年來(lái)，奧地利HPI公司在內(nèi)置式電子測(cè)壓儀器的微型化方面更達(dá)到了新的水平，研制出的 B251 型內(nèi)置式膛壓測(cè)試儀器量程為 600 MPa，體積僅為 22 cm3。

相對(duì)于單一膛壓指標(biāo)測(cè)試技術(shù)的最新發(fā)展，國(guó)外在多指標(biāo)全彈道測(cè)試方面尤其是在國(guó)內(nèi)技術(shù)成熟度尚不高的彈上多路信號(hào)綜合測(cè)試技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用更值得關(guān)注。

2.1 神劍155 mm增程彈彈上綜合測(cè)試系統(tǒng)

此系統(tǒng)為美武器研發(fā)工程中心研發(fā)，由改進(jìn)過(guò)的M864型155 mm炮彈彈體、帶鋼制尾翼的彈底部分和12通道的遙測(cè)單元組成(9個(gè)用于壓力傳感器，3個(gè)用于加速度計(jì))測(cè)試彈，具備同時(shí)測(cè)量發(fā)射過(guò)程中的彈底壓力、三軸加速度、速度等多個(gè)彈丸力學(xué)狀態(tài)參數(shù)的能力，主要用于對(duì)155 mm神劍增程彈發(fā)射火炮特性和彈上制導(dǎo)子系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試研究。用于彈底壓力測(cè)量的9個(gè)壓力傳感器分別設(shè)置于含有尾翼的彈底部分的不同位置處，其中尾錐部4個(gè)，尾翼槽內(nèi)4個(gè)，彈尾部正中央1個(gè)。而測(cè)量三軸加速度的加速計(jì)則安裝在遙測(cè)單元內(nèi)部。在用該測(cè)試彈進(jìn)行的5發(fā)實(shí)彈試驗(yàn)中，采用ARRT-116遙測(cè)裝置均成功捕獲到彈丸所有測(cè)試數(shù)據(jù)，包括彈底壓力、加速度、速度和位移數(shù)據(jù)[18]。

在上述基礎(chǔ)上，美武器研究發(fā)展工程中心進(jìn)一步調(diào)整了壓力和加速度傳感器在彈體中的位置和數(shù)量。測(cè)試用的傳感器設(shè)置位置不再局限于彈底，對(duì)彈載設(shè)備運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)的測(cè)試適應(yīng)性更強(qiáng)[19-20]。

相對(duì)于國(guó)內(nèi)正在發(fā)展中的彈底測(cè)試系統(tǒng)而言，此系統(tǒng)測(cè)試信號(hào)是在出炮口后由天線發(fā)射回來(lái)由遙感裝置接收獲取，而不是通過(guò)回收靶道回收彈丸和測(cè)試系統(tǒng)而獲取的，故不存在回收靶道的建設(shè)問(wèn)題。

2.2 彈載內(nèi)彈道環(huán)境綜合測(cè)試儀器

為更好地了解大口徑火炮系統(tǒng)內(nèi)彈道性能，美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了彈載綜合測(cè)試儀器來(lái)獲取彈丸在內(nèi)彈道過(guò)程中的彈道特征參量數(shù)據(jù)[21]。該彈載綜合測(cè)試儀器實(shí)際是一個(gè)集成有壓力、溫度、加速度傳感器測(cè)試儀器及數(shù)據(jù)傳輸天線等于一體的綜合測(cè)試儀器系統(tǒng)。此儀器安裝于彈底部，可對(duì)近40 ms時(shí)間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和儲(chǔ)存。出炮口后，前方彈丸與之分離，露出天線部分，將測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)回地面接收站。該裝置可與不同口徑的測(cè)試彈組合，除可對(duì)內(nèi)彈道發(fā)射環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測(cè)試外，也可對(duì)全彈道飛行中的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試功能趨于多樣化和復(fù)合化。體現(xiàn)了當(dāng)前內(nèi)彈道測(cè)試系統(tǒng)向綜合化全彈道方向發(fā)展的趨勢(shì)。

3 總體評(píng)價(jià)

綜合對(duì)國(guó)內(nèi)外單一指標(biāo)的膛壓測(cè)試技術(shù)和多指標(biāo)的內(nèi)彈道綜合測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀的分析。不難發(fā)現(xiàn)：

1)目前內(nèi)彈道發(fā)射環(huán)境測(cè)試技術(shù)國(guó)內(nèi)仍以單一內(nèi)彈道指標(biāo)——膛壓測(cè)試技術(shù)為主。最傳統(tǒng)的銅柱測(cè)壓方法仍有應(yīng)用，但最終會(huì)被淘汰。而彈性變形電測(cè)法中，則以旋入式壓電測(cè)壓法應(yīng)用最為普遍，技術(shù)最為成熟。相比以上方法，放入式電子測(cè)壓系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì)，仍將是今后一段時(shí)間發(fā)展的重點(diǎn)。

2)內(nèi)彈道發(fā)射環(huán)境多指標(biāo)綜合測(cè)試技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚處起步發(fā)展階段。特別是彈底多路瞬態(tài)信號(hào)內(nèi)彈道綜合測(cè)試系統(tǒng)目前國(guó)內(nèi)發(fā)展及應(yīng)用情況與國(guó)外有差距。相比于目前僅以測(cè)膛壓的單一內(nèi)彈道測(cè)試系統(tǒng)，彈底多路瞬態(tài)信號(hào)內(nèi)彈道綜合測(cè)試系統(tǒng)更符合對(duì)彈丸和彈載設(shè)備本身膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)研究的需要，應(yīng)予重點(diǎn)發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于以上分析，對(duì)面向新型炮兵彈藥彈載光電設(shè)備膛內(nèi)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)問(wèn)題研究的內(nèi)彈道測(cè)試技術(shù)提出如下建議：

1)彈載光電設(shè)備過(guò)載問(wèn)題的試驗(yàn)研究應(yīng)以發(fā)展類(lèi)似美軍彈上綜合測(cè)試系統(tǒng)的多路瞬態(tài)信號(hào)內(nèi)彈道測(cè)試技術(shù)為方向。同時(shí)獲得彈底壓力和彈上加速度測(cè)試數(shù)據(jù)可直接反映彈載光電設(shè)備內(nèi)彈道發(fā)射階段的受力狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，且兩者數(shù)據(jù)可互相驗(yàn)證，增加了試驗(yàn)的可靠性。

2)若還需要研究經(jīng)歷內(nèi)彈道發(fā)射過(guò)程后的彈載設(shè)備最終狀態(tài)，則建議采用將測(cè)試信息先存貯后回收讀取的多路瞬態(tài)信號(hào)綜合測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)。如何設(shè)計(jì)好相應(yīng)的彈丸回收靶道使彈載設(shè)備及彈上測(cè)試系統(tǒng)保持內(nèi)彈道過(guò)程后的最終狀態(tài)而不受后續(xù)彈道過(guò)程的影響是實(shí)現(xiàn)此測(cè)試技術(shù)的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。

3)若需對(duì)新型炮兵彈藥全彈道過(guò)程中的彈上動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，則需要發(fā)展適應(yīng)全彈道力學(xué)環(huán)境要求的彈上綜合測(cè)試系統(tǒng)(如彈載數(shù)據(jù)記錄儀)以及相應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸和接收技術(shù)。

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