炮口沖擊波超壓無線存儲測試系統(tǒng)設計

劉　帆,杜紅棉*,范錦彪,賴富文,焦耀晗,苗松珍,岳掌寬,閆鵬飛

(1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051;2.中國白城兵器試驗中心,吉林 白城 137001;3.中國人民解放軍第四三二八工廠,山西 長治 046000;4.國網(wǎng)能源新疆準東煤電有限公司,新疆 昌吉 652300;5.長治市公安消防支隊,山西 長治 046000)

炮口沖擊波是各炮口氣流現(xiàn)象中對操作人員和設備危害性最大的一個因素,它對人體的損傷,主要是聽覺器官,嚴重時內(nèi)臟也將受到損傷[1]?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭對火炮的綜合性能提出了更高的要求,要求火炮具有更大的威力、更強的機動性和對操作人員及設備的安全性。因此,準確地模擬和測量炮口沖擊波場是進行火炮系統(tǒng)研究過程中一個重要的環(huán)節(jié)。國內(nèi)在炮口沖擊流場研究分析上偏重于建模進行數(shù)值模擬,進而預測炮口沖擊波場的各點壓力值[2]。而在現(xiàn)場測試中一般采用的是壓力傳感器、二次儀表與瞬態(tài)波形記錄儀(或采集卡)組成的引線式測試系統(tǒng)。這種方法存在著布置電纜引線費時費力,且電纜易耦合噪聲進入測試系統(tǒng)等問題[3]。針對炮口流場的特性及測試難點,參考國軍標中對炮口沖擊波測試的要求,研制出一種炮口沖擊波超壓的測試裝置,并通過了靶場火炮射擊測試試驗的驗證。

1　炮口沖擊波特性及測試難點

炮口沖擊波不同于爆炸沖擊波,爆炸沖擊波是能量的瞬間釋放,而炮口沖擊波是能量連續(xù)釋放的過程。它是通過與火藥氣體射流的接觸而不斷獲得能量,脫離接觸后的膛口沖擊波依靠自身的壓力與速度繼續(xù)向外膨脹,直至衰減為聲波。炮口沖擊波場測試環(huán)境跟傳統(tǒng)的自由場或者地面沖擊波的測試環(huán)境有所不同,其特點[4]是:(1)高度的瞬變(非定常)性;(2)強烈的方向性;(3)波系結構和相互作用的復雜性。

炮口沖擊波超壓測試,在兵器動態(tài)測量中具有頻帶寬,A-持續(xù)時間短等特點,給超壓峰值的精確測量帶來一定的困難[5]。其測試難點主要體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)國軍標[6]中對火炮射角及射擊發(fā)數(shù)的都有嚴格的規(guī)定,為了快速測量不同編號火炮的炮口沖擊波超壓數(shù)據(jù),儀器需便于移動到不同測點來完成測量任務;(2)在進行連發(fā)射擊試驗時,要求測試儀器具有多次觸發(fā),記錄多條超壓數(shù)據(jù)的功能,因此只能測量單次瞬態(tài)信號的沖擊波測試儀器已經(jīng)不能滿足新的測試要求;(3)炮口沖擊波具有時變性和動態(tài)性,測試系統(tǒng)需進行動態(tài)校準來確保其測量精度。

2　系統(tǒng)方案設計及關鍵技術

2.1　系統(tǒng)結構組成及主要工作原理

測試系統(tǒng)主要是有主控制臺及多個相同的智能傳感器測點(子系統(tǒng))組成,每個子系統(tǒng)又包括傳感器、電源管理模塊、信號調理電路、A/D轉換器、FPGA控制中心、FLASH存儲器、觸發(fā)系統(tǒng)等模塊。在靶場實測時,主控制臺放置在安全距離外的掩體中,智能傳感器測點布設于炮口沖擊波場中。主控制臺通過無線的方式控制智能傳感器測點的工作狀態(tài),根據(jù)現(xiàn)場情況進行采樣頻率、放大倍數(shù)和觸發(fā)方式等參數(shù)的設定。測試系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1　測試系統(tǒng)原理框圖

該測試系統(tǒng)主要性能指標如表1所示。

表1　測試系統(tǒng)主要性能指標

2.2　關鍵技術

2.2.1無線傳輸技術

傳統(tǒng)引線式炮口沖擊波測試裝置在試驗時具有布線繁瑣且易引入噪聲、不能快速移動等問題,將基于IEEE802.15.4標準的Zigbee協(xié)議無線通信技術引入到存儲測試技術中[7],成功解決了上述問題。測試系統(tǒng)的上下電、參數(shù)配置、同步觸發(fā)等功能均通過無線操作完成,使裝置在火炮進行不同射角連發(fā)射擊試驗中表現(xiàn)出操作簡單、測量效率高等優(yōu)勢。

2.2.2柔性化觸發(fā)策略

根據(jù)炮口沖擊波測試特點分析,測試系統(tǒng)采用無線觸發(fā)與多次重觸發(fā)相結合的柔性化觸發(fā)策略?；鹋诓僮鬟^程具有裝彈換藥的間歇性及射擊動作的連續(xù)性,屬于多個瞬態(tài)信號測試情況[8]。測試系統(tǒng)設定在無線觸發(fā)工作狀態(tài)時,雖能完成一次有效數(shù)據(jù)測試,獲取到單次火炮射擊的炮口沖擊波超壓數(shù)據(jù),但勢必使記錄裝置記錄許多空閑態(tài),浪費大量存儲空間。結合多次重觸發(fā)技術,火炮每發(fā)射一枚炮彈,觸發(fā)記錄裝置記錄一次,然后轉為待觸發(fā)狀態(tài);當火炮再發(fā)射一枚炮彈時,再作一次記錄,直到記錄裝置內(nèi)全部存儲空間被占滿,從而達到利用有效的存儲空間記錄更多的有效信息的目的。

基于多次重觸發(fā)技術的存儲測試系統(tǒng)的狀態(tài)鏈設計如圖2所示。

圖2　多次重觸發(fā)技術的存儲測試系統(tǒng)的狀態(tài)鏈

測試系統(tǒng)上電后,主控制臺通過無線的方式給裝置配置觸發(fā)電平、采樣頻率等參數(shù),系統(tǒng)進入待觸發(fā)狀態(tài)。觸發(fā)信號到,則進入數(shù)據(jù)采存狀態(tài),否則保持待觸發(fā)狀態(tài)。當前信號記錄完成,判斷記錄的波形個數(shù)n與要求記錄的波形個數(shù)M是否一直,當一致時,則進入信息保持狀態(tài),否則波形計數(shù)器加1,返回待觸發(fā)狀態(tài),在新的存儲空間內(nèi)循環(huán)等待下一次觸發(fā)。直到規(guī)定的記錄波形全部記錄完全,系統(tǒng)進入信息保持狀態(tài)。圖3所示為系統(tǒng)多次重觸發(fā)讀取正弦波圖。

圖3　多次觸發(fā)讀取正弦波曲線圖

3　動態(tài)校準

為可靠地記錄炮口沖擊波超壓的整個變化過程,選擇PCB公司中高頻特性良好的113A26型壓力傳感器與相應的存儲測試電路構成炮口沖擊波測試系統(tǒng)。傳感器在使用前,必須進行測量超壓范圍內(nèi)的動態(tài)校準[9]。本次校準是在激波管中實施的,根據(jù)蘭基涅—胡果尼(Rankine-Hugoniot)方程,入射超壓平臺與波前馬赫數(shù)的關系為[10]:

(1)

(2)

式中:ΔP2為激波波前的入射超壓,P0為低壓式氣體初始壓力;Ms為激波波前的馬赫數(shù),Vs=s/t為激波波前的傳播速度,s為兩測速傳感器之間的距離,t為激波經(jīng)過兩測速傳感器的時間間隔,T1為未擾動時低壓室空氣的溫度。所用激波管如圖4所示。

圖4　激波管的實物圖

典型的階躍響應波形如圖5所示,從時域響應圖計算傳感器的上升時間、超調量、動態(tài)靈敏度、諧振頻率等動態(tài)指標及頻率特性。傳感器動態(tài)校準結果如表2所示。

圖5　階躍響應波形圖

N上升時間tr/μs超調量δ/%自振頻率f/kHz11.0818230.24491.0720.9090939.98493.2730.9090928.89493.2741.0909039.04493.2750.9090929.89493.27

根據(jù)相關國軍標的規(guī)定,炮口沖擊波測試用傳感器的自振頻率應大于75 kHz,上升時間不大于20 μs,超調量要盡量小[6]。從校準的結果來看,系統(tǒng)所用傳感器滿足國軍標中關于炮口沖擊波超壓測試的要求。

圖6　測點布設圖

4　現(xiàn)場試驗及數(shù)據(jù)分析

為了評估炮口沖擊波無線存儲測試系統(tǒng)的可靠性,進行了某型號車載炮的炮口沖擊波超壓測試試驗,火炮射擊角度為35°。參考國軍標對炮口沖擊波測試的測點布設要求[6,11],我們選取了兩套測試裝置進行了對比實驗,傳感器的敏感面均朝上,安裝距地高度分別為1.58 m和1.9 m,安裝角度分別在+135°和-135°線上。分別進行了兩次試驗,這樣就可以測量不同高度和距離下炮口沖擊波的傳播規(guī)律。試驗測點布設情況如圖6所示。測試現(xiàn)場如圖7所示?；鹋谏鋼羟?主控制臺通過無線給各測點進行增益、采樣頻率、觸發(fā)方式等參數(shù)的配置;射擊結束后回收裝置讀取數(shù)據(jù)。

圖7　測試現(xiàn)場

圖8所示分別為10 m、7.5 m、5 m處炮口沖擊波超壓曲線,其中10 m超壓曲線是在無線觸發(fā)狀態(tài)下獲取的,7.5 m和5 m超壓曲線是在多次重觸發(fā)下獲取的。試驗結果數(shù)據(jù)統(tǒng)計表如表3所示。

圖8　實測炮口沖擊波超壓曲線

由試驗結果分析可知,(1)超壓曲線有3個峰值,第1個是炮口沖擊波,第2、3個峰值可能是二次焰沖擊波或是地面反射沖擊波;(2)炮口沖擊波測試中A-持續(xù)時間隨測點距離的增加遞增,B-持續(xù)時間隨測點距離的增加遞減。

表3　炮口沖擊波試驗數(shù)據(jù)記錄

試驗結果很好的反映出火炮發(fā)射過程中的二次焰現(xiàn)象,以及炮口沖擊波的傳播規(guī)律。為火炮射擊中操作人員和設備的防護提供了數(shù)據(jù)支持。

5　結語

炮口沖擊波無線存儲測試系統(tǒng)經(jīng)過激波管動態(tài)校準,確保了測量的精度;引入無線傳輸技術,發(fā)揮了無線技術的優(yōu)勢,減小了試驗操作的工作量,提高了測試效率;無線觸發(fā)與多次重觸發(fā)相結合的柔性化觸發(fā)策略的運用,滿足了炮口沖擊波測試的特殊要求?？傊?該測試系統(tǒng)穩(wěn)定、操作簡單、適用性高、數(shù)據(jù)完整、可信度高,是一套成功、實用的測試系統(tǒng),在測試領域具有很好的發(fā)展前景和推廣價值。

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劉帆(1988-),男,湖北省孝感市人,中北大學碩士研究生,主要研究方向為動態(tài)測試與智能儀器,liufan1988@163.com;

杜紅棉(1977-),女,遼寧省錦州市人,中北大學副教授。主要從事爆炸沖擊波測試技術等方面的研究,duhongmian@nuc.edu.cn;

范錦彪(1974-),男,中北大學副教授,研究方向為高g值加速度計校準及高沖擊測試技術,fanjinbiao@nuc.edu.cn;

苗松珍(1984-),女,中國人民解放軍第四三二八工廠助理工程師。主要研究方向為通信導航、雷達測試等,610760025@qq.com。