子母彈拋撒沖擊過載測試方法

【摘要】為了準確測量子母彈子彈爆炸拋撒時的沖擊過載，文中設計了一種可置于子彈內(nèi)部或充當子彈的拋撒測試儀，并分析了儀器功能和特點。經(jīng)實驗表明：該方法在拋撒實驗時可以很好地完成沖擊過載數(shù)據(jù)采集和存儲。最后，利用小波處理及頻譜和模態(tài)分析相結合的數(shù)據(jù)處理方法，分析了數(shù)據(jù)的有效性和正確性。

【關鍵詞】子母彈拋撒;高沖擊;爆炸分離;低功耗

test method on impact overload during cluster warhead ejection and scattering

Abstract：In order to accurately measure the shock overload of cluster bomb bullets when the explosive dispersal，a miniature throw tester that can be placed inside the bullets or act as a bullets was designed and functions and features was analysised in this article.Carrying on a further research on the low-power consumption，enhanced treatment and efficient buffer structure.The bullet signal of shock overload in the explosive experiment was successfully obtained after the tester was put in the simulation calibration.In the last，a combining data processing methods which consist of wavelet processing、spectrum analysis and modal analysis was used to analyze the validity and accuracy of the test data.

Keyword：cluster warhead ejection and scattering;High impact;Explosive separation;Low-power consumption

1.引言

子母彈戰(zhàn)斗部是現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭中常用的一種戰(zhàn)斗部，子母彈關鍵技術之一是拋撒，常用的拋撒方式有活塞拋撒、囊式拋撒、中心爆管拋撒。子母彈拋撒的實質(zhì)就是把彈頭的整體能量變?yōu)榉稚⒌淖訌椖芰浚宰訌椌哂泻芎玫姆植紶顟B(tài)是子彈命中、毀傷目標的決定因素，因此拋撒沖擊過載對于子母彈的毀傷效果有著關鍵的影響。子母彈拋撒過程中，往往要伴隨著有高溫、高沖擊等惡劣環(huán)境的影響，對于一個測試系統(tǒng)來說，克服這些困難，對于保證測量的可行性，準確性尤為重要。針對種種問題，本文介紹了一種基于存儲測試技術的彈載測試儀。這種彈載測試儀可以置于子母彈的子彈中，可以實時、準確、完整的記錄下爆炸瞬間子彈受到的沖擊過載。文中就這種彈載測試儀進行了詳細的介紹，并就成功運用在某型號戰(zhàn)斗部模擬子母彈中心管爆炸拋撒的測試實驗中得到的測試曲線進行了處理，并獲取了滿意的測試結果。

2.拋撒測試儀的總體設計

2.1 拋撒測試儀的總體結構組成

圖1為系統(tǒng)的總體設計框圖，測試系統(tǒng)主要由傳感器（2萬g加速度傳感器）、電路模塊、電源、USB接口單元等部分組成。本系統(tǒng)采用加速度傳感器用來測試彈體沖擊過載，數(shù)據(jù)采集存儲模塊主要由模擬信號適配電路，A/D轉換器，NAND結構的閃存，Xilinx公司的CPLD芯片和單片機，以及USB接口電路組成，這個模塊主要是完成拋撒過程中沖擊過載的采集與存儲，測量完畢，數(shù)據(jù)將通過USB接口傳輸?shù)接嬎銠C中，在軟件下實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取與擦除。跟據(jù)實際情況，不同的測試要求，可以通過單片機及CPLD控制來改變系統(tǒng)的參數(shù)以達到測試目標。

圖1 拋撒記錄儀的總體框圖

2.2 低功耗設計

在這種特殊的測試環(huán)境下，為了盡可能長時間的保存數(shù)據(jù)，必須進行低功耗的設計。一方面盡可能的選用節(jié)能并且功能強大的芯片，另一方面年還必須進行低功耗的邏輯功能設計，來滿足測試要求。要實現(xiàn)低功耗設計，最重要的部分就是電源的管理。測試儀上電以后，立即開始進行循環(huán)采樣，此時，只是在Flash固定區(qū)間內(nèi)進行記錄，不斷地寫入，然后數(shù)據(jù)覆蓋，再寫入，由此循環(huán)，而系統(tǒng)此時處于最大功耗的狀態(tài)。拋撒的瞬間，子彈收到爆炸沖擊，沖擊過載通過傳感器，被轉換成電信號傳入測試系統(tǒng)，當超過系統(tǒng)已經(jīng)設好的閥值后，立即觸發(fā)，并開始記錄。記滿了設定好的Flash容量以后，F(xiàn)lash會給中心控制模塊發(fā)送信號，控制模塊立即關斷模擬電源，但此時為了保存數(shù)據(jù)仍然給數(shù)字部分供電，等待讀數(shù)，總的系統(tǒng)功耗得到了很好的控制。讀數(shù)完畢后，擦除數(shù)據(jù)，系統(tǒng)又進入待觸發(fā)狀態(tài)，如果測試儀不需要再工作，即可手動下電。經(jīng)過這一系列的設計，系統(tǒng)的功耗得到了明顯有效的控制，循環(huán)采樣時的電流約為5.3mA左右，數(shù)據(jù)保持狀態(tài)時的電流為65uA左右。圖2為測試系統(tǒng)的大體工作狀態(tài)圖。

圖2 測試系統(tǒng)大體工作狀態(tài)圖

2.3 抗高沖擊設計

在爆炸過程中為了保護電路和傳感器正常工作而不受巨大沖擊的影響，考慮對測試儀進行必要的保護。首先，給測試儀的電路加一個殼體，因為圓柱體是容器抗張力和抗壓力較好的選擇，故將其做成圓柱體。其次，對傳感器和電路的整體加一個殼體，由于要放在子彈中，故具體視情況而定。為了確保在高沖擊后不變形，經(jīng)過多次實驗，外殼選用經(jīng)過淬火和陽極氧化處理的特種鋼。

僅僅加殼體設計，對于高沖擊下保護測試儀還遠遠不夠，所以在電路模塊及傳感器和殼體之間加入緩沖設計。具體辦法是用高強度的環(huán)氧樹脂對其進行真空的灌封，與此同時，在電路模塊周圍還增加了一些合適的緩沖結構對電路進行緩沖保護，以防止測試儀由于高沖擊過載而被震壞。這樣可以防止材料彈性形變而引發(fā)的板間以及焊盤之間導線的斷裂和板上焊點的松動。進而從真正意義上對測試儀起到了保護作用。

3.實測數(shù)據(jù)分析及處理

測試儀被應用于某型號戰(zhàn)斗部的中心管爆炸拋撒測試試驗中，測試系統(tǒng)裝在子彈內(nèi)，布置在中心爆管周圍，與其它配重測速子彈呈環(huán)形兩層排列如圖3所示。

圖3 拋撒實驗裝配圖

圖4 爆炸沖擊過載實測曲線圖

圖4為戰(zhàn)斗部子母彈中心管爆炸拋撒時沖擊過載實測曲線。從圖4的實測曲線中可以得出，加速度測試曲線存著很大的零點漂移，如果直接對加速度曲線進行積分求速度，那么將會與實驗過程中的真實速度有很大的誤差，所以一定要對過載曲線去除零漂后才能進行下一步的處理。參考爆炸分析信號小波變換的處理方法，從實測數(shù)據(jù)中可以提取出真實的爆炸沖擊過載信號。經(jīng)過matlab采取必要的處理，濾掉了過載曲線的低頻零漂以后，生成的過載曲線如圖5所示。

圖5 經(jīng)過小波變換去除零漂的過載曲線圖

圖5為去除零漂以后的測試曲線圖，從圖中可以看到，零點的漂移已經(jīng)得到了很好的除去。由于爆炸瞬間中包含有大量的高頻信號疊加在了過載曲線上，所以要想得到完整的過載曲線，必須進行濾波處理。要濾去高頻信號，就要通過低通濾波，濾除掉含有非加速度的高頻信號，而低通濾波的關鍵是濾波截止頻率如何選擇。本文采用經(jīng)典的ANSYS模態(tài)分析和頻譜分析（圖6即為通過matlab處理后的爆炸沖擊過載頻譜圖。）相結合的方法選擇了低通截止頻率為4.7KHz。

圖6 爆炸沖擊信號頻譜分析圖

經(jīng)matlab的FIR濾波器用進行低通濾波處理以后的曲線如圖7所示，在曲線的1.4ms左右，有一個接近4000g的極大值，分析可知應為中心管爆炸時子母彈開倉前作用到傳感器上的爆炸沖擊波。隨著子母彈開倉，過載值在降到0以后又迅速上升。整個過程中加速度最大值為5942g，脈沖寬度為大約620us。

用matlab對子彈拋撒的加速度曲線進行積分即可得到子彈拋撒的速度曲線，如圖8所示。從圖中可以得到爆炸時的拋撒速度為19.85m/s。為了進行準確性對比，子母彈拋撒過程中使用高速攝影機對配重子彈拋撒過程進行了拍攝，經(jīng)過專業(yè)軟件分析可得初速為21.35m/s。像機所測的速度相差了1.5m/s，由此可算得誤差為6.7%。由此可見，充分驗證了所測數(shù)據(jù)的正確性。

圖7 濾波后加速度曲線

圖8 經(jīng)過matlab處理的拋撒過程速度曲線圖

4.結論

文中針對惡劣的爆炸拋撒測試環(huán)境這個難題，設計了一種新型可置于子彈內(nèi)部或充當子彈的爆炸拋撒存儲測試儀。利用該測試儀，成功測得了某戰(zhàn)斗部爆炸拋撒時的加速度曲線，并進行了詳細的數(shù)據(jù)處理和分析，證明了測試方法的可行性和準確性。實驗最終表明，該測試儀具有微體積、抗高沖擊和微功耗等優(yōu)點，測試結果準確、可靠、完整，無疑充分發(fā)揮了存儲測試的優(yōu)點，能適用于不同種類的類似爆炸拋撒等惡劣環(huán)境且需要低功耗的測試環(huán)境下的精準測試。

參考文獻

[1]孟令軍，李永紅，張文棟，等.爆炸拋撒加速度記錄儀[J].測試技術學報，1998，12（2）：309-312.

[2]張偉寧.子母彈子彈拋撒過程多參數(shù)測試系統(tǒng)設計[D].太原：中北大學，2006.

[3]朱仕永，祖靜，范錦彪.基于CPLD的彈載加速度存儲測試儀[J].探測與控制學報，2009，31（3）：42-45.

[4]裴東興，祖靜，張瑜，沈大偉，劉祖凡.彈載電子測試儀的設計[J].彈箭與制導學報，2012，32（3）：220-222.

[5]靳鴻，祖靜.基于單片機的引信電池存儲測試儀[J].探測與控制學報，2009，31（1）：70-73.

[6]文豐，任勇峰，王強.高沖擊隨彈測試固態(tài)記錄器的設計與應用[J].爆炸與沖擊，2009，29（2）：221-224.

[7]袁宏杰，姜同敏.實測爆炸分離沖擊數(shù)據(jù)的分析和處理[J].固體火箭技術，2006，29（1）：72-74.

[8]董力科，范錦彪，王燕.爆炸拋撒記錄儀的設計[J].計算機測量與控制，2013，21（6）：1706-1707.

作者簡介：傅寶安（1956—），遼寧北票人，大學?？?，高級工程師，研究方向：戰(zhàn)斗部實驗測試技術研究。