基于彈載測試儀的高速旋轉彈丸膛內轉速測試

沈大偉，邊玉亮，范錦彪

(1. 中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051；2. 中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

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基于彈載測試儀的高速旋轉彈丸膛內轉速測試

沈大偉1,2，邊玉亮1,2，范錦彪1,2

(1. 中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051；2. 中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

摘要:針對膛內高沖擊高過載的惡劣環(huán)境以及對光、磁信號的屏蔽作用，使得彈丸旋轉速度難以準確獲取的問題，提出了基于彈載測試儀的高速旋轉彈丸膛內轉速測試方法。該方法利用彈載測試儀準確獲取彈丸在膛內的軸向加速度信號，同時結合炮膛纏度和炮管口徑信息，得出高速旋轉彈丸在膛內整個過程的旋轉速度。通過對實際測試數據分析表明，該方法能夠準確測出旋轉彈丸在膛內的轉速，測試數據精度能夠滿足測試要求。

關鍵詞:膛內轉速；彈載測試儀；軸向加速度；纏度

0引言

高速旋轉彈丸的旋轉速度是衡量彈丸飛行狀態(tài)的重要參數之一，同時機械引信主要是靠彈丸高速旋轉產生的離心力完成解保動作，因此，高速旋轉彈丸的轉速參數對彈丸的總體設計至關重要。炮彈在膛外的轉速測試技術十分成熟，但在膛內的轉速測量卻由于膛內環(huán)境的特殊性難以準確獲取。彈丸轉速測量一般分為外測法和內側法兩種。外測法主要是利用靶場彈道監(jiān)測雷達和光學高速攝影系統完成。測試系統較為復雜，場地布置困難，對測試環(huán)境要求較高，同時這種測試方法很難對彈丸在膛內運動過程進行跟蹤測試。內測法主要是依靠在彈丸上安裝相應傳感器感應彈丸轉速變化，經過數據存儲或實時發(fā)送得到彈丸轉速數據。傳統的內測法主要是利用地磁、加速度、光電三種傳感器測量彈丸轉速[1]。由于膛內環(huán)境是彈丸整個飛行過程中最為復雜、惡劣的，對磁場和光電信號有較強的干擾和屏蔽作用，使得彈丸在膛內的轉速信息無法直接通過光信號和磁信號獲取。本文針對此問題，提出了基于彈載測試儀的高速旋轉彈丸膛內轉速測試方法。

1彈載測試儀系統

由于測試時，加速度傳感器要安裝在彈丸內部，所以設計了相應的彈載測試儀，使其能夠滿足試驗對體積和抗高過載的測試要求。彈載測試儀是一種為各種彈丸及引信全彈道信息獲取而專門研制的動態(tài)參數測試系統[2]。這種儀器安裝在被測體彈丸內部，對測試儀體積要求相當苛刻，所使用的傳感器隨著被測體一起運動，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，因此該測試儀必須進行負延遲設計和特殊的抗惡劣環(huán)境設計[3]。

1.1彈載測試儀系統結構

彈載測試儀主要完成被測參量的獲取和存儲記錄工作。測試完畢后對測試裝置進行回收，通過專用的數據通信接口，用計算機將內存中的數據讀取出來，再經過程序處理，將采集到的信號顯示出來[4]。

彈載測試儀由加速度傳感器、測試電路、抗高過載電池、操作面板、上位機接口電路、灌封材料、緩沖材料和專用高強度外殼組成。測試儀的原理框圖如圖1所示，圖中加速度傳感器為軸向安裝并經過校準的高g值加速度傳感器，高強度外殼一方面起到保護測試電路的作用，另一方面起到防止測試儀與彈體發(fā)生相對轉動的作用。微控制器是整個測試系統的核心，主要起到控制采樣策略、存儲測試數據以及與計算機進行通信等作用。

圖1　測試儀結構原理框圖Fig.1　Tester structure principle block diagram

由于實際測試時，實驗準備過程復雜，彈丸發(fā)射數小時之前，測試儀就要安裝到指定位置。但是受測試儀電池容量和內存大小的限制，所以設計了相應的負延遲采樣策略。當炮彈發(fā)射達到觸發(fā)條件時，系統由原來的低功耗循環(huán)采樣階段進入正式采樣階段。負延遲采樣存儲原理圖如圖2所示?？偟拇鎯臻g為L1+L2,觸發(fā)前長度設定為L1。觸發(fā)前僅在L1存儲空間內循環(huán)重復儲存數據，數據記滿L1后，后續(xù)數據接著從L1起始位置寫入并覆蓋前面所記錄的數據。觸發(fā)時，程序記錄觸發(fā)點位置，同時跳轉到L2空間起始位置繼續(xù)存儲。與上位機通信讀數時，上位機軟件將數據重新整理得到完整的數據曲線。

圖2　負延遲采樣原理圖Fig.2　Negative delay sampling principle diagram

1.2抗高過載結構原理

對彈丸軸向加速度進行測試時，彈載測試儀要安裝到彈丸內部，因此會受到相當大的沖擊和過載。由于高g值加速度傳感器和測試電路自身結構的原因，測試電路的抗沖擊能力要明顯低于加速度傳感器。為了提高彈載測試儀的存活能力和可靠性，設計彈載測試儀的時候，將高g值加速度傳感器從測試儀中分離出來與測試電路做成兩個獨立的模塊，通過對彈載測試儀的電路和傳感器進行配對校準和標定，將每套測試電路與標定后的傳感器配對使用，保證實驗測試數據的精度。測試系統機械原理圖如圖3所示。傳感器與電路兩者之間用引線連接，各自用高強度環(huán)氧樹脂灌封，為了保護電路，在電路四周增加了緩沖橡膠。

圖3　測試電路機械原理圖Fig.3　Mechanical test circuit principle diagram

為了能夠讓加速度傳感器真實地感受到彈丸所受到的加速度信息，減少由于彈丸在膛內振動對軸向加速度測試帶來的誤差，一是將傳感器用高強度高硬度的環(huán)氧樹脂進行真空灌封，將傳感器與彈丸十分緊固的結合在一起；二是為了減小由于彈丸與炮膛碰撞引入的噪聲信號，將傳感器安裝在彈體彈帶部位。

2膛內轉速測試方法

高速旋轉彈的轉速大小是由膛壓的大小、炮膛內的膛線和彈丸質量共同決定的。膛壓和彈丸質量又主要影響了彈丸在膛內的軸向加速度和軸向速度。在線膛炮膛線參數已知的情況下，彈丸軸向速度和切向速度即轉速具有一一對應關系。通過實際測試獲得彈丸在膛內的加速度和速度信息，根據炮管自身參數就能計算出彈丸在炮膛整個過程的轉速信息。本文就是基于這一原理，將炮膛理論膛線參數作為軸向加速度和轉速的紐帶，找出兩者的聯系，通過準確測試旋轉彈丸軸向加速度進而計算得出彈丸在膛內的旋轉速度。理論分析如下。

在膛線上的任意一點的切線與槍管軸線的平行線的夾角叫做纏角，用γ表示。膛線按纏角在槍管內纏繞一周前進的距離長度稱為導程。導程對口徑的倍數稱為纏度，用η表示。假設膛線的纏度是一定值,則有：

(1)

式(1)中,γ為膛線的纏角；D為炮膛的口徑；η為膛線的纏度[5]。

彈丸在膛內旋轉一周，其在軸向運動的距離為ηD，即是導程。假設彈丸在dt時間內彈丸旋轉了dφ的弧度，則軸向運動的距離為dl， 因此有：

(2)

上式兩邊同除以dt得：

(3)

令彈丸的旋轉角速度和直線運動速度分別為：

(4)

(5)

上式中,ω(t)為彈丸旋轉角速度；υ(t)為彈丸軸向運動速度。

將式( 4)和式(5)分別帶入式(3)有：

(6)

根據高g值加速度傳感器所測彈丸在膛內軸向的加速度，通過積分運算，得到內彈道整個過程的速度-時間曲線，公式如下：

(7)

由以上公式計算可知，只要能夠準確地得到彈丸整個內彈道的加速度-時間曲線，通過適當的數據處理就能夠得到彈丸在膛內整個過程的轉速-時間曲線。

測試過程中誤差產生的主要因素有以下兩個方面：1)彈丸軸向加速度最大可達到1萬g以上，測試時主要選用抗高過載高量程性能優(yōu)越的加速度傳感器。優(yōu)良的傳感器價格在萬元以上，即便如此，試驗時也難免出現傳感器輸出信號不歸零的現象，對這樣的數據需處理后才能積分，增加測試數據的誤差，如果基線漂移過大時，數據就無法使用了。2)由實驗原理可知，要想準確得到轉速數據，必須得到準確的彈丸剛體加速度數據。由于使用的加速度傳感器沒有與剛體固聯的接口，需通過增加機械連接的方法將傳感器固定到彈體上。然而過多的機械連接對加速度的傳遞會有緩沖作用，影響測試數據的精度。

為了減小測量誤差，必須采用抗高過載、高沖擊、頻響高性能穩(wěn)定的高g值加速度傳感器。實驗時測量誤差主要是由高g值加速度傳感器的性能和傳感器的安裝固定引起的，為了能夠讓加速度傳感器更準確地測得彈體加速度信號，一是選用精度高、性能好的進口優(yōu)質的傳感器，并在實驗前利用標準傳感器和專門的沖擊試驗臺對實驗所使用的高g值加速度傳感器進行標定；二是保證傳感器與安裝面的垂直度，通過剛性連接將傳感器與彈體緊固的連接在一起，減小多級連接對傳感器產生的緩沖作用，減小測量誤差。通過以往多次實際測試結果數據分析可知，測試精度在5% 以內，能夠滿足實際測試要求。

3實測數據分析

根據在靶場實彈測試結果，實際所測得的彈丸在膛內軸向加速度數據如圖4所示。0時刻為彈丸開始發(fā)射，出炮口位置大概是在13.44 ms，由于彈丸出炮口時，脫離了炮膛的約束產生劇烈振動，所以只考慮彈丸轉速變化到最大值為止。從圖中可以看出，彈丸軸向加速度最大值達到了12 000g左右，曲線上兩端出現振動比較大的地方，振蕩幅度最大18 000g左右。前面振動較大是因為高速旋轉彈丸與炮管內壁撞擊產生的，后面更大的振動是因為彈丸被推出炮口時，彈丸進入后效期階段，由于沒有了炮膛的約束，再加上彈丸自身的章動和進動運動造成的。由圖中可知，出炮口時彈丸的振蕩對彈體自身的可靠性的影響更大。

根據彈丸軸向加速度數據,通過積分運算,可以得出彈丸在膛內過程的軸向速度變化曲線，如圖5所示。從圖中可知，彈丸在出炮口時的速度達到了742.6 m/s，與靶場根據雷達測速提供的此發(fā)炮彈出炮口速度749.2 m/s十分接近，從而驗證了測試數據的可靠性。由公式(6)，帶入炮膛的纏度和口徑參數,即可得到彈丸在內彈道的轉速-時間曲線,如圖6所示。由圖可知，彈丸在內彈道的轉速一直在增大，切向加速度變化規(guī)律與軸向加速度變化規(guī)律一致，切向加速度在發(fā)射后6 ms時達到最大值。在出炮口時，轉速達到10 220 r/min，同時自制的彈載轉速傳感器所測彈體轉速為10 150 r/min，兩者相比較可知試驗所得數據準確可靠。由以上分析可知，高速旋轉彈旋轉速度對彈丸可靠性影響最大的地方有兩處，一是發(fā)射后6 ms左右，彈丸切向加速度達到最大值；二是出炮口時，彈丸在膛內的轉速達到最大值。轉速大小變化趨勢根據圖6可以清楚地得到，所測數據對彈丸的穩(wěn)定性、可靠性以及炮膛結構設計具有重要參考價值。

圖4　彈丸膛內加速度曲線Fig.4　In-bore projectile acceleration curve

圖5　彈丸膛內軸向速度曲線Fig.5　In-bore projectile axial velocity curve

圖6　彈丸膛內轉速曲線Fig.6　In-bore projectile speed curve

4結論

本文提出了基于彈載測試儀的高速旋轉彈丸膛內轉速測試方法，該方法利用彈載測試儀準確獲取彈丸在膛內的軸向加速度信號，同時結合炮膛纏度和炮管口徑信息，得出高速旋轉彈丸在膛內整個過程的旋轉速度。實測數據分析表明，該方法能夠準確測出彈丸在膛內的轉速，測試數據精度能夠滿足測試要求。本文的研究內容可應用于多種引信或彈丸內彈道轉速測試系統中，對于彈丸及炮管的設計和分析具有重要意義。今后擬對傳感器輸出數據的處理和提取方法以及傳感器的安裝結構進行改進和優(yōu)化，進一步提高測試精度。

參考文獻:

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

[5]岳晗. 旋轉彈轉速、炮口速度及章動參數測試技術研究[D].太原：中北大學，2014.

*收稿日期:2015-12-22

作者簡介:沈大偉(1979—)，男，山西沁源人，博士研究生，研究方向：動態(tài)測試與智能儀器。E-mail:bensdw@sina.com。

中圖分類號:TJ43

文獻標志碼:A

文章編號：1008-1194(2016)03-0094-04

High-speed Rotating Projectile In-bore Speed Testing

SHEN Dawei1,2，BIAN Yuliang1,2, FAN Jinbiao1,2

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China, Taiyuan 030051, China;2.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement of Ministry of Education,North University of China, Taiyuan 030051, China；)

Abstract:Aiming at the problem of optical and magnetic signal shielding effect of the in-bore high impact overload, which makes the projectile rotation speed difficult to accurately obtain, an in-bore projectile speed test method based on high-speed rotating missile tester was proposed. The axial acceleration in-bore signal, at the same time was obtained, combining with the gun twist and barrel diameter information, the in-bore high speed rotating projectile in the whole process of rotating speed was concluded. The actual test data showed that the method could accurately measure the speed of the rotating projectile in-bore, precision could meet the test requirements.

Key words:interior speed; missile tester; axial acceleration; twist