任意射角彈丸卡膛姿態(tài)測試原理及其應(yīng)用

王寶元 ， 李玉林 ， 陳志堅， 高小科

(1. 西北機電工程研究所， 陜西 咸陽 712099； 2. 齊齊哈爾北方機器有限責(zé)任公司， 黑龍江 齊齊哈爾 161000；3. 解放軍邊防學(xué)院， 陜西 西安 710108)

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任意射角彈丸卡膛姿態(tài)測試原理及其應(yīng)用

王寶元1， 李玉林2， 陳志堅3， 高小科1

(1. 西北機電工程研究所， 陜西 咸陽 712099； 2. 齊齊哈爾北方機器有限責(zé)任公司， 黑龍江 齊齊哈爾 161000；3. 解放軍邊防學(xué)院， 陜西 西安 710108)

摘要:為了解決火炮任意射角彈丸卡膛姿態(tài)高精度、 高可靠性測試關(guān)鍵技術(shù)， 基于PSD激光成像測試原理， 提出了彈丸卡膛姿態(tài)測試方法. 以反映彈軸姿態(tài)角的激光器固定在彈頭、 探測器固連到炮口以接收彈頭激光信號、 并同時測試身管彎曲變形以修正測試結(jié)果. 研制了彈丸卡膛姿態(tài)測試系統(tǒng)， 實現(xiàn)了火炮任意射角彈丸卡膛姿態(tài)測試， 完成了某火炮彈丸卡膛姿態(tài)規(guī)律實驗研究. 結(jié)果表明， 所選火炮彈丸卡膛姿態(tài)規(guī)律表現(xiàn)為高低以低頭輸彈、 左右基本呈現(xiàn)對稱輸彈、 彈丸前定心部接觸膛線后擺動約1周后卡膛， 卡膛姿態(tài)角度最大值均小于5′. 提出的測試方法和研制的測試系統(tǒng)通過了實際火炮工程應(yīng)用驗證， 滿足工程應(yīng)用要求.

關(guān)鍵詞:火炮； 彈丸； 卡膛姿態(tài)； 激光成像； 射角

火炮射擊前， 其彈丸依靠供輸彈機構(gòu)或人工裝填方式推彈入膛， 然后擊發(fā)， 彈丸在高壓、 高速燃?xì)饬髯饔孟掳l(fā)射出膛， 飛向預(yù)定目標(biāo). 由于彈丸上膛過程的隨機性， 因而造成一組卡膛姿態(tài)的隨機性， 使得每發(fā)彈丸之間的卡膛姿態(tài)出現(xiàn)分散性. 彈丸卡膛姿態(tài)是影響火炮射擊密集度的主要因素之一， 一組彈丸卡膛姿態(tài)分散性若大于某一值， 可能會使火炮射擊密集度不能達到戰(zhàn)技指標(biāo)要求， 嚴(yán)重影響火炮關(guān)鍵性能. 彈丸卡膛姿態(tài)測試也是檢驗其供輸彈機構(gòu)功能正確與否的重要手段. 正確、 快速和高精度測試彈丸卡膛姿態(tài)對火炮射擊密集度誤差源分析、 快速定位影響密集度關(guān)鍵因素、 最終提高火炮射擊密集度性能具有重要意義. 因此， 彈丸卡膛姿態(tài)角度測試一直是火炮研制人員和火炮使用人員十分關(guān)心的研究課題之一， 也是火炮武器研制和使用過程迫切需要解決的關(guān)鍵測試方法之一[1].

火炮密集度射擊試驗常在大射角下進行， 大射角條件下彈丸卡膛姿態(tài)角度測試更具有實際意義. 但是， 由于彈丸輸彈過程具有身管遮蔽、 火炮高低射角大、 強沖擊、 彈丸快速運動和彈丸行程大等特點， 所以， 任意射角條件下彈丸卡膛姿態(tài)測試一直沒有合適的測試方法. 身管遮蔽時， 從身管外部不便于獲得彈丸姿態(tài)信息. 火炮大射角裝填彈丸時， 炮口位置很高， 測試信號接收困難. 強沖擊環(huán)境下， 對傳感器抗振動沖擊性能帶來很高要求， 傳感器在此環(huán)境下工作的可靠性受到挑戰(zhàn). 彈丸快速運動和彈丸行程大等特點， 對測試系統(tǒng)信號線的布置帶來困難.

我國在火炮型號研制時， 常常會出現(xiàn)射擊密集度不達標(biāo)問題[2]. 目前， 人們分析火炮射擊密集度不達標(biāo)原因時， 總是將彈丸卡膛姿態(tài)角度作為一個重要影響因素之一. 但由于沒有理想的彈丸卡膛姿態(tài)測試方法， 不能給出精確、 可靠的彈丸卡膛姿態(tài)角度實驗測試數(shù)據(jù)， 也就不能建立起彈丸卡膛姿態(tài)角度與射擊密集度的對應(yīng)關(guān)系， 直接影響火炮型號研制進度， 影響火炮關(guān)鍵性能快速提高.

針對彈丸卡膛姿態(tài)特性， 科研人員已開展了研究. 文獻[3]利用顯式動力學(xué)有限元數(shù)值模擬方法對新型155mm火炮彈帶慣性卡膛過程進行了分析研究. 文獻[4]采用動力學(xué)仿真方式分析了火炮輸彈過程對彈丸卡膛一致性的影響. 文獻[5]基于彈塑性有限元接觸理論對彈丸慣性卡膛過程進行了理論分析， 建立了彈丸慣性卡膛過程的有限元模型. 文獻[6]建立了彈丸卡膛的動力學(xué)模型， 定量分析了卡膛速度、 卡膛阻力、 彈帶擠壓變形、 阻尼系數(shù)等對彈丸卡膛一致性的影響. 文獻[7]研究了火炮自動裝填機構(gòu)工作的可靠性及其測試方法， 設(shè)計了輸彈參數(shù)測試系統(tǒng)， 測試參數(shù)包括輸彈行程、 射角、 輸彈速度、 卡膛阻力. 文獻[8]對輸彈機構(gòu)在靜止?fàn)顟B(tài)和運動狀態(tài)進行了受力分析， 并采用激光位移傳感器開展了輸彈機推彈導(dǎo)槽振動位移測試. 上述文獻均未涉及彈丸卡膛姿態(tài)角度測試實驗研究內(nèi)容. 文獻[9]開展了某火炮自動裝填機構(gòu)參數(shù)測試技術(shù)研究， 在彈頭固定激光器， 在炮口前方適當(dāng)位置布置方格線屏幕， 激光器照射該屏幕， 用300 幀/s準(zhǔn)高速攝像機記錄屏幕上激光光點位置， 以此得到彈丸卡膛姿態(tài)角度. 該方法存在測試精度較低、 不便于高射角測試等缺陷.

本文提出一種任意射角彈丸卡膛姿態(tài)測試技術(shù)， 描述了其測試原理， 研制了測試系統(tǒng)， 給出了測試步驟， 并成功解決了某火炮彈丸卡膛姿態(tài)測試關(guān)鍵技術(shù)， 揭示了所研究的實際火炮輸彈過程和卡膛過程彈丸姿態(tài)規(guī)律.

1測試原理

本文提出了火炮任意射角條件下的彈丸卡膛姿態(tài)PSD(PositionSensitiveDetector)激光成像測試原理， 形成了彈丸卡膛姿態(tài)測試方法. 本方法分為兩步， 第一步， 研制彈丸卡膛姿態(tài)測試系統(tǒng)， 第二步， 建立彈丸卡膛姿態(tài)測試方法. 圖 1 是火炮任意射角彈丸卡膛姿態(tài)測試方法示意圖.

圖 1　火炮任意射角彈丸卡膛姿態(tài)測試方法示意圖Fig.1　Schematic of measuring method of projectile band bayonet-chamber posture under fire angle of arbitrary

彈丸卡膛姿態(tài)測試系統(tǒng)由激光器、 像屏、 探測器、 支架、 數(shù)據(jù)采集模塊、 數(shù)據(jù)輸出模塊等組成. 激光器采用獨立電源， 不依賴外界而能連續(xù)供電， 避免了彈丸高速上膛時外界電源線難于布置的矛盾. 激光器依靠緊固件， 將其固連到彈頭引信位置， 激光器與彈頭無相對運動， 這樣， 激光器的姿態(tài)就代表了彈丸的運動姿態(tài). 兩維PSD是探測器的敏感元件， 探測器采取了濾光技術(shù)， 消除背景光干擾設(shè)計， 提高了測試精度. 其做法是激光波長選為650nm， 濾光片通過波長范圍為640～660nm. 在實驗室環(huán)境下， 當(dāng)背景光變化3 萬勒克斯時， 角度誤差小于2%. 彈丸卡膛姿態(tài)測試系統(tǒng)具有抗強沖擊能力， 在輸彈過程和彈丸高速撞擊膛線時能可靠工作. 數(shù)據(jù)輸出模塊具有數(shù)據(jù)處理功能和數(shù)據(jù)輸出功能.彈丸卡膛姿態(tài)測試時， 身管高低射角調(diào)整到給定角度γ. 首先將激光器固定在彈頭上， 采用同軸度調(diào)節(jié)機構(gòu)， 調(diào)整激光器姿態(tài)， 使激光束與彈丸軸線一致， 固定激光器. 接著， 將像屏和探測器依靠支架固連到炮口， 像屏靠近炮口， 并處在炮口與探測器之間. 炮口、 像屏、 探測器和支架之間無相對運動. 探測器通過信號線與數(shù)據(jù)采集模塊相連， 而數(shù)據(jù)采集模塊也通過另一條信號線與數(shù)據(jù)輸出模塊相連. 然后， 在供輸彈機構(gòu)作用下推彈上膛， 彈丸上的彈帶被卡在身管膛線起始段， 同時， 激光器持續(xù)發(fā)射激光束. 該激光束沿身管軸線方向傳輸?shù)脚诳谕饷娴南衿辽希?像屏上就出現(xiàn)了代表彈丸姿態(tài)角度偏移量的激光光點. 在不考慮身管彎曲變形及理想直圓管情況下， 若彈丸姿態(tài)方向角度為零， 則像屏上出現(xiàn)的激光光點位于像屏中心； 若彈丸姿態(tài)角度不為零， 則像屏上出現(xiàn)的激光光點位置將偏離像屏中心一位移量. 通過透鏡成像原理， 可以使像屏上的激光光點投射到PSD位置探測器上. 彈丸卡膛姿態(tài)角度分為方向角度和高低角度. 測試方向角度時， 設(shè)像屏上激光光點瞬時位置偏離像屏中心位移量為x， 彈丸彈帶到像屏之間的距離為l， 則彈丸卡膛姿態(tài)方向角度為

(1)

(2)

規(guī)定PSD中心與炮口截面中心重合. 像屏上激光光點位置要依靠PSD位置敏感元件、 以電壓信號形式輸出、 并通過標(biāo)定才能得到. 數(shù)據(jù)采集模塊采集PSD位置敏感元件輸出電壓， 而數(shù)據(jù)輸出模塊對數(shù)據(jù)采集模塊得到的電壓信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理， 就得到了彈丸卡膛姿態(tài)角度， 通過數(shù)據(jù)輸出模塊屏幕顯示測試結(jié)果， 實現(xiàn)彈丸卡膛姿態(tài)角度輸出.

由于彈丸卡膛姿態(tài)具有兩維特性， 所以， 采用兩維PSD敏感元件的探測器就實現(xiàn)了彈丸卡膛姿態(tài)角度α和β的測試. 實際測試時， 還要對重力引起身管彎曲變形帶來的系統(tǒng)誤差進行修正.

該方法能給出彈丸卡膛動態(tài)過程測試曲線、 姿態(tài)角度幅值和彈丸卡膛結(jié)束時刻姿態(tài)角度幅值， 形成了任意射角γ彈丸卡膛姿態(tài)測試方法. 由于測試系統(tǒng)具有抗背景光功能， 顯著提高了測試精度， 彈丸卡膛姿態(tài)角度精度為0.1′， 角度量程為±30′， 測試系統(tǒng)頻響為50kHz. 采用精度為0.03′的經(jīng)緯儀進行角度精度標(biāo)定. 激光器固定在經(jīng)緯儀上， 其照射像屏， 由探測器輸出電信號. 當(dāng)經(jīng)緯儀輸入角度0.1′時， 彈丸卡膛姿態(tài)測試系統(tǒng)能輸出角度0.1′.

2工程應(yīng)用

經(jīng)過實驗測試， 得到了彈丸卡膛姿態(tài)測試結(jié)果. 表 1 給出了其中的5發(fā)彈丸卡膛姿態(tài)測試數(shù)據(jù)， 圖 2 是輸彈過程彈丸姿態(tài)角度典型測試曲線， 圖 3 是卡膛過程彈丸姿態(tài)角度典型測試曲線， 圖 4 是33發(fā)彈丸卡膛姿態(tài)角度分布規(guī)律.

表 1　彈丸卡膛姿態(tài)測試結(jié)果

圖 2　輸彈卡膛全過程典型測試曲線Fig.2　Measuring curves of posture angle at feeding projectile

在圖 3(b) 中， AB為彈丸低頭輸彈； B點為前定心部下半圓撞擊坡膛； C點為前定心部上半圓前棱撞擊身管根部膛線； D點為前定心部撞擊內(nèi)膛下部膛線； E點為彈帶卡膛.

圖 3　彈丸卡膛過程姿態(tài)角度典型測試曲線Fig.3　Measuring curves of posture angle for projectile band bayonet-chamber

圖 4　彈丸卡膛姿態(tài)角度測試值分布規(guī)律Fig.4　Distributing regulation of measuring data of projectile band bayonet-chamber posture

測試結(jié)果表明：① 彈丸輸彈過程表現(xiàn)出的規(guī)律為：方向基本呈現(xiàn)左右對稱輸彈； 高低以彈丸低頭輸彈. ② 彈丸前后定心部進入膛線過程角度變化規(guī)律為：方向以彈頭從身管軸線偏右一側(cè)入膛， 卡膛后彈丸軸線與身管軸線基本一致； 高低以彈丸低頭輸彈， 彈丸前定心部下表面首先撞擊藥室坡膛下表面、 然后在坡膛下表面約束下仰頭使彈丸前定心部上部撞擊身管上部膛線一次后再振蕩一次即可卡膛. ③ 彈丸卡膛姿態(tài)角度大部分分布在1′之內(nèi)(方向)和1′～3′之間(高低)， 彈丸卡膛姿態(tài)角度最大值均小于5′. ④ 從彈丸前定心部入膛到彈丸卡膛全過程， 彈丸擺動周期為一個周期左右， 頻率在50Hz之內(nèi). ⑤ 經(jīng)過檢測， 輸彈卡膛前后， 彈頭安裝的激光器軸線與彈丸軸線同軸度始終一致， 未發(fā)生變化.

3結(jié)論

采用PSD激光成像測試原理， 提出以反映彈軸姿態(tài)角的激光器固定在彈頭、 探測器固連到炮口以接收彈頭激光信號、 并同時測試身管彎曲變形量以精確化彈丸卡膛姿態(tài)的方法， 實現(xiàn)了火炮任意射角彈丸卡膛姿態(tài)測試. 完成了某火炮彈丸卡膛姿態(tài)規(guī)律實驗研究， 揭示了該火炮彈丸卡膛姿態(tài)規(guī)律.

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文章編號：1673-3193(2016)04-0386-05

收稿日期：2015-12-30

作者簡介：王寶元(1959-)， 男， 研高工， 碩士， 主要從事機械結(jié)構(gòu)動力學(xué)和測試技術(shù)的研究.

中圖分類號:TJ306

文獻標(biāo)識碼:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.04.012

Principle and Its Application of Projectile Band Bayonet-ChamberPostureMeasuringUnderFireAngleofArbitrary

WANG Bao-yuan1， LI Yu-lin2， CHEN Zhi-jian3， GAO Xiao-ke1

(1. Northwest Institute of Mechanical and Electrical Engineering, Xianyang 712099, China；2.QiqiharNorthMachineryCorporationLimited,Qiqihar161000,China；3.BorderDefenceAcademyofPLA,Xi’an710108,China)

Abstract:To solve the key technology of high precision and high reliability test under fire angle of arbitrary, a projectile band bayonet-chamber posture measuring method was proposed based on position sensitive detector laser imaging test principle. The laser and detector were fixed on the nose of projectile and on the muzzle respectively, and the bayonet-chamber posture angle was measured by this system, in which the bending of barrel was measured to correct the results. Projectile band bayonet-chamber posture test system was developed to measure the projectile band bayonet-chamber posture under the arbitrary angle of fire. It can be seen from the test results that, in the process of ammunition ramming, the projectile is crouching in the elevation and symmetry in the azimuth. The front bourrelet of projectile is bayonet-chambered after the contact with rifling with one circle swing, and the maximal angle of bayonet-chamber posture is less than 5′. The test method and the test system developed have been testified in the gun engineering practice, satisfying the requirements of engineering application.

Key words:gun； projectile； bayonet-chamber posture； laser imaging； fire angle