EFP速度測(cè)量的高速攝影試驗(yàn)研究

焦志剛 ，杜 寧 ，賀玉民 ，范 祎 ，楊 瑩

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué)，沈陽(yáng) 110159；2.遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司，沈陽(yáng) 110116；3.江蘇永豐機(jī)械有限責(zé)任公司，南京 210014）

0 引言

爆炸成型彈丸（EFP）技術(shù)是從聚能破甲技術(shù)中分離出來的一個(gè)分支。它是由大錐角、球缺形等藥型罩在爆轟波作用下形成的，整個(gè)質(zhì)量全部用于侵徹裝甲目標(biāo)，后效大，其速度在1 500 m/s～3 000 m/s；對(duì)炸高和旋轉(zhuǎn)不敏感，大大地提高了彈藥的毀傷效能［1-3］。在對(duì)EFP研究時(shí)，它的速度特別是成型過程是研究者們最為關(guān)注的問題［4］。由于EFP速度高且形成速度快，因此，經(jīng)常在研究時(shí)采用計(jì)算機(jī)模擬的方法仿真EFP的成型效果，在試驗(yàn)時(shí)采用3個(gè)～4個(gè)塑料網(wǎng)線靶及試驗(yàn)回收的方法來觀察成型效果。試驗(yàn)時(shí)將塑料網(wǎng)線靶間隔一定距離安裝擺放，高溫下的EFP穿過網(wǎng)靶時(shí)，塑料網(wǎng)會(huì)融化而留下近似EFP的形狀，通過留下的形狀判斷EFP形成過程。采用傳統(tǒng)的塑料網(wǎng)線靶、天幕靶不但費(fèi)用高而且不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確觀測(cè)。一些學(xué)者還會(huì)采用脈沖X光攝影法，此種方法在試驗(yàn)中要得到較好的圖片比較困難，且可靠性不高、成本相當(dāng)昂貴，不便攜帶［5-8］。

高速攝影機(jī)具有測(cè)量精度高、直觀、可靠、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)［9］，已被廣泛應(yīng)用于各類兵器測(cè)試中，如炮彈、火箭等物體運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量［10-11］。利用高速攝影機(jī)觀測(cè)EFP形貌，且利用跟蹤標(biāo)記點(diǎn)法可以測(cè)量EFP的速度等參量。

1 試驗(yàn)方案及測(cè)試方法

1.1 網(wǎng)靶測(cè)試系統(tǒng)原理

網(wǎng)靶是由靶體、鉬絲等組成，在實(shí)際的速度測(cè)量中，經(jīng)常使用網(wǎng)靶。靶體框的四邊是絕緣的，在絕緣的靶體框上有接線柱，鉬絲在接線柱上回繞成一個(gè)金屬網(wǎng)，運(yùn)用電子儀器測(cè)量引線是否為閉合的回路，網(wǎng)靶結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)靶結(jié)構(gòu)示意圖

測(cè)試時(shí)，將兩個(gè)相同的網(wǎng)靶立于彈道線上，靶面與射擊方向垂直。在聚能效應(yīng)的作用下，藥型罩鍛造成的高速EFP通過第1個(gè)網(wǎng)靶后，鉬絲會(huì)被切斷，此時(shí)將會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，測(cè)時(shí)儀開始計(jì)時(shí)。通過第2個(gè)網(wǎng)靶時(shí)，鉬絲將會(huì)被切斷，產(chǎn)生第2個(gè)電信號(hào)，測(cè)時(shí)儀停止計(jì)時(shí)。測(cè)量?jī)删W(wǎng)靶之間的距離，再根據(jù)測(cè)時(shí)儀所記錄的時(shí)間可以計(jì)算出EFP的速度。運(yùn)用此種方法只能計(jì)算出EFP的速度，而不能測(cè)量出EFP的尺寸，更不能觀測(cè)出它的形貌。

1.2 高速攝影測(cè)試原理及方法

針對(duì)上述問題，本文提出高速攝影機(jī)與網(wǎng)靶相結(jié)合的測(cè)試系統(tǒng)。高速攝影機(jī)設(shè)在垂直彈道側(cè)面距離網(wǎng)靶一定距離的掩體里，在靶道另一側(cè)布置白色背景布，用云臺(tái)調(diào)節(jié)高速攝像機(jī)的高低與方向。將筆記本電腦與高速攝像機(jī)相連進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，根據(jù)距離選用適當(dāng)?shù)倪h(yuǎn)攝變焦鏡頭，用觸發(fā)開關(guān)對(duì)攝影機(jī)進(jìn)行觸發(fā)控制。由于野外無法使用市電，實(shí)驗(yàn)采用自備發(fā)電機(jī)供電。連接完成后，打開計(jì)算機(jī)軟件，調(diào)整云臺(tái)角度使得靶機(jī)在取景中心位置，根據(jù)當(dāng)時(shí)的天氣條件以及綜合情況調(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)，使在圖像中可以清晰看到背景布。拍攝參數(shù)：F=2.8；f=55 000 fps；分辨率：640×608；曝光時(shí)間：10 μs；可拍攝時(shí)間為3.18 s。觸發(fā)方式為前觸發(fā)即觸發(fā)后會(huì)記錄3.18 s的視頻，因此，準(zhǔn)確把握觸發(fā)點(diǎn)至關(guān)重要，將高速攝影上的觸發(fā)線與網(wǎng)靶上的引線連接。當(dāng)EFP切斷鉬絲時(shí)，電信號(hào)傳輸?shù)礁咚贁z影機(jī)中，觸發(fā)開始記錄。高速攝像機(jī)安裝現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖2 掩體中的高數(shù)攝像機(jī)

試驗(yàn)采用球缺形藥型罩、EFP戰(zhàn)斗部固定裝置、高速攝像機(jī)、網(wǎng)靶，采用GPS定點(diǎn)。試驗(yàn)場(chǎng)地布置如圖3所示。圖中D為EFP戰(zhàn)斗部發(fā)射裝置，N為形成的EFP，C為網(wǎng)靶，F(xiàn)為背景幕，P為高速攝影機(jī)，M為計(jì)算機(jī)。

圖3 試驗(yàn)場(chǎng)地布置示意圖

射擊指令發(fā)出后，觸發(fā)高速攝像機(jī)并拍攝EFP的飛行過程，用PCC軟件截取所需的拍攝圖像信息并保存，以便對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理。

1.3 PCC軟件介紹

PCC軟件對(duì)所采集的圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，可以對(duì)被拍攝物體的標(biāo)記點(diǎn)自動(dòng)跟蹤、快速測(cè)量等。本文的射擊試驗(yàn)中，PCC軟件用于飛行姿態(tài)記錄、數(shù)據(jù)處理，并得出EFP的速度。

2 試驗(yàn)與仿真驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)結(jié)果及后處理

首先設(shè)定比例尺，點(diǎn)擊Calibrate，在待測(cè)量的圖片上點(diǎn)擊參照水平標(biāo)尺的起始點(diǎn)，如下頁(yè)圖4所示。在待測(cè)的圖片上點(diǎn)擊參照標(biāo)尺的第2點(diǎn)，如下頁(yè)圖5所示。在彈出的對(duì)話框中輸入?yún)⒄諛?biāo)尺的實(shí)際尺寸，系統(tǒng)將自動(dòng)算出當(dāng)前視頻單位像素代表的實(shí)際尺寸，如下頁(yè)圖6所示。然后激活快速測(cè)量中的Active，選擇兩點(diǎn)法的測(cè)量方式。最后在同一張照片中，選擇EFP飛行過程中的一點(diǎn)及飛行一段距離后的一點(diǎn)，確定后將在result中顯示出測(cè)量結(jié)果，如圖7所示。

圖4 標(biāo)尺的起始點(diǎn)

圖5 標(biāo)尺的第2點(diǎn)

圖6 單位像素代表的實(shí)際尺寸

運(yùn)用軟件中的自動(dòng)跟蹤標(biāo)記法，以彈丸為設(shè)定的標(biāo)記點(diǎn)，自動(dòng)跟蹤彈丸軌跡，軌跡越長(zhǎng)，所測(cè)得的彈丸速度越準(zhǔn)確。以其中一發(fā)EFP為例，運(yùn)用軟件中的兩點(diǎn)法可以測(cè)量EFP的速度，在Result中顯示如圖7所示，同時(shí)可以觀測(cè)出EFP的飛行姿態(tài)。

圖7 彈丸速度測(cè)試結(jié)果

2.2 仿真驗(yàn)證

2.2.1 有限元模型的建立

用LS-DYNA軟件模擬EFP戰(zhàn)斗部成型，EFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為由殼體、炸藥、藥型罩三部分組成。建立如圖8的EFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型，計(jì)算使用拉格朗日算法。炸藥與殼體及藥型罩之間的接觸采用滑移接觸算法，對(duì)于模型采用映射網(wǎng)格劃分法劃分網(wǎng)格。

圖8 EFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)模型

2.2.2 材料模型

仿真過程中單元選取三維實(shí)體單元solid164，選用8701炸藥，藥型罩選用紫銅，各部分材料參數(shù)及計(jì)算模型如表1所示。

2.2.3 仿真結(jié)果

隨著計(jì)算時(shí)間的加長(zhǎng)殼體單元不斷失效刪除，炸藥對(duì)戰(zhàn)斗部模型的作用已經(jīng)完畢，圖9為炸藥起爆時(shí)EFP不同時(shí)刻作用過程效果圖。

表1 材料模型參數(shù)

圖9 EFP不同時(shí)刻成形狀態(tài)

EFP數(shù)值模擬效果圖與圖4、圖5中采用高速攝像機(jī)拍攝的EFP形貌相似。EFP速度隨時(shí)間變化曲線如圖10所示。

圖10 EFP的速度-時(shí)間曲線

從速度時(shí)間曲線可以分析出EFP的速度在成形30 μs左右達(dá)到最大，其最大值接近2 000 m/s，此數(shù)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近。在30 μs以后EFP的速度幾乎不變，這是由于在仿真過程中沒有考慮空氣的因素，且時(shí)間很短。

圖11 EFP戰(zhàn)斗部固定裝置

2.3 對(duì)比分析

試驗(yàn)采用EFP戰(zhàn)斗部固定裝置如圖11所示，發(fā)射8發(fā)球缺形藥型罩，EFP選取其中3發(fā)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其中天幕靶和高速攝像機(jī)的EFP測(cè)速結(jié)果見下頁(yè)表2。

從表2中可以看出，運(yùn)用高速攝像機(jī)中的兩點(diǎn)法測(cè)速得到的結(jié)果與天幕靶測(cè)速結(jié)果吻合較好，相對(duì)測(cè)速差值小于11 m/s。因此，在類似試驗(yàn)中采用高速攝像機(jī)即可滿足需求。

表2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)論

通過對(duì)EFP戰(zhàn)斗部測(cè)試試驗(yàn)表明，運(yùn)用高速攝影機(jī)與網(wǎng)靶結(jié)合的方式可以測(cè)量高速飛行體的速度。采用高速攝像機(jī)拍攝，運(yùn)用PCC軟件，根據(jù)照片中的標(biāo)尺校準(zhǔn)比例尺，通過兩點(diǎn)法可測(cè)量EFP飛行速度，與天幕靶測(cè)速對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證高速攝影技術(shù)測(cè)速的可行性。與塑料網(wǎng)靶及試驗(yàn)后回收的方法相對(duì)比，運(yùn)用高速攝影機(jī)能更準(zhǔn)確地觀測(cè)出EFP的形貌，操作簡(jiǎn)單，同時(shí)可以降低試驗(yàn)成本，為類似試驗(yàn)提供一定的參考依據(jù)。