火炮發(fā)射過程中的彈丸過載測試方法

趙煜華，閆光虎，梁 磊，劉 毅，嚴(yán)文榮，肖 霞

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

現(xiàn)代火炮面臨高初速、大威力的作戰(zhàn)需求，隨著各種高能發(fā)射藥、高能量密度裝藥技術(shù)在現(xiàn)代高性能火炮中的應(yīng)用，彈丸在膛內(nèi)發(fā)射過程中面臨高壓、高溫、高過載的惡劣環(huán)境，尤其是彈丸所受到的膛內(nèi)過載過大或者過小都有可能影響引信機(jī)構(gòu)在發(fā)射過程中的可靠性，進(jìn)而影響火炮發(fā)射過程的安全性。因此，測試彈丸在膛內(nèi)的過載對于引信設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核、故障分析而言是重要的試驗(yàn)依據(jù)，是研究火炮發(fā)射安全性的一項(xiàng)重要研究內(nèi)容[1]。由于身管的遮蔽，使得膛內(nèi)彈丸的運(yùn)動過載等參數(shù)的測量成為研究彈丸發(fā)射動力學(xué)過程中的一個測試難題。當(dāng)前測量彈丸膛內(nèi)過載的主要方法有：1)采用彈載傳感器直接測試法[2-8]，該方法需要修正加速度效應(yīng)對傳感器測試精度的影響，且由于高速彈丸的無損回收難度大，單次試驗(yàn)后傳感器往往損壞，試驗(yàn)成本高昂。2)通過測試膛內(nèi)壓力換算彈丸過載[9-10]，該方法需要對基于膛內(nèi)壓力換算的彈丸引信過載數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和修正，計(jì)算過程復(fù)雜且比直接測試法精度低。本文針對現(xiàn)有彈丸膛內(nèi)過載測試方法存在測試精度低、測試過程復(fù)雜且成本高昂等問題，提出了采用微波干涉儀的火炮發(fā)射過程彈丸膛內(nèi)過載測試方法[11]。

1 微波干涉儀

微波干涉儀的工作原理如圖1所示。圖1中，被測物體(彈丸)運(yùn)動過程中，微波干涉儀內(nèi)的微波信號發(fā)生器及天線持續(xù)進(jìn)行微波信號的發(fā)射與接收。發(fā)射出的信號經(jīng)過反射板反射進(jìn)身管；當(dāng)彈丸前端面接觸微波信號后，又將其反射至反射板，繼而由反射板再次反射給微波干涉儀；微波干涉儀將接收到的微波信號進(jìn)行混頻濾波后，得到含有彈丸運(yùn)動信息的微波干涉信號，即一組多普勒信號。

圖1 微波干涉儀的工作原理Fig.1 Principle of microwave interferometer

通過對所測微波干涉信號進(jìn)行分析，測得對應(yīng)的頻率，根據(jù)多普勒原理完成彈丸速度計(jì)算，得到彈丸運(yùn)動速度時間曲線，進(jìn)而處理出彈丸所受過載曲線。

2 基于微波干涉儀的彈丸膛內(nèi)過載測試系統(tǒng)及方法

基于微波干涉儀的彈丸膛內(nèi)過載測試方法，其測試系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 彈丸膛內(nèi)過載測試系統(tǒng)圖Fig.2 Sketch of projectile’s overload testing system

將火炮、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、光電測速靶、反射板放置于圖2中所述位置。反射板的材質(zhì)采用錫箔紙，用支架固定在炮口前方。將微波干涉儀架設(shè)于炮口側(cè)后方，微波干涉儀與身管的夾角約為20°～30°之間，將微波干涉儀前端面中心與反射板中心及身管軸線調(diào)整在同一水平線，調(diào)節(jié)反射板與微波干涉儀的角度，使微波干涉儀發(fā)出的信號能經(jīng)反射板反射進(jìn)入身管。將數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和微波干涉儀連接至同步觸發(fā)器，使得兩部設(shè)備測試的數(shù)據(jù)在時間軸上同步。在火炮射擊試驗(yàn)中，微波干涉儀測試彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動中反射的微波信號，并根據(jù)多普勒原理計(jì)算彈丸速度，計(jì)算公式如下：

(1)

式(1)中，f1為微波干涉儀發(fā)射系統(tǒng)的微波頻率，Hz；f2為經(jīng)彈丸反射后微波干涉儀接收系統(tǒng)接收到的微波頻率，Hz；λ0為微波干涉儀發(fā)出微波的波長，m；v為彈丸在膛內(nèi)的運(yùn)動速度，m·s-1。

對得到的彈丸膛內(nèi)速度時間曲線(v-t)進(jìn)行微分處理后可得到彈丸膛內(nèi)過載時間曲線。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于30 mm高壓滑膛炮開展了彈丸膛內(nèi)過載測試試驗(yàn)，彈重為200 g，裝藥量185 g，行程2 085 mm，次要功系數(shù)為1.05。試驗(yàn)中采用瑞士Kistler公司的6213B型壓電壓力傳感器、奧地利德維創(chuàng)公司的DEWE-2010型數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行壓力測試，采用中北大學(xué)研制的IM-W95型微波干涉儀(波長為3 mm、頻率為95 GHz)進(jìn)行彈丸膛內(nèi)運(yùn)動參數(shù)測試，采用中北大學(xué)研制的同步觸發(fā)系統(tǒng)(同步精度1 μs)對壓力測試系統(tǒng)和微波干涉儀進(jìn)行時間上同步觸發(fā)，采用光電測速靶測試彈丸炮口初速。試驗(yàn)中測試的內(nèi)彈道結(jié)果如表1所示。

表1 內(nèi)彈道試驗(yàn)結(jié)果

由于光電測速靶測得的初速為炮口前方10 m處的速度(即V10)，需采用如下公式進(jìn)行初速修正：

ΔV=[(i43×d2/m)×103×Xcp/ΔD(Vcp)]×10

(2)

式(2)中，i43為彈形系數(shù)，取4.0；d為彈徑，取0.03 m；m為彈重，kg；Xcp為測速靶距炮口距離，10 m；ΔD(Vcp)為相應(yīng)初速修正系數(shù)，依據(jù)GJB2179-94《炮用發(fā)射藥與裝藥內(nèi)彈道試驗(yàn)方法》此處為60。

將上述參數(shù)代入公式(2)計(jì)算可得，ΔV=30 m·s-1，即修正到炮口的彈丸初速為1 377.3 m·s-1。

微波干涉儀測試獲得的彈丸膛內(nèi)運(yùn)動多普勒信號如圖3所示。

圖3 彈丸膛內(nèi)運(yùn)動多普勒信號Fig.3 Doppler signal curve of projectile’s movement in bore

將圖3所示的彈丸膛內(nèi)運(yùn)動多普勒信號進(jìn)行處理，獲得的彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動的速度時間曲線、位移時間曲線，如圖4所示。

圖4 L-t曲線和V-t曲線Fig.4 L-t and V-t curves

由圖4可知，彈丸出炮口時間約為2.96 ms，彈丸行程約為2 085 mm，出炮口的速度約為1 380.3 m·s-1，相對于光電測速靶修正到炮口的初速測試誤差約為0.22%，表明微波干涉儀測試具有較高的測試精度。

測試的膛底壓力pt、坡膛壓力p0、炮口壓力pg曲線如圖5所示。由圖5膛底pt和炮口pg壓力曲線綜合分析可知，彈丸出炮口時間大約為2.965 ms，與其相比微波干涉儀測試獲得的出炮口時間測試誤差為0.17%。

對圖4所示的彈丸速度曲線進(jìn)行微分計(jì)算可得到彈丸的膛內(nèi)過載隨時間變化曲線，并與采用圖5中的膛底壓力數(shù)據(jù)按照文獻(xiàn)[9]中的方法計(jì)算的膛內(nèi)過載曲線作對比，如下圖6所示。

圖5 膛內(nèi)p-t曲線Fig.5 p-t curves in bore

圖6 彈丸膛內(nèi)過載曲線Fig.6 Overload curves of projectile in bore

從圖6可以看出，基于壓力測試及內(nèi)彈道理論計(jì)算出的火炮膛內(nèi)過載最大值為90 393g，對應(yīng)的時間約為1.43 ms，該時刻的膛底壓力值為371.58 MPa，為膛底壓力曲線的最大值。結(jié)合文獻(xiàn)[9]和圖6結(jié)果可知，基于壓力測試計(jì)算的膛內(nèi)過載曲線依賴于測試的膛底壓力曲線，其變化趨勢與膛底壓力曲線一致；且由于在計(jì)算過程中用到了拉格朗日假設(shè)，認(rèn)為彈后空間的混合氣體密度均勻分布。在該假設(shè)基礎(chǔ)上推導(dǎo)出的彈后空間壓力分布與火炮膛內(nèi)實(shí)際火藥燃?xì)鈮毫Ψ植即嬖诓町?，因而基于該方法獲得的彈丸膛內(nèi)過載曲線與實(shí)際值存在一定誤差。綜合表1和圖4、圖5中的數(shù)據(jù)可知，基于微波干涉儀測試獲得的彈丸炮口速度與光電測速靶修正到炮口的初速測試誤差約為0.22%，與基于壓電壓力測試的彈丸膛內(nèi)運(yùn)動時間測試誤差為0.17%，表明微波干涉儀獲得的彈丸在膛內(nèi)的運(yùn)動參數(shù)接近彈丸在膛內(nèi)的實(shí)際運(yùn)動狀態(tài)，因而由微波干涉儀測試獲得的V-t曲線微分獲得的彈丸膛內(nèi)過載曲線相較于基于壓力測試計(jì)算的膛內(nèi)過載曲線而言，準(zhǔn)確度更高，更接近彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動過程中實(shí)際受到的過載。從圖6可以看出基于微波干涉儀測試法獲得的彈丸膛內(nèi)過載為86 733g，對應(yīng)時間約為1.37 ms，比基于壓力測試計(jì)算獲得的最大過載時間提前0.6 ms，最大過載值小3 660g，且在過載曲線上升段(0.205～1.223 ms)，微波干涉儀測試的彈丸膛內(nèi)過載值均要高于壓力測試計(jì)算值。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于微波干涉儀測試獲得的膛內(nèi)過載數(shù)據(jù)可以為彈丸設(shè)計(jì)、引信及制導(dǎo)彈藥的電子元器件的抗過載研究等提供了更為準(zhǔn)確和可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

采用本文建立的彈丸膛內(nèi)過載測試方法，在彈丸內(nèi)部放入被試樣品如推進(jìn)劑藥柱等，采用軟回收裝置對射擊后的彈丸進(jìn)行無損回收，并對承受高過載沖擊后的被試樣品進(jìn)行性能檢測，可獲得被試樣品的抗過載性能數(shù)據(jù)。因而本文建立的彈丸膛內(nèi)過載測試方法也可為火炸藥的抗過載研究提供加載測試及驗(yàn)證技術(shù)手段。

4 結(jié)論

本文提出了基于微波干涉儀的火炮發(fā)射過程彈丸膛內(nèi)過載測試方法。該方法采用微波干涉儀對彈丸膛內(nèi)運(yùn)動的微波多普勒信號進(jìn)行分析處理獲得彈丸膛內(nèi)過載。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的彈丸膛內(nèi)過載測試方法精度較高，且成本低廉、測試過程簡單，實(shí)現(xiàn)了無損測試；本文建立的彈丸膛內(nèi)過載測試方法，能有效獲得彈丸在火炮發(fā)射過程中的過載數(shù)據(jù)，可為引信及制導(dǎo)彈藥的電子元器件抗過載設(shè)計(jì)提供更為準(zhǔn)確和可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，也為火炸藥等的抗過載研究提供了加載測試技術(shù)手段。