炮口測速裝置測速精度影響因素分析

譚爭光，姚新濤，李海蓉

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

彈丸初速是武器系統(tǒng)中各種運動參數(shù)中一個非常重要的參數(shù)，是衡量火炮特性、彈藥特性和彈道特性的重要指標之一。而在火炮武器系統(tǒng)的研制過程中，初速作為火炮眾多射擊諸元的其中之一，對于火炮的射擊效果具有直接的影響[1-3]。

炮口初速測量裝置采用與炮口制退器一體化設計，直接安裝于身管前端，是利用兩個通電線圈來測量火炮膛口速度的測速裝置，其測速誤差直接影響著火炮的射擊效果。由于它的安裝位置會受火炮自身的振動沖擊環(huán)境，以及火炮后坐速度等因素的影響；同時由于炮口初速測量裝置采用區(qū)截法進行速度測量，其所測速度為兩線圈的幾何中心位置的速度，需通過基準設備(天幕靶或初速雷達)對其進行標定，換算成實際初速后供火炮火控系統(tǒng)使用，基準設備的測試精度及其測試正確性將直接影響炮口初速測量裝置的測速精度。筆者將從這兩方面出發(fā)，開展炮口測速精度影響因素分析[4-10]。

1 炮口測速裝置原理介紹

如圖1所示為炮口初速測量裝置結構示意圖，它是將兩組相同材料、相同結構、相同圈數(shù)的線圈內嵌于炮口制退器中，制退器通過螺紋安裝于身管外部，并且身管軸線與兩組線圈的軸線同軸。

炮口初速測量裝置采用區(qū)截式測速原理，兩測速線圈之間的中心距離為L保持不變，彈丸通過測速線圈時所產(chǎn)生的脈沖信號時間間隔為t，可以得到彈丸經(jīng)過兩測速線圈中心c點的速度Vc：

Vc=L/t.

(1)

由于炮口初速測量裝置兩測速線圈中心c點的速度并不是實際的初速，不能直接用于火炮射擊諸元的解算。為了得到準確的彈丸初速，實際應用中，采用高精度天幕靶或高精度初速雷達同時測量該發(fā)彈丸初速，其測量值為vL，認為vL為真值，則得到炮口初速測量裝置的標定系數(shù)L0：

(2)

將式(1)帶入式(2)中，可得L0=vLt，因真值vL即為V0,即可得到炮口初速測量裝置在單發(fā)或連發(fā)射擊時彈丸初速V0：

V0=L0/t.

(3)

2 影響炮口初速精度的主要因素分析

由炮口初速測量裝置的測速原理可知，彈丸初速的測量精度主要由兩線圈距離L和彈丸通過線圈所用時間t決定。在實際工程應用過程中，由于結構的裝配誤差與電路系統(tǒng)的延遲及計時誤差，將導致線圈距離L和彈丸通過時間t與實際值存在偏差，造成初速測量不準。但由此而引起的誤差屬于系統(tǒng)誤差，可通過初速標定的方法對其進行消除。除了上述所提到的系統(tǒng)誤差外，還存在由于火炮后坐速度偏差較大、轉管炮射速不穩(wěn)定、天幕靶測速系統(tǒng)不穩(wěn)定等因素影響，造成炮口測速的隨機誤差，最終影響測速精度。

2.1 火炮后坐速度偏差較大對測速精度的影響

由于炮口初速測量裝置安裝在火炮身管前端，當彈丸出炮口時，與身管同時后坐。從理論上講，當每發(fā)射彈后坐具有較大偏差時，必然導致初速的跳動，從而影響其測速精度。筆者從某高炮單發(fā)及連發(fā)情況下后坐速度的變化情況來分析。單發(fā)射擊條件下身管后坐速度如表1所示，連發(fā)射擊條件下身管后坐速度如表2所示。

表1 單發(fā)射擊條件下身管后坐速度 單位：m·s-1

表2 連發(fā)射擊條件下身管后坐速度 單位：m·s-1

從表1可以看出單發(fā)射擊條件下，火炮身管后坐平均速度約為1.34 m/s；從表2可以看出連發(fā)射擊條件下，火炮身管后坐平均速度約為0.961 m/s，速度變化范圍為0.72～1.39 m/s.火炮身管后坐平均速度可通過初速標定，得到初速測量裝置的標定系數(shù)，將其作為系統(tǒng)誤差消除。

對于后坐速度的不一致性，特別是在連發(fā)射擊時火炮后坐速度的變化，將帶來測速的隨機誤差。以上述10連發(fā)為例，后坐速度變化范圍為0.72～1.39 m/s，而后坐平均速度為0.961 m/s，最大偏差為0.429 m/s，以標準初速為1 175 m/s進行計算，由于后坐速度不一致所帶來的測速隨機誤差δ1為

(4)

2.2 轉管炮轉速不穩(wěn)定對測速精度的影響

在進行轉管炮炮口測速時，炮口初速測量裝置采用較大的測速線圈方式，可滿足轉管射擊的安全性要求，同時保證其與身管同時后坐。由于轉管自動炮在進行單發(fā)或連發(fā)射擊時，轉速的不穩(wěn)定將導致彈丸出炮口位置在允許范圍內跳動，從而引起測速線圈感應信號幅值不一致，最終影響炮口測速精度。射速跳動較大情況下，初速跳動情況如表3所示。

表3 射速跳動較大情況下，初速跳動情況

表3數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結果顯示，自動機的平均轉速為1 504 發(fā)/min，轉速范圍為767～2 309發(fā)/min；炮口裝置與天幕靶初速偏差范圍為-0.4～-9.9 m/s，初速平均偏差為-5.17 m/s.由于轉速不穩(wěn)定所導致的初速平均偏差而造成的隨機測速誤差δ2為

(5)

2.3 火炮車體振動對測速精度的影響

自行高炮在進行單發(fā)射擊時，車體的振動不大，對天幕靶測速影響較?。欢谶M行連發(fā)射擊時，身管具有一定范圍的高角量變化，從而改變兩套天幕靶之間的距離，從而導致天幕靶測速不準。而炮口初速測量裝置以天幕靶為基準進行初速精度驗收，兩者初速差將會具有明顯隨機誤差。

表4給出了車體具有剛性支撐和無剛性支撐條件下的兩組10連發(fā)數(shù)據(jù)。

表4 火炮有無剛性支撐天幕靶與炮口裝置數(shù)據(jù)對比 單位：m·s-1

續(xù)表4 單位：m·s-1

從表4數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結果顯示，在火炮具有剛性支撐的條件下，炮口裝置與天幕靶平均初速差值為-0.22 m/s，初速差值的分布范圍為-2.9～3.3 m/s；而火炮無剛性支撐的條件下，炮口裝置與天幕靶平均初速偏差為7.47 m/s，初速差值的分布范圍為0.4～17.1 m/s.由于火炮車體振動所引起的天幕靶測速平均偏差，最終造成的測速隨機誤差δ3為

(6)

3 試驗方法與數(shù)據(jù)處理方法探討

3.1 試驗方法探討

根據(jù)上述分析，火炮后坐速度、轉管自動炮轉速不穩(wěn)定、火炮車體振動等因素對炮口測速精度均有不同程度的影響，基于此，為了滿足炮口初速測量裝置對于測速精度驗收的合理性與科學性，作如下規(guī)定：

1)確?；鹋诩夹g狀態(tài)，做到火炮后坐速度、轉管自動機轉速等性能參數(shù)相對穩(wěn)定。

2)為了避免連發(fā)狀態(tài)下后坐速度、車體振動等因素的影響，測速精度考核時采用單發(fā)射擊方式。

3)為了確保測速基準設備測試數(shù)據(jù)的可靠性，采用兩組天幕靶測同一點的方式進行試驗。

3.2 數(shù)據(jù)處理方法探討

3.2.1 天幕靶數(shù)據(jù)異常剔除方法

按GJB 2973A—2008的規(guī)定，采用兩套天幕靶測量第i發(fā)彈丸初速，一套擺在距炮口前方26、34 m處，測得30 m處初速v1i；另一套擺在距炮口前方25、35 m處，同樣測得30 m處初速v2i，其差值滿足式(7)時，測試數(shù)據(jù)有效，否則剔除并補射。

|v1i-v2i|≤v1i×0.1%+v2i×0.1%.

(7)

天幕靶的測速精度為0.1%，式(7)適用于兩套天幕靶測量彈丸初速。

3.2.2 炮口初速測量裝置數(shù)據(jù)異常處理方法

(8)

表5 肖維涅判據(jù)

3.2.3 炮口初速測量裝置數(shù)據(jù)合格性檢驗方法

炮口初速測量裝置數(shù)據(jù)合格性檢驗方法是以精度較高的天幕靶作為其基準設備，利用改進的均方差公式(9)進行數(shù)據(jù)合格性檢驗判別。炮口初速測量裝置數(shù)據(jù)合格性檢驗計算公式為

(9)

式中：δ為炮口初速測量裝置測速精度；n為數(shù)據(jù)處理樣本量(通常取n=10/20發(fā))；Ai為炮口初速測量裝置測量的第i發(fā)彈丸初速；Bi為天幕靶測量第i發(fā)彈丸初速。

取數(shù)據(jù)合格性檢驗標準為η，若測速精度δ≤η，則判定數(shù)據(jù)為合格；否則，判定為不合格。根據(jù)系統(tǒng)要求，通常η取值為0.25%或0.5%.

4 結束語

筆者分析了影響炮口初速測量裝置測速精度的諸多因素，包括火炮后坐速度、轉管自動炮轉速、火炮車體穩(wěn)定性等，均在不同程度上給測速精度考核帶來了隨機誤差。針對此問題，筆者對測速精度考核進行了相應的試驗方法與數(shù)據(jù)處理方法的研究與探討，形成了具有可操作性的約束條件，對產(chǎn)品研制或生產(chǎn)過程中，測速精度的驗收具有一定參考價值。