基于應(yīng)變測試系統(tǒng)的二級輕氣炮活塞運(yùn)動測量

趙奇峰， 李運(yùn)良， 李進(jìn)， 張向榮， 朱玉榮， 譚書舜， 張子棟

(西北核技術(shù)研究所， 陜西 西安 710024)

0 引言

二級輕氣炮的內(nèi)彈道過程是極其復(fù)雜的, 它涉及到驅(qū)動氣體、活塞、輕質(zhì)氣體與彈丸四者之間的相互作用問題[1]，同時(shí)各參量具有量值高、變化幅度大、變化時(shí)間短的特點(diǎn)，在這種惡劣環(huán)境中獲取測試信息是國內(nèi)外測試界的一大難點(diǎn)。

隨著新型實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方法的出現(xiàn)，內(nèi)彈道理論研究從數(shù)值模擬逐步向?qū)嶒?yàn)研究邁進(jìn)。國內(nèi)外學(xué)者紛紛探究了內(nèi)彈道參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測量方法，在1939～1945年二戰(zhàn)時(shí)期，德國學(xué)者就曾運(yùn)用hard-wired測試技術(shù)成功測試到火炮膛內(nèi)彈丸運(yùn)動過程中的動態(tài)數(shù)據(jù)[2]。王黎明等對微波干涉儀測量的內(nèi)彈道速度做了一定的研究，測得彈丸在內(nèi)彈道過程的行程和時(shí)間曲線[3]。彭其先等利用激光干涉測量系統(tǒng)能以數(shù)米每秒的分辨率精確地連續(xù)測量彈丸從起動到出炮口的速度，進(jìn)而得到位移、加速度，給輕氣炮發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與檢測提供重要實(shí)驗(yàn)參數(shù)[4]。中北大學(xué)祖靜教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員，開展一系列的動態(tài)存儲測試相關(guān)工作，在膛壓、彈底壓力測試、全彈道多參數(shù)測試等領(lǐng)域中獲得了重大突破，并且形成了一種獨(dú)具特色的測試?yán)碚撆c校準(zhǔn)技術(shù)[5-6]。

在二級輕氣炮中，活塞是一個(gè)傳遞能量的工具[7]。用活塞速度可以評估輕氣炮內(nèi)彈道程序的精度，其變化過程與彈底壓力過程對比，可以研究活塞對氣體壓縮的過程關(guān)系，也可以評價(jià)二級輕氣炮程序設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性[8]。因此，活塞在泵管內(nèi)的運(yùn)動過程是二級輕氣炮內(nèi)彈道理論分析的核心問題。實(shí)驗(yàn)測量輕氣炮活塞在內(nèi)彈道的速度、加速度及活塞前后的壓力這些參數(shù)對完善內(nèi)彈道理論、提升輕氣炮發(fā)射能力具有非常重要的指導(dǎo)意義。Con利用準(zhǔn)一維流體動力學(xué)程序仿真出二級輕氣炮發(fā)射過程中氣體和活塞相互作用的關(guān)系[9]，黃潔等采用計(jì)算流體力學(xué)方法求解流場控制方程，獲得了活塞運(yùn)動過程[10]，但是，針對二級輕氣炮活塞運(yùn)動歷程測試方面開展的實(shí)驗(yàn)研究較少。

本文針對獲取活塞運(yùn)動歷程的重要性，提出利用二級輕氣炮泵管沿軸向外貼多個(gè)應(yīng)變片的方式監(jiān)測輕氣炮活塞經(jīng)過泵管引起的瞬時(shí)應(yīng)變，從而推導(dǎo)出活塞在泵管中軸向運(yùn)動位置信息，進(jìn)而獲得活塞運(yùn)動過程。這一測試方法相比以往測量活塞速度的方法(如微波,磁感應(yīng)等)，具有受泵管振動和后退的影響小，信號噪聲小，價(jià)格低廉，易于安裝，且不需要對炮管進(jìn)行開孔處理等優(yōu)點(diǎn)。

1 二級輕氣炮工作原理和實(shí)驗(yàn)測試方法

1.1 二級輕氣炮工作原理

如圖1所示，二級輕氣炮結(jié)構(gòu)主要包括高壓氣室、泵管和發(fā)射管等。其工作原理是：泵管抽真空后注入一定量的輕質(zhì)氣體(如：H2或He)，高壓氣室內(nèi)氣體膨脹，推動活塞向前運(yùn)動絕熱壓縮泵管內(nèi)的輕質(zhì)氣體，使其在泵管末端形成一個(gè)新的高溫、高壓氣室，當(dāng)該氣室的氣壓超過膜片承受能力時(shí)，膜片破裂，高溫、高壓氣體推動彈丸在發(fā)射管中向前運(yùn)動，并最終獲得很高的炮口初速[11-12]。

1.2 實(shí)驗(yàn)測試方法

二級輕氣炮活塞兩端帶有裙邊自密封設(shè)計(jì)，因此在發(fā)射過程中，受壓膨脹會擠壓泵管產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)變。在57 mm/10 mm氣炮泵管外壁沿軸向的特定位置分別布置一系列應(yīng)變片，并配置應(yīng)變放大器和高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(16通道，100 MHz/通道)。在輕氣炮發(fā)射過程中，利用該系統(tǒng)記錄各測量點(diǎn)的應(yīng)變片的突變信號，并通過分析信號代表的活塞位置信息，從而得到活塞在泵管內(nèi)的運(yùn)動歷程。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求先后布置了7個(gè)測點(diǎn)和13個(gè)測點(diǎn)，參見圖1所示，關(guān)聯(lián)位置數(shù)據(jù)見列表1.

表1 實(shí)驗(yàn)測試點(diǎn)布置位置情況Tab.1 Layout of measuring points mm

由于泵管壁較厚，導(dǎo)致有效信號小、輕氣炮發(fā)射過程軸向干擾較大，因此，測試采用單軸BE系列應(yīng)變片，其具備柔韌性好、粘貼方便、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。同時(shí)，采取對稱雙片粘貼方式來放大信號倍數(shù)，減小干擾，提高信噪比。為減小誤差，要盡量保證應(yīng)變片粘貼方向的精準(zhǔn)性，應(yīng)變片測試相關(guān)參數(shù)見表2.

表2 應(yīng)變測試參數(shù)Tab.2 Strain measuring parameters

根據(jù)應(yīng)變片的參數(shù)和應(yīng)變儀的設(shè)置得到了泵管環(huán)向應(yīng)變εθ與應(yīng)變儀輸出電壓U0間的換算關(guān)系如(1)式所示：

(1)

式中：Eb為電橋電壓；K為應(yīng)變片靈敏度系數(shù)；Kg為應(yīng)變儀放大倍數(shù)。

如圖2所示，泵管內(nèi)直徑2a=57 mm，泵管外直徑2b=150 mm，泵管內(nèi)壁氣壓為qa，泵管外壁的環(huán)向應(yīng)力為σθ，測點(diǎn)距泵管圓心距離為r且r=b，忽略泵管連接法蘭盤、底座的影響，假設(shè)泵管無限長時(shí)，利用彈性力學(xué)關(guān)系[13]，如(2)式所示：

圖2 泵管橫截面示意圖Fig.2 Cross-sectional diagram of pump tube

(2)

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的有效性，在57 mm/10 mm二級輕氣炮上開展了多次實(shí)驗(yàn), 表3為其中實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

表3 57 mm/10 mm二級輕氣炮實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.3 Experimental parameters of 57 mm/10 mmtwo-stage gas gun

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 泵管內(nèi)壓力變化

實(shí)驗(yàn)1得到的應(yīng)變信號，根據(jù)(1)式和(2)式，得到了活塞在泵管內(nèi)運(yùn)動過程的壓力變化波形圖，以活塞經(jīng)過測點(diǎn)1引起的壓力起跳為橫坐標(biāo)零點(diǎn)，活塞經(jīng)過測點(diǎn)1～測點(diǎn)4時(shí)引起了明顯的壓力變化，該壓力快速上升沿可作為活塞經(jīng)過該測點(diǎn)的標(biāo)志，從而得到活塞沿軸向的運(yùn)動位置及時(shí)間信息，如圖3所示。活塞與高壓錐段沖撞引起的泵管軸向位移加速度引發(fā)壓力變化，如圖3尾部所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)1壓力波形Fig.3 Pressure waveform in Experiment 1

活塞在泵管中運(yùn)動引發(fā)的壓力變化規(guī)律在經(jīng)過測點(diǎn)6時(shí)發(fā)生了變化，通過分析，活塞在靠近錐段過程中，活塞前方氫氣被充分壓縮，因此在活塞未經(jīng)過測點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)壓力高峰，活塞通過測點(diǎn)后出現(xiàn)壓力減小的現(xiàn)象[14]。因此在活塞通過錐段附近測點(diǎn)的時(shí)間判讀與之前不同，應(yīng)以壓力下降時(shí)刻為準(zhǔn)。圖4是測點(diǎn)1、測點(diǎn)2與測點(diǎn)6、測點(diǎn)7的壓力變化對比圖。

圖4 測點(diǎn)1、測點(diǎn)2與測點(diǎn)6、測點(diǎn)7對比壓力波形Fig.4 Comparison of the pressure changes at measuring points 1 and 2, and measuring points 6 and 7

為了進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)可行性，開展了實(shí)驗(yàn)方案2，將布局點(diǎn)從7個(gè)加至13個(gè)?；钊诒霉軆?nèi)運(yùn)動過程的壓力變化波形圖，如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)2壓力波形Fig.5 Pressure waveforms in Experiment 2

2.2 運(yùn)動時(shí)間歷程及彈底壓力變化

根據(jù)測量所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別得到實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2各布局點(diǎn)的到時(shí)、峰值壓力及活塞速度等參數(shù)，見表4.

表4 實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2各測點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.4 Experimental data of each measuring point in Experiments 1 and 2

根據(jù)測點(diǎn)位置和活塞通過各測點(diǎn)的時(shí)間采用Lagrange二次擬合法求解得到活塞通過各測點(diǎn)的速度。由于計(jì)算中將活塞簡化為質(zhì)點(diǎn)，忽略了由活塞長度等引起的壓力突變時(shí)間點(diǎn)與活塞實(shí)際運(yùn)動到該位置的時(shí)間點(diǎn)之間存在偏差的影響，因此將會給計(jì)算結(jié)果帶來一定影響。

實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2中活塞經(jīng)過不同測點(diǎn)時(shí)時(shí)間運(yùn)動歷程曲線如圖6所示。圖7給出了在實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2中活塞運(yùn)動過程中經(jīng)過各測點(diǎn)處泵管內(nèi)氣體壓力。

圖6 實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2條件下活塞運(yùn)動時(shí)間歷程Fig.6 Motion time history of piston in Experiments 1 and 2

圖7 實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2條件下活塞運(yùn)動位移與活塞底部壓力的關(guān)系Fig.7 Relationship between motion displacement and pressure of projectile base in Experiments 1 and 2

如圖3和圖5所示，當(dāng)活塞前后壓力接近時(shí)，活塞通過測點(diǎn)后，引起的壓力變化擾動非常小，活塞到時(shí)難以精確判讀，造成圖7中測點(diǎn)7～測點(diǎn)10處的彈前壓力不可忽略出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。(2)式基于無限長圓筒，實(shí)際上受到泵管轉(zhuǎn)接端連接法蘭、泵管固定支座等約束作用，測試壓力結(jié)果可能偏小。

2.3 結(jié)果分析對比

采用文獻(xiàn)[15]提供的二級輕氣炮內(nèi)彈道理論，對實(shí)驗(yàn)2的活塞運(yùn)動時(shí)間歷程進(jìn)行理論分析。如圖8所示，給出了實(shí)測結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的對比圖，二者間吻合效果良好。

圖8 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果對比圖Fig.8 Comparison of experimental and calculated results

3 結(jié)論

本文對輕氣炮活塞在內(nèi)彈道的運(yùn)動歷程進(jìn)行研究，提出了一種基于應(yīng)變測試活塞運(yùn)動歷程的方法。該方法應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室57 mm/10 mm二級輕氣炮內(nèi)彈道參數(shù)測量研究上，測量結(jié)果與文獻(xiàn)[15]中提出的二級輕氣炮內(nèi)彈道理論進(jìn)行了對比分析。得出以下主要結(jié)論：

1) 本文方法在測量活塞在輕氣炮內(nèi)彈道運(yùn)動歷程具有可行性。

2) 本文方法可為校核二級輕氣炮內(nèi)彈道程序提供數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)也可以此為基礎(chǔ)結(jié)合直接壓力測量方法，判斷膜片破裂時(shí)刻等關(guān)鍵參數(shù)。

3) 由于將活塞簡化為質(zhì)點(diǎn)帶來到時(shí)判斷的偏差必然會影響活塞速度的計(jì)算，下一步將重點(diǎn)針對該問題進(jìn)行研究。