“金屬風(fēng)暴”武器的耦合膛壓測(cè)試彈設(shè)計(jì)

張培忠,商 飛,杭 宇,張 巖,解文凱,寧金貴

(1.中國(guó)人民解放軍63863部隊(duì),吉林 白城 137001;2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094;3.西安衛(wèi)星測(cè)控中心,陜西 西安 710042)

“金屬風(fēng)暴”武器由澳大利亞金屬風(fēng)暴公司研發(fā),其單根發(fā)射管內(nèi)預(yù)先裝填幾發(fā)彈藥,各發(fā)彈藥頭尾相連排成一串,形成串聯(lián)發(fā)射方式,利用電底火依次發(fā)射各發(fā)彈。該武器可以是單管武器或多管武器,用100根發(fā)射管組合在一起形成多層堆棧結(jié)構(gòu),武器系統(tǒng)射速可高達(dá)每分鐘100萬(wàn)發(fā)。

由于“金屬風(fēng)暴”武器系統(tǒng)是堆棧發(fā)射結(jié)構(gòu),單根身管內(nèi)每發(fā)彈的內(nèi)彈道有所不同,相鄰兩發(fā)彈的發(fā)射間隔時(shí)間小于膛內(nèi)時(shí)期或者后效期,前一發(fā)彈發(fā)射產(chǎn)生的火藥氣體壓力作用于后續(xù)發(fā)射的彈丸前部,后續(xù)發(fā)射的彈丸改變了相鄰兩發(fā)彈之間火藥氣體的壓力分布,后續(xù)發(fā)射彈的火藥氣體能量間接作用于前一發(fā)彈丸,而且每發(fā)彈的膛內(nèi)行程不同,各發(fā)彈的內(nèi)彈道參數(shù)相互耦合,形成了有別于普通火炮和自動(dòng)武器的內(nèi)彈道過(guò)程。目前,已有大量文獻(xiàn)報(bào)道了耦合內(nèi)彈道的形成機(jī)理及其數(shù)理描述方法,并基于每種數(shù)理描述方法給出了對(duì)應(yīng)的數(shù)值計(jì)算和仿真實(shí)例,但是,目前尚未檢索到關(guān)于耦合內(nèi)彈道測(cè)試技術(shù)的報(bào)道。為了給“金屬風(fēng)暴”武器研發(fā)、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)提供數(shù)據(jù),需要研制耦合膛壓測(cè)試系統(tǒng),用于獲取臨近彈丸之間的耦合膛壓值,為計(jì)算和修正耦合內(nèi)彈道參數(shù)提供依據(jù),指導(dǎo)該類(lèi)武器研發(fā)、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)。

1 耦合膛壓測(cè)試彈設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)試目的

在“金屬風(fēng)暴”武器發(fā)射過(guò)程中,從第2發(fā)彈開(kāi)始,每發(fā)彈丸將會(huì)受到前一發(fā)彈丸發(fā)射所產(chǎn)生的(或者遺留的)彈前壓力t,,以及自身發(fā)射所產(chǎn)生的彈底壓力d,+1(為彈丸發(fā)射順序,從前往后依次為1,2,3,…)的共同作用,在內(nèi)彈道過(guò)程中出現(xiàn)耦合現(xiàn)象,如圖1所示。研發(fā)的耦合膛壓測(cè)試彈應(yīng)該裝填在第2發(fā)或者以后的彈丸位置(即≥2),用于測(cè)試耦合膛壓。電底火通過(guò)螺紋固定在各發(fā)彈后的藥室內(nèi),耦合膛壓測(cè)試彈在發(fā)射控制系統(tǒng)的控制下與其他彈丸依序發(fā)射,獲得前一發(fā)彈發(fā)射所產(chǎn)生的彈前壓力,以及自身發(fā)射所產(chǎn)生的彈底壓力。

圖1 “金屬風(fēng)暴”武器耦合內(nèi)彈道原理圖

目前發(fā)展較快的高初速防空反導(dǎo)“金屬風(fēng)暴”武器口徑為30 mm,其特點(diǎn)是裝發(fā)射藥多、射速高、初速大、火藥氣體的后效期長(zhǎng),需要針對(duì)30 mm口徑的高初速防空反導(dǎo)“金屬風(fēng)暴”武器設(shè)計(jì)耦合膛壓測(cè)試彈丸。在耦合膛壓測(cè)試彈內(nèi)安裝采集、計(jì)算、存儲(chǔ)、通訊等電路系統(tǒng),在其發(fā)射過(guò)程中實(shí)時(shí)采集、處理、存儲(chǔ)各物理參量。射擊后回收耦合膛壓測(cè)試彈,并通過(guò)通信接口讀取數(shù)據(jù),獲得耦合內(nèi)彈道數(shù)據(jù)。

1.2 設(shè)計(jì)方案

用“金屬風(fēng)暴”武器發(fā)射耦合膛壓測(cè)試彈時(shí),耦合膛壓測(cè)試彈將承受瞬態(tài)高溫、高壓、高加速度過(guò)載,給研發(fā)帶來(lái)難題,主要體現(xiàn)在3個(gè)方面:①?gòu)梼?nèi)傳感器承受高溫、高過(guò)載影響,產(chǎn)生附加輸出,容易導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確或測(cè)試精度降低。②采集、計(jì)算、存儲(chǔ)、通訊電路系統(tǒng)置于耦合膛壓測(cè)試彈內(nèi)部,受30 mm彈體內(nèi)部空間所限,要求電路系統(tǒng)體積小、性能穩(wěn)定可靠。③耦合膛壓測(cè)試彈出炮口速度高,回收時(shí)受到較大的沖擊力,對(duì)彈體機(jī)械強(qiáng)度要求很高。只有克服上述技術(shù)難題,才能保證耦合膛壓測(cè)試彈成功獲得彈前壓力、彈底壓力以及加速度等數(shù)據(jù)。

受30 mm彈體空間所限,耦合膛壓測(cè)試彈內(nèi)部的傳感器宜選用體積小、厚度薄的薄膜壓電傳感器。聚偏二氟乙烯(PVDF)是一種新型的高分子壓電材料,壓電特性強(qiáng),密度低,機(jī)械強(qiáng)度高,加工性能好,是一種理想的壓電敏感元件,可以用于感知彈前壓力和彈底壓力?？紤]到PVDF材料具有顯著的熱釋電效應(yīng),若PVDF材料直接與高溫火藥氣體接觸極易被燒蝕,或產(chǎn)生巨大的熱電荷輸出,導(dǎo)致傳感器無(wú)法正常工作,需要將其與火藥氣體完全隔離,防止被燒蝕,或者產(chǎn)生熱電荷輸出。設(shè)計(jì)的耦合膛壓測(cè)試彈總體方案如圖2所示。

圖2 耦合膛壓測(cè)試彈總體方案圖

耦合膛壓測(cè)試彈由彈頭、彈本體、彈帶、彈尾、彈本體前蓋、彈本體后蓋等6部分組成。2個(gè)PVDF薄膜壓電傳感器分別粘貼于彈本體的前蓋上和后蓋上。彈頭沿軸向開(kāi)設(shè)有3個(gè)圓周均布螺紋孔,彈本體前蓋對(duì)應(yīng)開(kāi)設(shè)有通孔,彈頭通過(guò)螺釘連接至彈本體前蓋。該連接方式使彈頭與彈本體前蓋的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和徑向平動(dòng)自由度被約束,但保留了軸向平動(dòng)自由度,與活塞結(jié)構(gòu)相似。耦合膛壓測(cè)試彈發(fā)射后,作用在彈前的壓力通過(guò)彈頭傳遞給彈前PVDF薄膜壓電傳感器;PVDF受力后發(fā)生厚度壓縮變形,并產(chǎn)生與變形量成比例的極化電荷,實(shí)現(xiàn)彈前壓力的測(cè)量。彈底壓力的測(cè)量原理類(lèi)似。

彈頭和彈尾起到隔絕火藥氣體熱傳遞的作用,同時(shí)其側(cè)壁安裝有橡膠密封圈,密封圈周?chē)磕ü柚?避免火藥氣體進(jìn)入彈頭和彈本體前蓋(或彈尾和彈本體后蓋)裝配縫隙內(nèi),使PVDF薄膜壓電傳感器被燒蝕。加速度傳感器置于彈本體內(nèi),通過(guò)螺栓與彈本體剛性固定,測(cè)量彈體運(yùn)動(dòng)加速度。采集、計(jì)算、存儲(chǔ)、通信電路系統(tǒng)安裝于彈本體內(nèi),剩余空間填充固結(jié)材料、減載材料,起到固定電路系統(tǒng)、減小應(yīng)力過(guò)載峰值的作用。

1.3 傳感器設(shè)計(jì)

加速度傳感器選用揚(yáng)州聯(lián)能公司的耐高過(guò)載壓電石英晶體加速度傳感器,其傳感器量程±50 000 g,靈敏度0.059 8 pC/。PVDF薄膜壓電傳感器選用Dynasen公司生產(chǎn)的薄膜壓電傳感器,其壓力敏感面尺寸為6.35 mm×6.35 mm,厚度僅為28 μm,壓力測(cè)量上限大于10 GPa。該傳感器由PVDF材料、電極、引出線與絕緣體薄膜組成,其中電極蒸鍍?cè)诖笃琍VF2聚合物的一側(cè),并封裝在兩層聚酰亞胺絕緣體之間。PVDF薄膜壓電傳感器外形和結(jié)構(gòu)如圖3(a)和圖3(b)所示。

圖3 PVDF薄膜壓電傳感器

1.4 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電路系統(tǒng)由信號(hào)采集調(diào)理電路、濾波電路、微控制器、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器、測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)通信電路、電源等模塊組成。采集、計(jì)算、存儲(chǔ)、通信電路系統(tǒng)置于彈本體的空腔內(nèi),完成信號(hào)采集、調(diào)理、存儲(chǔ)和通信功能,電路系統(tǒng)原理圖如圖4所示,制成實(shí)物如圖5所示。

圖4 電路系統(tǒng)原理圖

圖5 電路系統(tǒng)實(shí)物圖

射擊過(guò)程中彈前PVDF薄膜壓電傳感器、彈底PVDF薄膜壓電傳感器、加速度傳感器的輸出信號(hào)通過(guò)低噪聲、高強(qiáng)度導(dǎo)線送入信號(hào)調(diào)理電路,并被轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),濾波電路濾除高頻干擾,AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)保存在存儲(chǔ)器中。射擊后回收耦合膛壓測(cè)試彈,被保存的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)通信傳輸電路上傳至電腦。

1.5 測(cè)試結(jié)果修正

耦合膛壓測(cè)試彈利用彈頭和彈尾隔絕火藥氣體與PVDF薄膜壓電傳感器的接觸,由彈頭和彈尾直接承受火藥氣體產(chǎn)生的彈前壓力和彈底壓力,分別傳遞給彈前PVDF薄膜壓電傳感器和彈底PVDF薄膜壓電傳感器。彈頭和彈尾隨同耦合膛壓測(cè)試彈作加速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生了慣性力,進(jìn)而引起了PVDF薄膜壓電傳感器測(cè)試彈前壓力和彈底壓力的誤差,這是系統(tǒng)誤差,可以進(jìn)行修正。

耦合膛壓測(cè)試彈內(nèi)的加速度傳感器測(cè)量彈體運(yùn)動(dòng)加速度,可以獲得彈頭和彈尾的慣性力:=,=。式中:為彈頭慣性力,為彈尾慣性力,為彈頭質(zhì)量,為彈尾質(zhì)量,為耦合膛壓測(cè)試彈的運(yùn)動(dòng)加速度。而耦合膛壓測(cè)試彈的彈前壓力和彈底壓力分別為

t,=-()

d,+1=+()

式中:為彈前PVDF薄膜壓電傳感器測(cè)得壓力值,為彈底PVDF薄膜壓電傳感器測(cè)得壓力值,為彈頭和彈尾的受力面積(橫截面積)。

2 試驗(yàn)測(cè)試

2.1 靜態(tài)測(cè)量

制作4發(fā)耦合膛壓測(cè)試彈,利用“金屬風(fēng)暴”武器射擊耦合膛壓測(cè)試彈,檢驗(yàn)其性能。4發(fā)耦合膛壓測(cè)試彈分為2種,第一種是機(jī)械強(qiáng)度性能試驗(yàn)彈2發(fā),編號(hào)為3#、4#,如圖6(a)所示,其內(nèi)部?jī)H安裝了少部分電路系統(tǒng),在射擊過(guò)程中電路系統(tǒng)不工作,射擊后回收檢查其機(jī)械強(qiáng)度,檢查其是否能夠承受“金屬風(fēng)暴”武器發(fā)射過(guò)載,以及回收時(shí)沙箱對(duì)彈體的沖擊,檢驗(yàn)其機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)是否滿足要求。第二種是測(cè)試性能試驗(yàn)彈2發(fā),編號(hào)為1#、2#,如圖6(b)所示,在其內(nèi)部安裝了完整的電路系統(tǒng),在射擊過(guò)程中電路系統(tǒng)觸發(fā),采集、處理和存儲(chǔ)信息,射擊后回收,讀取測(cè)試數(shù)據(jù),獲取“金屬風(fēng)暴”武器發(fā)射過(guò)程中的彈前壓力、彈底壓力和加速度數(shù)據(jù),檢驗(yàn)彈內(nèi)電路系統(tǒng)是否具備了測(cè)試功能。

圖6 耦合膛壓測(cè)試彈

首先對(duì)耦合膛壓測(cè)試彈進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量,獲得其外形尺寸和質(zhì)量等參數(shù),用于計(jì)算射擊試驗(yàn)所需的裝填諸元,詳見(jiàn)表1。

表1 耦合膛壓測(cè)試彈的靜態(tài)參數(shù)

2.2 射擊試驗(yàn)

利用“金屬風(fēng)暴”武器的彈道炮進(jìn)行耦合膛壓測(cè)試彈的射擊試驗(yàn)。利用雷達(dá)測(cè)試彈丸初速,利用彈丸回收器(沙箱)回收耦合膛壓測(cè)試彈。試驗(yàn)前先進(jìn)行耦合膛壓測(cè)試彈自檢和初始化設(shè)置,例如觸發(fā)電平、延遲時(shí)間、采樣頻率等,如圖7所示。

圖7 耦合膛壓測(cè)試彈丸試驗(yàn)前設(shè)置

由于是初次進(jìn)行耦合膛壓測(cè)試彈的射擊試驗(yàn),為了降低試驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn),本次試驗(yàn)適當(dāng)減少了發(fā)射藥量。本次試驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)了耦合膛壓測(cè)試彈的回收,如圖8所示。

圖8 回收的耦合膛壓測(cè)試彈

耦合膛壓測(cè)試彈的彈體外觀檢查和初速測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表2 耦合膛壓測(cè)試彈的外觀檢查和初速結(jié)果

分別利用1#、2#耦合膛壓測(cè)試彈測(cè)試了彈前壓力和彈底壓力。讀取彈前PVDF壓力傳感器、彈底PVDF壓力傳感器和加速度傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù),其中加速度曲線如圖9和圖10所示。首先對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行10 kHz低通濾波處理,然后按照1.5節(jié)所提方法進(jìn)行誤差修正,獲得彈前壓力和彈底壓力,如圖11～圖14所示。

圖9 1#測(cè)壓彈的加速度曲線

圖10 2#測(cè)壓彈的加速度曲線

圖11 1#測(cè)壓彈的彈前壓力曲線

圖12 1#測(cè)壓彈的彈底壓力曲線

圖13 2#測(cè)壓彈的彈前壓力曲線

圖14 2#測(cè)壓彈的彈底壓力曲線

結(jié)果表明:耦合膛壓測(cè)試彈具備了測(cè)試彈前壓力和彈底壓力的功能,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。其中,彈前壓力曲線出現(xiàn)的負(fù)值現(xiàn)象,是由于薄膜壓電傳感器在安裝時(shí)施加了預(yù)壓力,在測(cè)試過(guò)程中,當(dāng)外部壓力降至較低值時(shí),薄膜壓電傳感器出現(xiàn)卸載,造成測(cè)試數(shù)據(jù)出現(xiàn)負(fù)值。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于高初速防空反導(dǎo)“金屬風(fēng)暴”武器口徑小、裝發(fā)射藥多、射速高、初速大,每發(fā)彈射擊后留在膛內(nèi)的火藥氣體需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的后效期才能降至自然環(huán)境壓力,因此后一發(fā)彈的內(nèi)彈道與前一發(fā)彈的后效期耦合作用較強(qiáng)。為了測(cè)試臨近彈丸之間的耦合膛壓,研發(fā)了30 mm耦合膛壓測(cè)試彈,通過(guò)射擊試驗(yàn)檢驗(yàn)了其性能,并得出以下結(jié)論:

①30 mm耦合膛壓測(cè)試彈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,彈體和彈帶機(jī)械強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求,發(fā)射和回收均可靠;

②彈頭和彈尾可以隔絕火藥氣體,有效保護(hù)薄膜壓電傳感器不被燒蝕,確保其感知壓力;

③加速度傳感器獲得彈頭和彈尾的慣性力,能夠用于修正薄膜壓電傳感器的壓力值,獲得耦合膛壓測(cè)試彈的彈前壓力和彈底壓力。