劉　帆,杜紅棉*,范錦彪,賴富文,焦耀晗,苗松珍,岳掌寬,閆鵬飛

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中國白城兵器試驗(yàn)中心,吉林 白城 137001;3.中國人民解放軍第四三二八工廠,山西 長治 046000;4.國網(wǎng)能源新疆準(zhǔn)東煤電有限公司,新疆 昌吉 652300;5.長治市公安消防支隊(duì),山西 長治 046000)

炮口沖擊波是各炮口氣流現(xiàn)象中對(duì)操作人員和設(shè)備危害性最大的一個(gè)因素,它對(duì)人體的損傷,主要是聽覺器官,嚴(yán)重時(shí)內(nèi)臟也將受到損傷[1]?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭對(duì)火炮的綜合性能提出了更高的要求,要求火炮具有更大的威力、更強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性和對(duì)操作人員及設(shè)備的安全性。因此,準(zhǔn)確地模擬和測量炮口沖擊波場是進(jìn)行火炮系統(tǒng)研究過程中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。國內(nèi)在炮口沖擊流場研究分析上偏重于建模進(jìn)行數(shù)值模擬,進(jìn)而預(yù)測炮口沖擊波場的各點(diǎn)壓力值[2]。而在現(xiàn)場測試中一般采用的是壓力傳感器、二次儀表與瞬態(tài)波形記錄儀(或采集卡)組成的引線式測試系統(tǒng)。這種方法存在著布置電纜引線費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且電纜易耦合噪聲進(jìn)入測試系統(tǒng)等問題[3]。針對(duì)炮口流場的特性及測試難點(diǎn),參考國軍標(biāo)中對(duì)炮口沖擊波測試的要求,研制出一種炮口沖擊波超壓的測試裝置,并通過了靶場火炮射擊測試試驗(yàn)的驗(yàn)證。

1　炮口沖擊波特性及測試難點(diǎn)

炮口沖擊波不同于爆炸沖擊波,爆炸沖擊波是能量的瞬間釋放,而炮口沖擊波是能量連續(xù)釋放的過程。它是通過與火藥氣體射流的接觸而不斷獲得能量,脫離接觸后的膛口沖擊波依靠自身的壓力與速度繼續(xù)向外膨脹,直至衰減為聲波。炮口沖擊波場測試環(huán)境跟傳統(tǒng)的自由場或者地面沖擊波的測試環(huán)境有所不同,其特點(diǎn)[4]是:(1)高度的瞬變(非定常)性;(2)強(qiáng)烈的方向性;(3)波系結(jié)構(gòu)和相互作用的復(fù)雜性。

炮口沖擊波超壓測試,在兵器動(dòng)態(tài)測量中具有頻帶寬,A-持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn),給超壓峰值的精確測量帶來一定的困難[5]。其測試難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)國軍標(biāo)[6]中對(duì)火炮射角及射擊發(fā)數(shù)的都有嚴(yán)格的規(guī)定,為了快速測量不同編號(hào)火炮的炮口沖擊波超壓數(shù)據(jù),儀器需便于移動(dòng)到不同測點(diǎn)來完成測量任務(wù);(2)在進(jìn)行連發(fā)射擊試驗(yàn)時(shí),要求測試儀器具有多次觸發(fā),記錄多條超壓數(shù)據(jù)的功能,因此只能測量單次瞬態(tài)信號(hào)的沖擊波測試儀器已經(jīng)不能滿足新的測試要求;(3)炮口沖擊波具有時(shí)變性和動(dòng)態(tài)性,測試系統(tǒng)需進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)來確保其測量精度。

2　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

2.1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及主要工作原理

測試系統(tǒng)主要是有主控制臺(tái)及多個(gè)相同的智能傳感器測點(diǎn)(子系統(tǒng))組成,每個(gè)子系統(tǒng)又包括傳感器、電源管理模塊、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA控制中心、FLASH存儲(chǔ)器、觸發(fā)系統(tǒng)等模塊。在靶場實(shí)測時(shí),主控制臺(tái)放置在安全距離外的掩體中,智能傳感器測點(diǎn)布設(shè)于炮口沖擊波場中。主控制臺(tái)通過無線的方式控制智能傳感器測點(diǎn)的工作狀態(tài),根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行采樣頻率、放大倍數(shù)和觸發(fā)方式等參數(shù)的設(shè)定。測試系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1　測試系統(tǒng)原理框圖

該測試系統(tǒng)主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1　測試系統(tǒng)主要性能指標(biāo)

2.2　關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1無線傳輸技術(shù)

傳統(tǒng)引線式炮口沖擊波測試裝置在試驗(yàn)時(shí)具有布線繁瑣且易引入噪聲、不能快速移動(dòng)等問題,將基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的Zigbee協(xié)議無線通信技術(shù)引入到存儲(chǔ)測試技術(shù)中[7],成功解決了上述問題。測試系統(tǒng)的上下電、參數(shù)配置、同步觸發(fā)等功能均通過無線操作完成,使裝置在火炮進(jìn)行不同射角連發(fā)射擊試驗(yàn)中表現(xiàn)出操作簡單、測量效率高等優(yōu)勢(shì)。

2.2.2柔性化觸發(fā)策略

根據(jù)炮口沖擊波測試特點(diǎn)分析,測試系統(tǒng)采用無線觸發(fā)與多次重觸發(fā)相結(jié)合的柔性化觸發(fā)策略。火炮操作過程具有裝彈換藥的間歇性及射擊動(dòng)作的連續(xù)性,屬于多個(gè)瞬態(tài)信號(hào)測試情況[8]。測試系統(tǒng)設(shè)定在無線觸發(fā)工作狀態(tài)時(shí),雖能完成一次有效數(shù)據(jù)測試,獲取到單次火炮射擊的炮口沖擊波超壓數(shù)據(jù),但勢(shì)必使記錄裝置記錄許多空閑態(tài),浪費(fèi)大量存儲(chǔ)空間。結(jié)合多次重觸發(fā)技術(shù),火炮每發(fā)射一枚炮彈,觸發(fā)記錄裝置記錄一次,然后轉(zhuǎn)為待觸發(fā)狀態(tài);當(dāng)火炮再發(fā)射一枚炮彈時(shí),再作一次記錄,直到記錄裝置內(nèi)全部存儲(chǔ)空間被占滿,從而達(dá)到利用有效的存儲(chǔ)空間記錄更多的有效信息的目的。

基于多次重觸發(fā)技術(shù)的存儲(chǔ)測試系統(tǒng)的狀態(tài)鏈設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　多次重觸發(fā)技術(shù)的存儲(chǔ)測試系統(tǒng)的狀態(tài)鏈

測試系統(tǒng)上電后,主控制臺(tái)通過無線的方式給裝置配置觸發(fā)電平、采樣頻率等參數(shù),系統(tǒng)進(jìn)入待觸發(fā)狀態(tài)。觸發(fā)信號(hào)到,則進(jìn)入數(shù)據(jù)采存狀態(tài),否則保持待觸發(fā)狀態(tài)。當(dāng)前信號(hào)記錄完成,判斷記錄的波形個(gè)數(shù)n與要求記錄的波形個(gè)數(shù)M是否一直,當(dāng)一致時(shí),則進(jìn)入信息保持狀態(tài),否則波形計(jì)數(shù)器加1,返回待觸發(fā)狀態(tài),在新的存儲(chǔ)空間內(nèi)循環(huán)等待下一次觸發(fā)。直到規(guī)定的記錄波形全部記錄完全,系統(tǒng)進(jìn)入信息保持狀態(tài)。圖3所示為系統(tǒng)多次重觸發(fā)讀取正弦波圖。

圖3　多次觸發(fā)讀取正弦波曲線圖

3　動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)

為可靠地記錄炮口沖擊波超壓的整個(gè)變化過程,選擇PCB公司中高頻特性良好的113A26型壓力傳感器與相應(yīng)的存儲(chǔ)測試電路構(gòu)成炮口沖擊波測試系統(tǒng)。傳感器在使用前,必須進(jìn)行測量超壓范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)[9]。本次校準(zhǔn)是在激波管中實(shí)施的,根據(jù)蘭基涅—胡果尼(Rankine-Hugoniot)方程,入射超壓平臺(tái)與波前馬赫數(shù)的關(guān)系為[10]:

(1)

(2)

式中:ΔP2為激波波前的入射超壓,P0為低壓式氣體初始?jí)毫?Ms為激波波前的馬赫數(shù),Vs=s/t為激波波前的傳播速度,s為兩測速傳感器之間的距離,t為激波經(jīng)過兩測速傳感器的時(shí)間間隔,T1為未擾動(dòng)時(shí)低壓室空氣的溫度。所用激波管如圖4所示。

圖4　激波管的實(shí)物圖

典型的階躍響應(yīng)波形如圖5所示,從時(shí)域響應(yīng)圖計(jì)算傳感器的上升時(shí)間、超調(diào)量、動(dòng)態(tài)靈敏度、諧振頻率等動(dòng)態(tài)指標(biāo)及頻率特性。傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果如表2所示。

圖5　階躍響應(yīng)波形圖

N上升時(shí)間tr/μs超調(diào)量δ/%自振頻率f/kHz11.0818230.24491.0720.9090939.98493.2730.9090928.89493.2741.0909039.04493.2750.9090929.89493.27

根據(jù)相關(guān)國軍標(biāo)的規(guī)定,炮口沖擊波測試用傳感器的自振頻率應(yīng)大于75 kHz,上升時(shí)間不大于20 μs,超調(diào)量要盡量小[6]。從校準(zhǔn)的結(jié)果來看,系統(tǒng)所用傳感器滿足國軍標(biāo)中關(guān)于炮口沖擊波超壓測試的要求。

圖6　測點(diǎn)布設(shè)圖

4　現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

為了評(píng)估炮口沖擊波無線存儲(chǔ)測試系統(tǒng)的可靠性,進(jìn)行了某型號(hào)車載炮的炮口沖擊波超壓測試試驗(yàn),火炮射擊角度為35°。參考國軍標(biāo)對(duì)炮口沖擊波測試的測點(diǎn)布設(shè)要求[6,11],我們選取了兩套測試裝置進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn),傳感器的敏感面均朝上,安裝距地高度分別為1.58 m和1.9 m,安裝角度分別在+135°和-135°線上。分別進(jìn)行了兩次試驗(yàn),這樣就可以測量不同高度和距離下炮口沖擊波的傳播規(guī)律。試驗(yàn)測點(diǎn)布設(shè)情況如圖6所示。測試現(xiàn)場如圖7所示?；鹋谏鋼羟?主控制臺(tái)通過無線給各測點(diǎn)進(jìn)行增益、采樣頻率、觸發(fā)方式等參數(shù)的配置;射擊結(jié)束后回收裝置讀取數(shù)據(jù)。

圖7　測試現(xiàn)場

圖8所示分別為10 m、7.5 m、5 m處炮口沖擊波超壓曲線,其中10 m超壓曲線是在無線觸發(fā)狀態(tài)下獲取的,7.5 m和5 m超壓曲線是在多次重觸發(fā)下獲取的。試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表如表3所示。

圖8　實(shí)測炮口沖擊波超壓曲線

由試驗(yàn)結(jié)果分析可知,(1)超壓曲線有3個(gè)峰值,第1個(gè)是炮口沖擊波,第2、3個(gè)峰值可能是二次焰沖擊波或是地面反射沖擊波;(2)炮口沖擊波測試中A-持續(xù)時(shí)間隨測點(diǎn)距離的增加遞增,B-持續(xù)時(shí)間隨測點(diǎn)距離的增加遞減。

表3　炮口沖擊波試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

試驗(yàn)結(jié)果很好的反映出火炮發(fā)射過程中的二次焰現(xiàn)象,以及炮口沖擊波的傳播規(guī)律。為火炮射擊中操作人員和設(shè)備的防護(hù)提供了數(shù)據(jù)支持。

5　結(jié)語

炮口沖擊波無線存儲(chǔ)測試系統(tǒng)經(jīng)過激波管動(dòng)態(tài)校準(zhǔn),確保了測量的精度;引入無線傳輸技術(shù),發(fā)揮了無線技術(shù)的優(yōu)勢(shì),減小了試驗(yàn)操作的工作量,提高了測試效率;無線觸發(fā)與多次重觸發(fā)相結(jié)合的柔性化觸發(fā)策略的運(yùn)用,滿足了炮口沖擊波測試的特殊要求?？傊?該測試系統(tǒng)穩(wěn)定、操作簡單、適用性高、數(shù)據(jù)完整、可信度高,是一套成功、實(shí)用的測試系統(tǒng),在測試領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前景和推廣價(jià)值。

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劉帆(1988-),男,湖北省孝感市人,中北大學(xué)碩士研究生,主要研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測試與智能儀器,liufan1988@163.com;

杜紅棉(1977-),女,遼寧省錦州市人,中北大學(xué)副教授。主要從事爆炸沖擊波測試技術(shù)等方面的研究,duhongmian@nuc.edu.cn;

范錦彪(1974-),男,中北大學(xué)副教授,研究方向?yàn)楦遟值加速度計(jì)校準(zhǔn)及高沖擊測試技術(shù),fanjinbiao@nuc.edu.cn;

苗松珍(1984-),女,中國人民解放軍第四三二八工廠助理工程師。主要研究方向?yàn)橥ㄐ艑?dǎo)航、雷達(dá)測試等,610760025@qq.com。