沈大偉，邊玉亮，范錦彪

(1. 中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原 030051；2. 中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

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基于彈載測試儀的高速旋轉(zhuǎn)彈丸膛內(nèi)轉(zhuǎn)速測試

沈大偉1,2，邊玉亮1,2，范錦彪1,2

(1. 中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原 030051；2. 中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

摘要:針對膛內(nèi)高沖擊高過載的惡劣環(huán)境以及對光、磁信號的屏蔽作用，使得彈丸旋轉(zhuǎn)速度難以準(zhǔn)確獲取的問題，提出了基于彈載測試儀的高速旋轉(zhuǎn)彈丸膛內(nèi)轉(zhuǎn)速測試方法。該方法利用彈載測試儀準(zhǔn)確獲取彈丸在膛內(nèi)的軸向加速度信號，同時結(jié)合炮膛纏度和炮管口徑信息，得出高速旋轉(zhuǎn)彈丸在膛內(nèi)整個過程的旋轉(zhuǎn)速度。通過對實際測試數(shù)據(jù)分析表明，該方法能夠準(zhǔn)確測出旋轉(zhuǎn)彈丸在膛內(nèi)的轉(zhuǎn)速，測試數(shù)據(jù)精度能夠滿足測試要求。

關(guān)鍵詞:膛內(nèi)轉(zhuǎn)速；彈載測試儀；軸向加速度；纏度

0引言

高速旋轉(zhuǎn)彈丸的旋轉(zhuǎn)速度是衡量彈丸飛行狀態(tài)的重要參數(shù)之一，同時機械引信主要是靠彈丸高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力完成解保動作，因此，高速旋轉(zhuǎn)彈丸的轉(zhuǎn)速參數(shù)對彈丸的總體設(shè)計至關(guān)重要。炮彈在膛外的轉(zhuǎn)速測試技術(shù)十分成熟，但在膛內(nèi)的轉(zhuǎn)速測量卻由于膛內(nèi)環(huán)境的特殊性難以準(zhǔn)確獲取。彈丸轉(zhuǎn)速測量一般分為外測法和內(nèi)側(cè)法兩種。外測法主要是利用靶場彈道監(jiān)測雷達和光學(xué)高速攝影系統(tǒng)完成。測試系統(tǒng)較為復(fù)雜，場地布置困難，對測試環(huán)境要求較高，同時這種測試方法很難對彈丸在膛內(nèi)運動過程進行跟蹤測試。內(nèi)測法主要是依靠在彈丸上安裝相應(yīng)傳感器感應(yīng)彈丸轉(zhuǎn)速變化，經(jīng)過數(shù)據(jù)存儲或?qū)崟r發(fā)送得到彈丸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的內(nèi)測法主要是利用地磁、加速度、光電三種傳感器測量彈丸轉(zhuǎn)速[1]。由于膛內(nèi)環(huán)境是彈丸整個飛行過程中最為復(fù)雜、惡劣的，對磁場和光電信號有較強的干擾和屏蔽作用，使得彈丸在膛內(nèi)的轉(zhuǎn)速信息無法直接通過光信號和磁信號獲取。本文針對此問題，提出了基于彈載測試儀的高速旋轉(zhuǎn)彈丸膛內(nèi)轉(zhuǎn)速測試方法。

1彈載測試儀系統(tǒng)

由于測試時，加速度傳感器要安裝在彈丸內(nèi)部，所以設(shè)計了相應(yīng)的彈載測試儀，使其能夠滿足試驗對體積和抗高過載的測試要求。彈載測試儀是一種為各種彈丸及引信全彈道信息獲取而專門研制的動態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)[2]。這種儀器安裝在被測體彈丸內(nèi)部，對測試儀體積要求相當(dāng)苛刻，所使用的傳感器隨著被測體一起運動，承受與被測體相同的環(huán)境力，實時實況地測取其動態(tài)參數(shù)，因此該測試儀必須進行負(fù)延遲設(shè)計和特殊的抗惡劣環(huán)境設(shè)計[3]。

1.1彈載測試儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

彈載測試儀主要完成被測參量的獲取和存儲記錄工作。測試完畢后對測試裝置進行回收，通過專用的數(shù)據(jù)通信接口，用計算機將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)讀取出來，再經(jīng)過程序處理，將采集到的信號顯示出來[4]。

彈載測試儀由加速度傳感器、測試電路、抗高過載電池、操作面板、上位機接口電路、灌封材料、緩沖材料和專用高強度外殼組成。測試儀的原理框圖如圖1所示，圖中加速度傳感器為軸向安裝并經(jīng)過校準(zhǔn)的高g值加速度傳感器，高強度外殼一方面起到保護測試電路的作用，另一方面起到防止測試儀與彈體發(fā)生相對轉(zhuǎn)動的作用。微控制器是整個測試系統(tǒng)的核心，主要起到控制采樣策略、存儲測試數(shù)據(jù)以及與計算機進行通信等作用。

圖1　測試儀結(jié)構(gòu)原理框圖Fig.1　Tester structure principle block diagram

由于實際測試時，實驗準(zhǔn)備過程復(fù)雜，彈丸發(fā)射數(shù)小時之前，測試儀就要安裝到指定位置。但是受測試儀電池容量和內(nèi)存大小的限制，所以設(shè)計了相應(yīng)的負(fù)延遲采樣策略。當(dāng)炮彈發(fā)射達到觸發(fā)條件時，系統(tǒng)由原來的低功耗循環(huán)采樣階段進入正式采樣階段。負(fù)延遲采樣存儲原理圖如圖2所示。總的存儲空間為L1+L2,觸發(fā)前長度設(shè)定為L1。觸發(fā)前僅在L1存儲空間內(nèi)循環(huán)重復(fù)儲存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記滿L1后，后續(xù)數(shù)據(jù)接著從L1起始位置寫入并覆蓋前面所記錄的數(shù)據(jù)。觸發(fā)時，程序記錄觸發(fā)點位置，同時跳轉(zhuǎn)到L2空間起始位置繼續(xù)存儲。與上位機通信讀數(shù)時，上位機軟件將數(shù)據(jù)重新整理得到完整的數(shù)據(jù)曲線。

圖2　負(fù)延遲采樣原理圖Fig.2　Negative delay sampling principle diagram

1.2抗高過載結(jié)構(gòu)原理

對彈丸軸向加速度進行測試時，彈載測試儀要安裝到彈丸內(nèi)部，因此會受到相當(dāng)大的沖擊和過載。由于高g值加速度傳感器和測試電路自身結(jié)構(gòu)的原因，測試電路的抗沖擊能力要明顯低于加速度傳感器。為了提高彈載測試儀的存活能力和可靠性，設(shè)計彈載測試儀的時候，將高g值加速度傳感器從測試儀中分離出來與測試電路做成兩個獨立的模塊，通過對彈載測試儀的電路和傳感器進行配對校準(zhǔn)和標(biāo)定，將每套測試電路與標(biāo)定后的傳感器配對使用，保證實驗測試數(shù)據(jù)的精度。測試系統(tǒng)機械原理圖如圖3所示。傳感器與電路兩者之間用引線連接，各自用高強度環(huán)氧樹脂灌封，為了保護電路，在電路四周增加了緩沖橡膠。

圖3　測試電路機械原理圖Fig.3　Mechanical test circuit principle diagram

為了能夠讓加速度傳感器真實地感受到彈丸所受到的加速度信息，減少由于彈丸在膛內(nèi)振動對軸向加速度測試帶來的誤差，一是將傳感器用高強度高硬度的環(huán)氧樹脂進行真空灌封，將傳感器與彈丸十分緊固的結(jié)合在一起；二是為了減小由于彈丸與炮膛碰撞引入的噪聲信號，將傳感器安裝在彈體彈帶部位。

2膛內(nèi)轉(zhuǎn)速測試方法

高速旋轉(zhuǎn)彈的轉(zhuǎn)速大小是由膛壓的大小、炮膛內(nèi)的膛線和彈丸質(zhì)量共同決定的。膛壓和彈丸質(zhì)量又主要影響了彈丸在膛內(nèi)的軸向加速度和軸向速度。在線膛炮膛線參數(shù)已知的情況下，彈丸軸向速度和切向速度即轉(zhuǎn)速具有一一對應(yīng)關(guān)系。通過實際測試獲得彈丸在膛內(nèi)的加速度和速度信息，根據(jù)炮管自身參數(shù)就能計算出彈丸在炮膛整個過程的轉(zhuǎn)速信息。本文就是基于這一原理，將炮膛理論膛線參數(shù)作為軸向加速度和轉(zhuǎn)速的紐帶，找出兩者的聯(lián)系，通過準(zhǔn)確測試旋轉(zhuǎn)彈丸軸向加速度進而計算得出彈丸在膛內(nèi)的旋轉(zhuǎn)速度。理論分析如下。

在膛線上的任意一點的切線與槍管軸線的平行線的夾角叫做纏角，用γ表示。膛線按纏角在槍管內(nèi)纏繞一周前進的距離長度稱為導(dǎo)程。導(dǎo)程對口徑的倍數(shù)稱為纏度，用η表示。假設(shè)膛線的纏度是一定值,則有：

(1)

式(1)中,γ為膛線的纏角；D為炮膛的口徑；η為膛線的纏度[5]。

彈丸在膛內(nèi)旋轉(zhuǎn)一周，其在軸向運動的距離為ηD，即是導(dǎo)程。假設(shè)彈丸在dt時間內(nèi)彈丸旋轉(zhuǎn)了dφ的弧度，則軸向運動的距離為dl， 因此有：

(2)

上式兩邊同除以dt得：

(3)

令彈丸的旋轉(zhuǎn)角速度和直線運動速度分別為：

(4)

(5)

上式中,ω(t)為彈丸旋轉(zhuǎn)角速度；υ(t)為彈丸軸向運動速度。

將式( 4)和式(5)分別帶入式(3)有：

(6)

根據(jù)高g值加速度傳感器所測彈丸在膛內(nèi)軸向的加速度，通過積分運算，得到內(nèi)彈道整個過程的速度-時間曲線，公式如下：

(7)

由以上公式計算可知，只要能夠準(zhǔn)確地得到彈丸整個內(nèi)彈道的加速度-時間曲線，通過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理就能夠得到彈丸在膛內(nèi)整個過程的轉(zhuǎn)速-時間曲線。

測試過程中誤差產(chǎn)生的主要因素有以下兩個方面：1)彈丸軸向加速度最大可達到1萬g以上，測試時主要選用抗高過載高量程性能優(yōu)越的加速度傳感器。優(yōu)良的傳感器價格在萬元以上，即便如此，試驗時也難免出現(xiàn)傳感器輸出信號不歸零的現(xiàn)象，對這樣的數(shù)據(jù)需處理后才能積分，增加測試數(shù)據(jù)的誤差，如果基線漂移過大時，數(shù)據(jù)就無法使用了。2)由實驗原理可知，要想準(zhǔn)確得到轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，必須得到準(zhǔn)確的彈丸剛體加速度數(shù)據(jù)。由于使用的加速度傳感器沒有與剛體固聯(lián)的接口，需通過增加機械連接的方法將傳感器固定到彈體上。然而過多的機械連接對加速度的傳遞會有緩沖作用，影響測試數(shù)據(jù)的精度。

為了減小測量誤差，必須采用抗高過載、高沖擊、頻響高性能穩(wěn)定的高g值加速度傳感器。實驗時測量誤差主要是由高g值加速度傳感器的性能和傳感器的安裝固定引起的，為了能夠讓加速度傳感器更準(zhǔn)確地測得彈體加速度信號，一是選用精度高、性能好的進口優(yōu)質(zhì)的傳感器，并在實驗前利用標(biāo)準(zhǔn)傳感器和專門的沖擊試驗臺對實驗所使用的高g值加速度傳感器進行標(biāo)定；二是保證傳感器與安裝面的垂直度，通過剛性連接將傳感器與彈體緊固的連接在一起，減小多級連接對傳感器產(chǎn)生的緩沖作用，減小測量誤差。通過以往多次實際測試結(jié)果數(shù)據(jù)分析可知，測試精度在5% 以內(nèi)，能夠滿足實際測試要求。

3實測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)在靶場實彈測試結(jié)果，實際所測得的彈丸在膛內(nèi)軸向加速度數(shù)據(jù)如圖4所示。0時刻為彈丸開始發(fā)射，出炮口位置大概是在13.44 ms，由于彈丸出炮口時，脫離了炮膛的約束產(chǎn)生劇烈振動，所以只考慮彈丸轉(zhuǎn)速變化到最大值為止。從圖中可以看出，彈丸軸向加速度最大值達到了12 000g左右，曲線上兩端出現(xiàn)振動比較大的地方，振蕩幅度最大18 000g左右。前面振動較大是因為高速旋轉(zhuǎn)彈丸與炮管內(nèi)壁撞擊產(chǎn)生的，后面更大的振動是因為彈丸被推出炮口時，彈丸進入后效期階段，由于沒有了炮膛的約束，再加上彈丸自身的章動和進動運動造成的。由圖中可知，出炮口時彈丸的振蕩對彈體自身的可靠性的影響更大。

根據(jù)彈丸軸向加速度數(shù)據(jù),通過積分運算,可以得出彈丸在膛內(nèi)過程的軸向速度變化曲線，如圖5所示。從圖中可知，彈丸在出炮口時的速度達到了742.6 m/s，與靶場根據(jù)雷達測速提供的此發(fā)炮彈出炮口速度749.2 m/s十分接近，從而驗證了測試數(shù)據(jù)的可靠性。由公式(6)，帶入炮膛的纏度和口徑參數(shù),即可得到彈丸在內(nèi)彈道的轉(zhuǎn)速-時間曲線,如圖6所示。由圖可知，彈丸在內(nèi)彈道的轉(zhuǎn)速一直在增大，切向加速度變化規(guī)律與軸向加速度變化規(guī)律一致，切向加速度在發(fā)射后6 ms時達到最大值。在出炮口時，轉(zhuǎn)速達到10 220 r/min，同時自制的彈載轉(zhuǎn)速傳感器所測彈體轉(zhuǎn)速為10 150 r/min，兩者相比較可知試驗所得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。由以上分析可知，高速旋轉(zhuǎn)彈旋轉(zhuǎn)速度對彈丸可靠性影響最大的地方有兩處，一是發(fā)射后6 ms左右，彈丸切向加速度達到最大值；二是出炮口時，彈丸在膛內(nèi)的轉(zhuǎn)速達到最大值。轉(zhuǎn)速大小變化趨勢根據(jù)圖6可以清楚地得到，所測數(shù)據(jù)對彈丸的穩(wěn)定性、可靠性以及炮膛結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要參考價值。

圖4　彈丸膛內(nèi)加速度曲線Fig.4　In-bore projectile acceleration curve

圖5　彈丸膛內(nèi)軸向速度曲線Fig.5　In-bore projectile axial velocity curve

圖6　彈丸膛內(nèi)轉(zhuǎn)速曲線Fig.6　In-bore projectile speed curve

4結(jié)論

本文提出了基于彈載測試儀的高速旋轉(zhuǎn)彈丸膛內(nèi)轉(zhuǎn)速測試方法，該方法利用彈載測試儀準(zhǔn)確獲取彈丸在膛內(nèi)的軸向加速度信號，同時結(jié)合炮膛纏度和炮管口徑信息，得出高速旋轉(zhuǎn)彈丸在膛內(nèi)整個過程的旋轉(zhuǎn)速度。實測數(shù)據(jù)分析表明，該方法能夠準(zhǔn)確測出彈丸在膛內(nèi)的轉(zhuǎn)速，測試數(shù)據(jù)精度能夠滿足測試要求。本文的研究內(nèi)容可應(yīng)用于多種引信或彈丸內(nèi)彈道轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)中，對于彈丸及炮管的設(shè)計和分析具有重要意義。今后擬對傳感器輸出數(shù)據(jù)的處理和提取方法以及傳感器的安裝結(jié)構(gòu)進行改進和優(yōu)化，進一步提高測試精度。

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*收稿日期:2015-12-22

作者簡介:沈大偉(1979—)，男，山西沁源人，博士研究生，研究方向：動態(tài)測試與智能儀器。E-mail:bensdw@sina.com。

中圖分類號:TJ43

文獻標(biāo)志碼:A

文章編號：1008-1194(2016)03-0094-04

High-speed Rotating Projectile In-bore Speed Testing

SHEN Dawei1,2，BIAN Yuliang1,2, FAN Jinbiao1,2

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China, Taiyuan 030051, China;2.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement of Ministry of Education,North University of China, Taiyuan 030051, China；)

Abstract:Aiming at the problem of optical and magnetic signal shielding effect of the in-bore high impact overload, which makes the projectile rotation speed difficult to accurately obtain, an in-bore projectile speed test method based on high-speed rotating missile tester was proposed. The axial acceleration in-bore signal, at the same time was obtained, combining with the gun twist and barrel diameter information, the in-bore high speed rotating projectile in the whole process of rotating speed was concluded. The actual test data showed that the method could accurately measure the speed of the rotating projectile in-bore, precision could meet the test requirements.

Key words:interior speed; missile tester; axial acceleration; twist