蔡燦偉，焦貴偉，寧全利，劉 闖，陳翠華

(1.陸軍炮兵防空兵學(xué)院 武器系統(tǒng)技術(shù)教研室，安徽 合肥 230031；2.陸軍炮兵防空兵學(xué)院 高過載彈藥制導(dǎo)控制與信息感知實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031)

某新型榴彈炮自裝備以來，身管壽命為1 000發(fā)左右，離1 500發(fā)的設(shè)計(jì)指標(biāo)還存在很大的距離。技術(shù)人員結(jié)合部隊(duì)日常實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練和勤務(wù)保障的情況，發(fā)現(xiàn)該炮全自動(dòng)輸彈系統(tǒng)故障率較高，經(jīng)常出現(xiàn)不同射角下彈丸裝填不到位的現(xiàn)象。

當(dāng)彈丸高射角裝填不到位時(shí)，在重力分量的作用下，彈丸會(huì)從裝填處滑下，容易被發(fā)現(xiàn)，只需二次裝填即可；而彈丸低射角裝填不到位時(shí)，此時(shí)摩擦阻力大于重力分量，彈丸不足以滑落，如果火炮長(zhǎng)時(shí)間將這種裝填不到位的彈丸發(fā)射出去，就會(huì)造成：一是加快火炮膛線起始部的磨損，從而降低身管的使用壽命；二是增大射彈散布，從而使火炮射擊精度的下降。

由此可見，全自動(dòng)輸彈系統(tǒng)既是火炮火力發(fā)揮的關(guān)鍵，又是制約部隊(duì)實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練的瓶頸。全自動(dòng)輸彈系統(tǒng)工作是否可靠，進(jìn)而彈丸能否裝填到位將直接影響到火炮的作戰(zhàn)效能。因此，如何快速、準(zhǔn)確、可靠地檢測(cè)出彈丸裝填狀態(tài)并加以控制，是目前亟需解決的問題。

針對(duì)這一實(shí)際問題，考慮到彈丸裝填到位以后，彈底與火炮膛底的距離為一定值，激光測(cè)量技術(shù)已能在微煙霧的條件下完成距離的精確測(cè)量，數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)控制和聲光報(bào)警技術(shù)已在多種軍事檢測(cè)設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用，筆者采用激光測(cè)距、聲光報(bào)警和單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)輸彈系統(tǒng)彈丸卡膛深度監(jiān)控系統(tǒng)，將對(duì)火炮全自動(dòng)輸彈系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的進(jìn)一步發(fā)揮起到一定的作用[1-2]。

1 彈丸卡膛深度監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

要實(shí)現(xiàn)對(duì)彈丸卡膛深度的自動(dòng)監(jiān)控，首先必須明確彈丸自動(dòng)裝填工作過程。

1.1 彈丸自動(dòng)裝填工作過程

火炮全自動(dòng)輸彈系統(tǒng)主要由供彈機(jī)、協(xié)調(diào)器、開式防護(hù)倉(cāng)、輸彈機(jī)、輸彈液壓系統(tǒng)及電器控制部分等組成，如圖1所示。

圖中，該型火炮輸彈機(jī)采用的是電控液壓驅(qū)動(dòng)鏈條往復(fù)推送式液壓輸彈機(jī)，活動(dòng)地連接在火炮右側(cè)的開閂支臂上，由齒輪箱體、凸輪、鏈盒、鏈條、推殼機(jī)構(gòu)、測(cè)速裝置和手動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，如圖2所示。輸彈系統(tǒng)工作時(shí)，彈丸被裝填，具體過程為：系統(tǒng)啟動(dòng)后，先由供彈機(jī)向協(xié)調(diào)器上供彈；協(xié)調(diào)器接彈以后，向炮身射角協(xié)調(diào)，再由翻轉(zhuǎn)油缸將彈丸翻轉(zhuǎn)到輸彈線；此時(shí)壓力油進(jìn)入輸彈油缸內(nèi)腔，迫使輸彈機(jī)活塞桿伸出，齒條帶動(dòng)齒輪組和鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使鏈條迅速伸出進(jìn)而推送彈丸進(jìn)入膛內(nèi)并可靠卡膛，待鏈條伸出到設(shè)定長(zhǎng)度時(shí)，另一股壓力油進(jìn)入輸彈油缸外腔，迫使輸彈油缸活塞返回，齒條帶動(dòng)鏈條收回，從而完成整個(gè)彈丸的裝填過程，進(jìn)而火炮進(jìn)入自動(dòng)輸藥狀態(tài)[3-4]。

由上述可知，彈丸能否可靠卡入膛內(nèi)最終是由液壓式輸彈機(jī)來完成的。當(dāng)彈底到膛底的距離達(dá)到預(yù)定值以后，鏈條迅速收回進(jìn)而火炮轉(zhuǎn)入自動(dòng)輸藥狀態(tài)，收鏈和輸彈到輸藥信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換過程極為短暫，只需要0.2 s左右的時(shí)間。也正是因?yàn)槿绱耍O(shè)計(jì)的彈丸卡膛深度監(jiān)控系統(tǒng)必須在這個(gè)時(shí)間之內(nèi)完成所有工作。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案與工作原理

基于某型自行榴彈炮存在彈丸自動(dòng)裝填不到位的實(shí)際問題，所設(shè)計(jì)的彈丸卡膛深度監(jiān)控系統(tǒng)，需要完成3個(gè)功能：

1)在微煙微霧條件下，通過測(cè)量彈底與膛底間的距離，對(duì)彈丸卡膛深度進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。

2)將系統(tǒng)測(cè)出的距離與彈丸裝填到位后的標(biāo)準(zhǔn)距離比對(duì)，對(duì)彈丸裝填是否到位加以評(píng)判。

3)將系統(tǒng)評(píng)判出來的彈丸是否裝填到位的信號(hào)結(jié)果及時(shí)反饋給自動(dòng)輸藥系統(tǒng)，從而及時(shí)控制藥筒的自動(dòng)裝填過程。

以上就是彈丸卡膛深度監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中極為關(guān)鍵的3個(gè)功能模塊。

針對(duì)系統(tǒng)第2、3功能模塊的設(shè)計(jì)，可以采用相應(yīng)的聲光報(bào)警和信號(hào)開關(guān)模塊來實(shí)現(xiàn)；對(duì)于火炮膛底與彈底間距離的測(cè)量，則需要通過激光測(cè)距來實(shí)現(xiàn)。激光測(cè)距的工作原理就是通過測(cè)量激光在火炮膛底和彈底之間往返所用的時(shí)間來計(jì)算出激光所通過的距離，具體關(guān)系式為

(1)

式中：d為彈底與膛底之間的距離；c為激光在空氣中的傳播距離；t為激光在膛底與彈底之間往返所用的時(shí)間。

通過上述的設(shè)計(jì)，使激光測(cè)距傳感器自身的測(cè)量精度能夠達(dá)到毫米級(jí)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該型自行火炮彈丸卡膛深度進(jìn)行監(jiān)控。

2 彈丸卡膛深度監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

某型自行榴彈炮彈丸卡膛深度監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。它主要由激光收發(fā)器、輸入模塊、中央處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、信息顯示模塊、聲光報(bào)警模塊、輸藥信號(hào)切斷模塊、充電供電模塊、復(fù)位鍵控開關(guān)、系統(tǒng)啟動(dòng)開關(guān)和輸出模塊等組成。

系統(tǒng)主要模塊作用如下：

1)激光收發(fā)器主要由信號(hào)調(diào)制電路、激光發(fā)射器、信號(hào)放大電路以及激光接收器等組成。它的主要作用就是系統(tǒng)工作時(shí)，向外發(fā)射激光，激光碰到彈底反射，反射光被激光接收器接收，經(jīng)信號(hào)放大電路放大后傳給中央處理模塊。

2)聲光報(bào)警模塊主要由平滑電路、觸發(fā)器和聲光報(bào)警器電路等組成。它的主要作用就是將系統(tǒng)檢測(cè)到的脈沖信號(hào)進(jìn)行平滑，之后送入觸發(fā)器，一旦信號(hào)超過觸發(fā)器觸發(fā)閥值，報(bào)警電路接通，向外發(fā)出聲光報(bào)警。

3)輸藥信號(hào)切斷模塊主要由繼電器和開關(guān)電路等組成。它的主要作用是當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到彈丸自動(dòng)裝填到位時(shí)膛底與彈底之間的距離小于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，系統(tǒng)給繼電器一個(gè)調(diào)機(jī)信號(hào)，輸出一個(gè)開關(guān)量控制自動(dòng)輸藥工作停止。

圖4為某型自行榴彈炮彈丸卡膛深度監(jiān)控系統(tǒng)工作流程圖[5-7]。

彈丸卡膛深度監(jiān)控系統(tǒng)接通電源啟動(dòng)并開始初始化，并完成當(dāng)前火炮狀態(tài)彈丸卡膛深度標(biāo)準(zhǔn)值的標(biāo)定。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到火炮彈丸自動(dòng)裝填系統(tǒng)收鏈時(shí)，距離運(yùn)算子程序啟動(dòng)開始計(jì)算，并將計(jì)算得出的火炮膛底與彈底之間的距離與聲光報(bào)警模塊設(shè)定的觸發(fā)閥值進(jìn)行對(duì)比。檢查結(jié)果若顯示小于觸發(fā)器觸發(fā)閥值，輸藥信號(hào)切斷模塊開始工作，向外發(fā)射一個(gè)自動(dòng)輸藥關(guān)閉信號(hào)給火炮火力系統(tǒng)，指導(dǎo)火炮使用者進(jìn)行火炮檢查保養(yǎng)，進(jìn)而進(jìn)行彈丸的二次裝填；檢查結(jié)果若顯示大于觸發(fā)器觸發(fā)閥值，檢測(cè)系統(tǒng)就向外發(fā)射數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)顯示，同時(shí)自動(dòng)輸藥系統(tǒng)正常工作進(jìn)行藥筒的裝填，從而完成彈丸卡膛深度的自動(dòng)監(jiān)控。

3 彈丸卡膛深度監(jiān)控系統(tǒng)試驗(yàn)分析

彈丸自動(dòng)裝填到位后火炮膛底與彈底間的距離可以在監(jiān)控系統(tǒng)上顯示出來，通過與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，即可判斷出彈丸是否裝填到位。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在某一工況條件下，以3門某型自行火炮為試驗(yàn)對(duì)象(1#正常，2#、3#人為設(shè)定故障)，利用彈丸卡膛深度監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)量彈丸是否裝填到位，測(cè)量時(shí)激光收發(fā)器安裝位置如圖5所示，所得試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同火炮測(cè)量結(jié)果

項(xiàng)目火炮1#2#3#標(biāo)準(zhǔn)值/m2.5652.5402.520測(cè)量值/m2.5682.5352.516差值/mm+3-5-4測(cè)量時(shí)間/s0.140.150.14聲光報(bào)警是否工作否是是

分析表1中的測(cè)量結(jié)果，可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：

1)某型自行榴彈炮彈丸卡膛深度監(jiān)控系統(tǒng)完成3門火炮的測(cè)量所用時(shí)間都控制在了0.15 s之內(nèi)，完全可以在火炮全自動(dòng)輸彈系統(tǒng)鏈條收回、火炮轉(zhuǎn)入自動(dòng)輸藥狀態(tài)之前完成所有測(cè)試工作，能夠達(dá)到0.2 s的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2)在對(duì)火炮測(cè)量之前，預(yù)先設(shè)定了1#火炮彈丸自動(dòng)裝填到位，2#和3#火炮彈丸自動(dòng)裝填未到位，而從測(cè)量結(jié)果聲光報(bào)警是否工作這一欄的數(shù)據(jù)顯示來看，測(cè)量1#火炮時(shí)系統(tǒng)聲光報(bào)警模塊未發(fā)出警報(bào)，測(cè)量2#和3#火炮時(shí)聲光報(bào)警模塊發(fā)出了警報(bào)，測(cè)量結(jié)果完全符合實(shí)驗(yàn)預(yù)先設(shè)計(jì)。

3)激光測(cè)距傳感器自身測(cè)量精度較高，精度達(dá)到了毫米級(jí)，滿足卡膛深度的測(cè)量精度要求。

從以上結(jié)論總體來看，系統(tǒng)所得到的結(jié)果能夠一定程度地客觀真實(shí)反映出火炮彈丸自動(dòng)裝填的狀態(tài)，所得結(jié)果能夠滿足測(cè)量精度和設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

4 結(jié)束語

試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的某型自行榴彈炮彈丸卡膛深度監(jiān)控系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)單、野戰(zhàn)性能好、可靠性和集成化程度較高，能夠快速有效地完成彈丸卡膛深度自動(dòng)監(jiān)控，為自動(dòng)檢測(cè)火炮全自動(dòng)輸彈系統(tǒng)工

作狀態(tài)是否良好奠定了一定的理論基礎(chǔ)，為部隊(duì)火炮裝備預(yù)防性維修和勤務(wù)保障提供一定的參考依據(jù)。