張文靜,馬鐵華,張 瑜

(中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

子母彈能夠打擊人體、沒有裝甲的車輛以及器件，是對付大面積遠距離地面目標必不可少的武器，其中子母彈的拋撒是一個至關重要的技術。中心管拋撒產(chǎn)生的燃氣壓力是保證子母彈能夠可靠工作的關鍵指標，保證子彈能夠滿足合理的散布范圍和達到合理的散布密度。傳統(tǒng)的內(nèi)彈道燃氣測試有塑性變形測壓法和引線電測法[1]。塑性變形測壓法是將銅柱或銅球放入內(nèi)彈道產(chǎn)生形變進而計算其壓力值，該方法雖然可以測出內(nèi)彈道最大壓力值，但不能實時記錄其動態(tài)值，無法準確分析子母彈拋撒的整體過程；引線法通過打孔安裝在武器上的壓力傳感器來實時記錄其壓力值，但該方法需要打孔安裝引線，給試驗帶來不必要的麻煩。筆者采用動態(tài)存儲技術，提出一種存儲式電子測壓器，將塑性變形測壓法和引線電測法結(jié)合，能夠無引線實時記錄動態(tài)壓力值，是一種理想的電子測壓器。

1 中心爆管式子母彈

中心爆管式子母彈主要由引信(引燃拋撒藥)、子彈托架(子彈周圍填充物)、拋撒藥和中心管等組成[2]。當子母彈被載到目標物上空，安裝在戰(zhàn)斗部前端的時間引信起爆，快速點燃拋撒藥，從而在中心管密閉空間中產(chǎn)生高溫高壓氣體，當達到中心管所能承受的最大壓力時，中心管爆破，未燃拋撒藥繼續(xù)燃燒，爆破產(chǎn)生的碎片隨著拋撒藥燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體一起推動子彈壓向四周的蒙皮，在徑向應力波的作用下殼體開艙，氣體推動子彈離開母體，在此過程中，燃氣壓力會隨著容積的改變以及推動子彈所消耗的能量慢慢下降至大氣壓強，子母彈開艙拋撒工作完成。

2 測試系統(tǒng)

在子母彈開艙拋撒火藥的過程中，火藥燃氣壓力是一個在不同時期不斷變化且變化迅速的物理量，因此本系統(tǒng)根據(jù)測試子母彈拋撒火藥壓力所需要的功能要求和技術指標，結(jié)合新概念動態(tài)測試理論，提出了單通道的火藥燃氣壓力測試系統(tǒng)方案。

2.1 硬件設計

該測試系統(tǒng)由壓力測試儀和上位機構(gòu)成，其工作原理是由壓力測試儀測試、收集并且存儲數(shù)據(jù)，上位機通過紅外接口讀取測試數(shù)據(jù)并進行分析。壓力測試儀為該系統(tǒng)核心，主要由傳感器、電荷放大器以及瞬態(tài)波形記錄儀等組成。信號經(jīng)壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換成電荷信號，再由電荷放大器濾波放大，調(diào)整后經(jīng)瞬態(tài)波形記錄儀進行采集與存儲[3]。該系統(tǒng)如圖1所示。

測試系統(tǒng)采用電容式壓力傳感器，其內(nèi)部阻值大、阻抗高，信號微弱，必須經(jīng)過電荷放大器將信號進行濾波放大才能將其存至存儲器。在此系統(tǒng)中主要采用電荷放大器和單片機內(nèi)部OA運放放大器組成信號調(diào)理電路。電荷放大器內(nèi)部電路采用電容負反饋，由單電源軌到軌放大OPA340、電容和低溫漂電阻組成，電路如圖2所示。

電荷放大器上限截止頻率為

為了提高采樣頻率，本系統(tǒng)采用主從單片機交替采樣的方式[4]，即主單片機產(chǎn)生方波信號并且在上升沿進行采樣，從單片機在方波下降沿采樣。該單片機為一款16位超低功耗，并且集成了不同功能的模擬電路、數(shù)字電路和微處理器芯片，具有超低功耗、處理能力強、豐富的外圍模塊和方便高效的開發(fā)環(huán)境等優(yōu)點[5]。本系統(tǒng)設計握手協(xié)議使單片機保證主從單片機的緊密配合。接通電源，主單片機在延遲30 s后發(fā)送ON信號給從單片機，使其完成內(nèi)部flash擦除、時鐘的初始化等工作，為采集數(shù)據(jù)做好準備。當觸發(fā)信號到來時，主片發(fā)給從片發(fā)送FW觸發(fā)標志，從片將采集的數(shù)據(jù)存入flash中。采集存儲完成后，上位機通過紅外接口將主片數(shù)據(jù)讀出，之后主片發(fā)送RO1信號，從片收到信號將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，讀取完成后，從片發(fā)送RO2信號給主片，通知主片讀數(shù)已完成進入待讀數(shù)狀態(tài)，等待下一次讀命令。如圖3所示。

2.2 軟件設計

2.2.1 單片機軟件設計

子母彈拋撒火藥壓力測試系統(tǒng)以MSP430微處理器為核心部分，實現(xiàn)對壓力數(shù)據(jù)的采集、存儲以及將其傳送至上位機，此過程通過單片機內(nèi)的程序來完成上述工作，整體流程圖如圖4所示。

接通電源，系統(tǒng)初始化，然后選擇對系統(tǒng)編程、讀取上次試驗數(shù)據(jù)或直接上電，如果不進行后兩種操作，可以通過上位機關閉紅外按鈕，利用倒置開關延時上電。上電后，系統(tǒng)循環(huán)采樣并存入RAM，期間判斷是否達到觸發(fā)壓力值。如果觸發(fā)，將其后數(shù)據(jù)存入flash，存滿后再導入觸發(fā)前RAM中數(shù)據(jù)。隨后關閉單片機內(nèi)部不需要的外圍模塊，并開啟主從單片機的紅外，等待讀數(shù)。當主片單片機接收到上位機讀數(shù)命令后，主片先開始讀數(shù)，讀完后給從片發(fā)送命令，從片開始讀數(shù)，從片讀完后，若需要重讀數(shù)據(jù)則返回重讀，若不需要重讀數(shù)據(jù)則結(jié)束返回。

2.2.2 上位機軟件設計

上位機是與儀器進行通信的用戶接口，用來對輸入?yún)?shù)進行設置以及對輸出結(jié)果進行顯示。通過對操作過程和用戶需求的合理分析，遵循模塊化、條理性的原則，系統(tǒng)采用可視化語言VB作為上位機的開發(fā)平臺，設計軟件界面，測試系統(tǒng)主要由工作欄、命令欄、繪圖欄等組成，如圖5所示。

測壓系統(tǒng)采取內(nèi)觸發(fā)方式，通過上位機將觸發(fā)值發(fā)送給單片機，而后主單片機再把此數(shù)字量存放到DAC12DAT寄存器中，將其數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)化為模擬量(即觸發(fā)壓值)，之后將模擬量輸入比較寄存器CA1端口，CA0端口連接運算放大器，當CA0>CA1時，比較器將輸出端口置位為1，系統(tǒng)觸發(fā)，將采集的數(shù)據(jù)開始存儲入單片機內(nèi)的flash單元。本系統(tǒng)采用多次連續(xù)比較的方式來避免誤觸發(fā)的可能性，如圖6所示。

3 測試及數(shù)據(jù)分析

3.1 測試系統(tǒng)標定

壓力測試系統(tǒng)用于對火藥燃氣壓力值變化的過程進行測試。在高溫、高壓、高沖擊的惡劣環(huán)境下，傳感器及電路可能發(fā)生一系列變化，因此需要對系統(tǒng)進行模擬應用環(huán)境下的準靜態(tài)校準。系統(tǒng)采用落錘標定[6]的方法，由3套標準系統(tǒng)和1個被標定的測試系統(tǒng)組成，利用上位機擬合3套標準系統(tǒng)的平均壓力值與被標定系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量之間的關系。首先在落錘標定系統(tǒng)選取5個(100 MPa工作量程內(nèi))不同的動態(tài)壓力脈沖值作為標定點；其次將落錘依次按照從小到大再從大到小的順序調(diào)至所需的高度；最后依次落下，讀出被標定系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量。為了數(shù)據(jù)的可靠性，共進行3組試驗。標定試驗數(shù)據(jù)如表1所示,表中平均壓力值P為3組試驗的平均壓力值。

表1 試系統(tǒng)標定數(shù)據(jù)

將數(shù)據(jù)通過最小二乘法擬合標定，求出該系統(tǒng)的靈敏度，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，擬合直線斜率為被標定子母彈拋撒火藥壓力測試系統(tǒng)的靈敏度系數(shù)，標定點和直線的重合度好，標定的系統(tǒng)靈敏度準確。

3.2 實彈測試系統(tǒng)方案及結(jié)果

子母彈拋撒火藥燃氣壓力測試儀實物圖、具體安裝位置如圖8～9所示。

將壓力測試系統(tǒng)安裝在子母彈頂端，進行兩組靶場試驗測試,結(jié)果如圖10～11所示。測試結(jié)果顯示，在爆炸之前膛內(nèi)壓力為0，在爆炸瞬間，測試系統(tǒng)迅速做出響應，峰值達到之前，產(chǎn)生一段負壓波形圖(根據(jù)實際情況分析，爆炸瞬間沖擊波夾雜稀疏波導致這種現(xiàn)象的發(fā)生)，燃氣壓力值在20 MPa左右，脈沖寬度為30～40 ms，與相關參數(shù)的理論計算值接近。測試系統(tǒng)完整地測試出燃氣壓力隨時間變化的過程，對中心管材料、火藥量、母彈尺寸及材料的選取以及母彈內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計都提供了寶貴的依據(jù)。

4 結(jié)束語

筆者提出了子母彈拋撒火藥壓力測試系統(tǒng)方案設計。試驗表明，該系統(tǒng)能夠完整地反映子母彈拋撒火藥過程燃氣壓力值的變化，具有低功耗、高采樣頻率、操作簡單、安全等優(yōu)點，能夠很好地克服高溫、高壓、高沖擊的惡劣環(huán)境，解決了傳統(tǒng)測試系統(tǒng)不安全、不準確、不方便操作的缺點。由于時間和技術問題，下一步將圍繞置于彈內(nèi)子彈處的火藥氣體壓力測試儀進一步研究，從而獲取更加準確的拋撒過程中壓力變化情況。