放入式火炮膛壓測(cè)試技術(shù)研究

裴東興,，沈靜華，張 瑜，沈大偉

(1.中北大學(xué) 計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

放入式火炮膛壓測(cè)試技術(shù)研究

裴東興1,2，沈靜華1，張 瑜1，沈大偉1

(1.中北大學(xué) 計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，山西 太原030051；2.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051)

火炮身管內(nèi)壓力大小及其分布是重要的內(nèi)彈道參數(shù)，準(zhǔn)確、可靠地獲取火炮膛內(nèi)壓力參數(shù)是動(dòng)態(tài)測(cè)試領(lǐng)域的難題。簡(jiǎn)單介紹了多種測(cè)試膛壓的方法，重點(diǎn)分析了放入式電子測(cè)壓器的測(cè)試精度，提出了對(duì)實(shí)測(cè)膛壓曲線進(jìn)行積分、計(jì)算得到彈丸炮口速度的方法；與測(cè)得的炮彈初速進(jìn)行對(duì)比分析，針對(duì)膛內(nèi)壓力場(chǎng)分布的不均勻性，提出了固定放入式電子測(cè)壓器的測(cè)試方法。

儀器儀表技術(shù)；膛壓測(cè)試；放入式電子測(cè)壓器；內(nèi)彈道；炮口初速

2.Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory，NUC,Taiyuan030051，Shanxi，China)

膛壓是指火炮發(fā)射時(shí)火藥氣體在炮膛內(nèi)的壓強(qiáng)，包括壓力變化規(guī)律及其最大值。高溫高濕環(huán)境下存儲(chǔ)的火藥必然發(fā)生水解老化，致使火藥由燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z，進(jìn)而產(chǎn)生危險(xiǎn)壓力波，而多數(shù)的膛炸、早炸事故往往與膛內(nèi)危險(xiǎn)壓力波有著密切的聯(lián)系，而危險(xiǎn)壓力波的產(chǎn)生與發(fā)射藥的裝藥條件、裝藥結(jié)構(gòu)及點(diǎn)火系統(tǒng)有關(guān)。筆者通過固定放入式電子測(cè)壓器，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量膛壓信號(hào)，并根據(jù)膛壓曲線判斷是否存在危險(xiǎn)壓力波，故準(zhǔn)確可靠的膛壓數(shù)據(jù)是分析內(nèi)彈道和裝藥結(jié)構(gòu)的合理性、炮彈各部件(如彈體、引信、身管、炮尾和炮閂)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)、后坐裝置阻力曲線以及炮架強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)的基本依據(jù)[1-3]。

彈底壓力是指彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)底部所受的壓力，真實(shí)地反映膛內(nèi)火藥氣體壓力場(chǎng)的分布狀態(tài)[4]。但是彈底壓力不易測(cè)量，難以保證精度，且容易損壞測(cè)試儀器。

1 銅柱(球)測(cè)壓法與引線測(cè)壓法

目前，膛壓的測(cè)試方法主要有：引線法、銅柱(球)法、放入式電測(cè)法。銅柱(球)測(cè)壓法是測(cè)量膛壓的重要方法，具有操作簡(jiǎn)便、性能穩(wěn)定、一致性好以及不受隨機(jī)干擾影響的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)銅柱變形量查“壓力換算表”[5-6]得銅柱所受壓力的計(jì)算公式為

Pmc=Pms+ΔPmcu

(1)

式中：Pmc為最大膛壓值；Pms為銅柱所受的壓力；ΔPmcu為膛壓修正值。

但銅柱(球)測(cè)壓法僅能得到膛壓的最大值，無法獲取發(fā)射過程中膛壓變化的完整曲線。引線法亦是常用的膛壓測(cè)試方法，通過電荷放大器、電腦采集板卡、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以完整地采集膛壓曲線，并通過電纜實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)該曲線，但是該方法需要在炮筒壁上打孔，操作復(fù)雜且現(xiàn)場(chǎng)需布置大量纜線，容易對(duì)測(cè)試過程造成干擾。

2 放入式電子測(cè)壓器

2.1放入式電子測(cè)壓器原理

放入式電子測(cè)壓器是基于電測(cè)法設(shè)計(jì)研制的新型膛壓測(cè)試儀。如圖1、2所示，該測(cè)試儀由電池、壓電傳感器、電路部分、倒置開關(guān)、緩沖墊及測(cè)壓器殼體組成，以小體積(僅21.9cm3)、低功耗、高精度著稱[7]。觸發(fā)電平、測(cè)量量程、采樣頻率均可經(jīng)編程設(shè)定，并且能夠在高低溫環(huán)境中保溫48h。系統(tǒng)的存儲(chǔ)單元選用單片機(jī)內(nèi)部的FLASH和RAM，既保證準(zhǔn)確地獲取炮膛內(nèi)壓力變化的完整曲線，又確保在掉電時(shí)不丟失數(shù)據(jù)。同時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)用紅外通信技術(shù)接口，可無障礙地讀取儀器所記錄的數(shù)據(jù)，以便后續(xù)的討論與分析。測(cè)試時(shí)，通常將電子測(cè)壓器置于藥筒底部，如圖3所示。

放入式電子測(cè)壓器同時(shí)具備了引線法與銅柱(球)法的優(yōu)勢(shì)，在使用過程中，既不需要現(xiàn)場(chǎng)布置纜線，同時(shí)也保證準(zhǔn)確地采集膛壓曲線信號(hào)，且可反復(fù)使用。

GJB2973A—2008火炮內(nèi)彈道測(cè)試方法規(guī)定，測(cè)壓器體積應(yīng)小于所適用火炮藥室容積的2.5%，不同口徑火炮的藥室容積如表1所示。

表1 火炮藥室容積表

分析表1中數(shù)據(jù)，放入式電子測(cè)壓器適用于測(cè)量中大口徑火炮的膛壓信號(hào)，而小口徑例如直徑為20 mm或37 mm的高射炮，因其2.5%的藥室容積小于電子測(cè)壓器的體積，故無法使用電子測(cè)壓器測(cè)量膛壓信號(hào)。

2.2放入式電子測(cè)壓器的靜態(tài)標(biāo)定與動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)

電子測(cè)壓器靜態(tài)標(biāo)定時(shí)，通過電荷校準(zhǔn)儀校準(zhǔn)電荷放大器和瞬態(tài)波形記錄儀可得到電路的靜態(tài)靈敏度，將電路靜態(tài)靈敏度與經(jīng)油壓標(biāo)定機(jī)校準(zhǔn)得到的傳感器靈敏度相除即得到測(cè)壓系統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)試靈敏度[8]。

測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性主要由其所含傳感器的動(dòng)態(tài)特性決定，圖4為壓電傳感器的幅頻特性曲線。

由圖可知壓電傳感器的諧振頻率約為252kHz且曲線在0～25kHz范圍內(nèi)線性特性較好，可準(zhǔn)確覆蓋膛壓信號(hào)的有效頻帶，即0～5kHz，可完成相對(duì)無失真的膛壓測(cè)試?；诃h(huán)境因子校準(zhǔn)法，采用模擬膛壓發(fā)生器，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)電子測(cè)壓器。引爆模擬膛壓發(fā)生器后，膛內(nèi)產(chǎn)生與火炮膛內(nèi)類似的高溫高壓環(huán)境，被校準(zhǔn)測(cè)壓器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器系統(tǒng)同時(shí)記錄信號(hào)，并對(duì)多組數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合，得出被校準(zhǔn)測(cè)壓器的靈敏度和其在該溫度下的工作方程：

y=kx+b

(2)

式中：k為該環(huán)境下的靈敏度系數(shù)；b為該環(huán)境下的截距；x為某采樣點(diǎn)的比特值；y為該環(huán)境下某采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的膛壓值。

經(jīng)過靜態(tài)標(biāo)定與動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)后，電子測(cè)壓器測(cè)得的壓力峰值分布穩(wěn)定，置信度高。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

在靶場(chǎng)，對(duì)某型號(hào)炮彈進(jìn)行多次的保高溫、低溫、常溫射擊以得到相應(yīng)的膛壓曲線。試驗(yàn)過程中，將電子測(cè)壓器與銅柱測(cè)壓器放入同一炮彈的藥筒底部，同時(shí)，選用雷達(dá)測(cè)速儀測(cè)量彈丸的炮口速度。

3.1數(shù)據(jù)處理

電子測(cè)壓器采集數(shù)據(jù)時(shí)，AD轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出并存儲(chǔ)，得到以比特值為縱坐標(biāo)，采樣點(diǎn)為橫坐標(biāo)的原始曲線圖，在特定軟件中，利用公式(2)以及求得的電子測(cè)壓器靈敏度，可得到膛壓P-t曲線，如圖5所示。

火炮發(fā)射時(shí)，炮彈所受推力的公式為

(3)

式中：P(t)膛壓；D為炮彈直徑；φ為虛擬系數(shù)，

(4)

式中：ω為發(fā)射藥重；m為炮彈質(zhì)量；φ0=1.06，是由炮膛結(jié)構(gòu)決定的系數(shù)。

彈丸在膛內(nèi)開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，膛內(nèi)壓力為彈丸啟動(dòng)壓力，一般約為15～20MPa，r1為對(duì)應(yīng)此壓力點(diǎn)的采樣點(diǎn)數(shù)；而彈丸在出炮口前的壓力一般為20MPa,此壓力點(diǎn)的對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)數(shù)為r2，則彈丸的炮口速度公式為

(5)

式中，Δt為一個(gè)常量，與采樣頻率有關(guān)。

利用公式(5)并結(jié)合測(cè)得的P-t曲線可求得彈丸運(yùn)動(dòng)至炮口時(shí)的速度，并與雷達(dá)測(cè)得的速度進(jìn)行對(duì)比。常溫下，最大膛壓值的對(duì)比情況以及彈丸炮口速度的對(duì)比情況如表2所示。

表2 某模擬彈常溫測(cè)試數(shù)據(jù)

3.2數(shù)據(jù)分析

分析表2數(shù)據(jù)，銅柱測(cè)壓器測(cè)得最大膛壓值的散布與電子測(cè)壓器測(cè)得最大膛壓值的散布相比，差別較小，而雷達(dá)測(cè)得炮口速度的散布與利用公式(5)計(jì)算得到炮口速度的散布相比，相差較大，且計(jì)算得到的炮口速度普遍大于雷達(dá)測(cè)得的炮口速度，并且高溫與低溫均存在此現(xiàn)象。通常雷達(dá)測(cè)得的炮口速度已經(jīng)過校準(zhǔn)與修正，故導(dǎo)致兩者初速不一致的原因：電子測(cè)壓器測(cè)得的膛壓曲線誤差較大；在炮彈發(fā)射過程中，膛內(nèi)壓力場(chǎng)的分布是不均勻的，而電子測(cè)壓器是不固定的，所以每次測(cè)量所處的位置與狀態(tài)是不確定的，導(dǎo)致初速不準(zhǔn)確。在測(cè)試之前，電子測(cè)壓器已經(jīng)過靜態(tài)標(biāo)定與動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，不會(huì)達(dá)到如此大的散布，故原因很可能是電子測(cè)壓器沒有固定。

炮彈發(fā)射時(shí)，在定容狀態(tài)下，因新的火藥氣體不斷產(chǎn)生，且氣體具有粘結(jié)性，會(huì)與膛壁間產(chǎn)生摩擦，所以同一截面上各點(diǎn)的壓力、各點(diǎn)的流速都不相同，不同時(shí)間下同一點(diǎn)的壓力也是不相等的。彈丸開始運(yùn)動(dòng)后，處于變?nèi)轄顟B(tài)下，火藥燃?xì)馍伤俾屎陀捎趶椡柽\(yùn)動(dòng)而形成的彈后空間增加速率二者相互制約、相互作用，形成了膛內(nèi)復(fù)雜的、不均勻的壓力場(chǎng)[9-10]。從氣流動(dòng)量方程可推出膛內(nèi)壓力場(chǎng)的分布，即Piober方程為

(6)

式中：px為彈后空間膛底x處炮膛斷面位置上的壓力；pd為彈底壓力；v為炮彈速度；t為發(fā)射時(shí)間；ρ為氣體密度；x為炮膛斷面到膛底的距離；lp為某時(shí)刻彈底到膛底的距離。

由以上分析可知，彈后空間的壓力分布由多因素決定，且呈不均勻分布。假設(shè)對(duì)同一枚炮彈進(jìn)行多次測(cè)量，每次的測(cè)量位置、所處環(huán)境是不相同的，對(duì)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度可能存在極大的影響，進(jìn)而造成計(jì)算得到的炮口初速不準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語

筆者主要研究了放入式火炮膛壓測(cè)試技術(shù)，即利用放入式電子測(cè)壓器測(cè)量火炮發(fā)射過程中膛壓的變化曲線并對(duì)膛壓曲線進(jìn)行積分以計(jì)算炮口初速。通過軟件分析、計(jì)算靶場(chǎng)測(cè)試的實(shí)例曲線，發(fā)現(xiàn)利用公式(5)計(jì)算得到的炮口速度與雷達(dá)測(cè)得的炮口速度相差較大，原因可能是炮彈發(fā)射時(shí)，膛內(nèi)壓力場(chǎng)分布不均勻且電子測(cè)壓器不固定所引起。為解決此類問題，可以通過設(shè)計(jì)支架、利用磁鐵、膠粘來固定電子測(cè)壓器，避免由于炮彈發(fā)射時(shí)內(nèi)彈道壓力場(chǎng)的不均勻分布對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響，為火炮系統(tǒng)的研究與發(fā)展提供可靠參數(shù)。

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InternalArtilleryChamberPressureTestingTechnologyResearch

PEI Dongxing1,2,SHEN Jinghua1,ZHANG Yu1,SHEN Dawei1

(1.School of Computer and Control Engineering，NUC，Taiyuan030051，Shanxi，China；

Artillary pipe pressure size and distribution are the important internal ballistic trajectory parameters, and accurate and reliable acquisition of pressure parameters is a difficult problem in the field of dynamic testing. All kinds of chamber pressure measurement methods are briefly introduced with internal electronic piezo gauge test accuracy analyzed primarily. The method of chamber pressure carve integral and numeration was proposed to obtain muzzle velocity and was to be analyzed and compared against the measured muzzle velocity. In view of the inhomogeneity of the distribution of pressure in the chamber, the test method to fix the internal electronic piezo gauge was proposed.

technology of instrument and meter; chamber pressure measurement; internal electronic piezo gauge; internal ballistic trajectory; muzzle velocity

TJ301

： A

：1673-6524(2017)03-0069-05

10.19323/j.issn.1673-6524.2017.03.014

2016-11-21

裴東興(1970—)，男，教授，博士，主要從事動(dòng)態(tài)測(cè)控與智能儀器技術(shù)研究。E-mail:peidongxing@nuc.edu.cn