子母彈拋撒火藥壓力測(cè)試系統(tǒng)

張文靜,馬鐵華,張 瑜

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)付大面積遠(yuǎn)距離地面目標(biāo)必不可少的武器，其中子母彈的拋撒是一個(gè)至關(guān)重要的技術(shù)。中心管拋撒產(chǎn)生的燃?xì)鈮毫κ潜ＷC子母彈能夠可靠工作的關(guān)鍵指標(biāo)，保證子彈能夠滿足合理的散布范圍和達(dá)到合理的散布密度。傳統(tǒng)的內(nèi)彈道燃?xì)鉁y(cè)試有塑性變形測(cè)壓法和引線電測(cè)法[1]。塑性變形測(cè)壓法是將銅柱或銅球放入內(nèi)彈道產(chǎn)生形變進(jìn)而計(jì)算其壓力值，該方法雖然可以測(cè)出內(nèi)彈道最大壓力值，但不能實(shí)時(shí)記錄其動(dòng)態(tài)值，無法準(zhǔn)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(shí)時(shí)記錄其壓力值，但該方法需要打孔安裝引線，給試驗(yàn)帶來不必要的麻煩。筆者采用動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)，提出一種存儲(chǔ)式電子測(cè)壓器，將塑性變形測(cè)壓法和引線電測(cè)法結(jié)合，能夠無引線實(shí)時(shí)記錄動(dòng)態(tài)壓力值，是一種理想的電子測(cè)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(dāng)子母彈被載到目標(biāo)物上空，安裝在戰(zhàn)斗部前端的時(shí)間引信起爆，快速點(diǎn)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(dāng)達(dá)到中心管所能承受的最大壓力時(shí)，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(dòng)子彈壓向四周的蒙皮，在徑向應(yīng)力波的作用下殼體開艙，氣體推動(dòng)子彈離開母體，在此過程中，燃?xì)鈮毫?huì)隨著容積的改變以及推動(dòng)子彈所消耗的能量慢慢下降至大氣壓強(qiáng)，子母彈開艙拋撒工作完成。

2 測(cè)試系統(tǒng)

在子母彈開艙拋撒火藥的過程中，火藥燃?xì)鈮毫κ且粋€(gè)在不同時(shí)期不斷變化且變化迅速的物理量，因此本系統(tǒng)根據(jù)測(cè)試子母彈拋撒火藥壓力所需要的功能要求和技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合新概念動(dòng)態(tài)測(cè)試?yán)碚?，提出了單通道的火藥燃?xì)鈮毫y(cè)試系統(tǒng)方案。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

該測(cè)試系統(tǒng)由壓力測(cè)試儀和上位機(jī)構(gòu)成，其工作原理是由壓力測(cè)試儀測(cè)試、收集并且存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，上位機(jī)通過紅外接口讀取測(cè)試數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。壓力測(cè)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(hào)經(jīng)壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)，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(jìn)行采集與存儲(chǔ)[3]。該系統(tǒng)如圖1所示。

測(cè)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(hào)微弱，必須經(jīng)過電荷放大器將信號(hào)進(jìn)行濾波放大才能將其存至存儲(chǔ)器。在此系統(tǒng)中主要采用電荷放大器和單片機(jī)內(nèi)部OA運(yùn)放放大器組成信號(hào)調(diào)理電路。電荷放大器內(nèi)部電路采用電容負(fù)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(jī)交替采樣的方式[4]，即主單片機(jī)產(chǎn)生方波信號(hào)并且在上升沿進(jìn)行采樣，從單片機(jī)在方波下降沿采樣。該單片機(jī)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(qiáng)、豐富的外圍模塊和方便高效的開發(fā)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[5]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)握手協(xié)議使單片機(jī)保證主從單片機(jī)的緊密配合。接通電源，主單片機(jī)在延遲30 s后發(fā)送ON信號(hào)給從單片機(jī)，使其完成內(nèi)部flash擦除、時(shí)鐘的初始化等工作，為采集數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)到來時(shí)，主片發(fā)給從片發(fā)送FW觸發(fā)標(biāo)志，從片將采集的數(shù)據(jù)存入flash中。采集存儲(chǔ)完成后，上位機(jī)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(hào)，從片收到信號(hào)將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，讀取完成后，從片發(fā)送RO2信號(hào)給主片，通知主片讀數(shù)已完成進(jìn)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(shè)計(jì)

2.2.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

子母彈拋撒火藥壓力測(cè)試系統(tǒng)以MSP430微處理器為核心部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)以及將其傳送至上位機(jī)，此過程通過單片機(jī)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(duì)系統(tǒng)編程、讀取上次試驗(yàn)數(shù)據(jù)或直接上電，如果不進(jìn)行后兩種操作，可以通過上位機(jī)關(guān)閉紅外按鈕，利用倒置開關(guān)延時(shí)上電。上電后，系統(tǒng)循環(huán)采樣并存入RAM，期間判斷是否達(dá)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(dǎo)入觸發(fā)前RAM中數(shù)據(jù)。隨后關(guān)閉單片機(jī)內(nèi)部不需要的外圍模塊，并開啟主從單片機(jī)的紅外，等待讀數(shù)。當(dāng)主片單片機(jī)接收到上位機(jī)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(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)是與儀器進(jìn)行通信的用戶接口，用來對(duì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行設(shè)置以及對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行顯示。通過對(duì)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(jī)的開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)軟件界面，測(cè)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(cè)壓系統(tǒng)采取內(nèi)觸發(fā)方式，通過上位機(jī)將觸發(fā)值發(fā)送給單片機(jī)，而后主單片機(jī)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(yùn)算放大器，當(dāng)CA0>CA1時(shí)，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(chǔ)入單片機(jī)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(cè)試及數(shù)據(jù)分析

3.1 測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)定

壓力測(cè)試系統(tǒng)用于對(duì)火藥燃?xì)鈮毫χ底兓倪^程進(jìn)行測(cè)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬應(yīng)用環(huán)境下的準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)。系統(tǒng)采用落錘標(biāo)定[6]的方法，由3套標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)和1個(gè)被標(biāo)定的測(cè)試系統(tǒng)組成，利用上位機(jī)擬合3套標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的平均壓力值與被標(biāo)定系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量之間的關(guān)系。首先在落錘標(biāo)定系統(tǒng)選取5個(gè)(100 MPa工作量程內(nèi))不同的動(dòng)態(tài)壓力脈沖值作為標(biāo)定點(diǎn)；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(biāo)定系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量。為了數(shù)據(jù)的可靠性，共進(jìn)行3組試驗(yàn)。標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示,表中平均壓力值P為3組試驗(yàn)的平均壓力值。

表1 試系統(tǒng)標(biāo)定數(shù)據(jù)

將數(shù)據(jù)通過最小二乘法擬合標(biāo)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(biāo)定子母彈拋撒火藥壓力測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度系數(shù)，標(biāo)定點(diǎn)和直線的重合度好，標(biāo)定的系統(tǒng)靈敏度準(zhǔn)確。

3.2 實(shí)彈測(cè)試系統(tǒng)方案及結(jié)果

子母彈拋撒火藥燃?xì)鈮毫y(cè)試儀實(shí)物圖、具體安裝位置如圖8～9所示。

將壓力測(cè)試系統(tǒng)安裝在子母彈頂端，進(jìn)行兩組靶場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試,結(jié)果如圖10～11所示。測(cè)試結(jié)果顯示，在爆炸之前膛內(nèi)壓力為0，在爆炸瞬間，測(cè)試系統(tǒng)迅速做出響應(yīng)，峰值達(dá)到之前，產(chǎn)生一段負(fù)壓波形圖(根據(jù)實(shí)際情況分析，爆炸瞬間沖擊波夾雜稀疏波導(dǎo)致這種現(xiàn)象的發(fā)生)，燃?xì)鈮毫χ翟?0 MPa左右，脈沖寬度為30～40 ms，與相關(guān)參數(shù)的理論計(jì)算值接近。測(cè)試系統(tǒng)完整地測(cè)試出燃?xì)鈮毫﹄S時(shí)間變化的過程，對(duì)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(shè)計(jì)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(cè)試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠完整地反映子母彈拋撒火藥過程燃?xì)鈮毫χ档淖兓?，具有低功耗、高采樣頻率、操作簡單、安全等優(yōu)點(diǎn)，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(cè)試系統(tǒng)不安全、不準(zhǔn)確、不方便操作的缺點(diǎn)。由于時(shí)間和技術(shù)問題，下一步將圍繞置于彈內(nèi)子彈處的火藥氣體壓力測(cè)試儀進(jìn)一步研究，從而獲取更加準(zhǔn)確的拋撒過程中壓力變化情況。