火炮內(nèi)彈道環(huán)境測(cè)試技術(shù)

文/郭天吉 吳宏斌

1 引言

火炮是陸戰(zhàn)之王，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著巨大的作用。火炮發(fā)射時(shí)，內(nèi)彈道是彈丸獲得動(dòng)力的重要階段，彈丸在幾十ms的時(shí)間內(nèi)加速到上千米每秒的速度，承受的膛內(nèi)過(guò)載值高達(dá)上萬(wàn)g（g為重力加速度）。準(zhǔn)確測(cè)量和分析彈丸在膛內(nèi)的發(fā)射過(guò)載，對(duì)評(píng)價(jià)火炮性能、彈丸的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)、彈丸的初速預(yù)測(cè)、發(fā)射藥性能的研究、及引信的結(jié)構(gòu)防護(hù)和保險(xiǎn)設(shè)計(jì)均具有非常重要的意義。

針對(duì)火炮內(nèi)彈道環(huán)境，傳統(tǒng)上是采用銅柱法測(cè)試（見(jiàn)圖1）。該方法是將標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量塊和銅柱置于彈丸內(nèi)，火炮發(fā)射時(shí)，質(zhì)量塊在慣性力的作用下擠壓銅柱使其產(chǎn)生塑性變形，根據(jù)塑性變形量可獲得內(nèi)彈道最大過(guò)載值。銅柱法測(cè)試簡(jiǎn)單實(shí)用，但是只能測(cè)得最大過(guò)載值，無(wú)法獲得過(guò)載值隨時(shí)間的變化歷程。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是MEMS技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外相繼出現(xiàn)了多種型號(hào)的高g值MEMS過(guò)載傳感器，使得電測(cè)法成為可能。本文即研究了一種存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)，可置于彈丸內(nèi)，準(zhǔn)確測(cè)量彈丸在膛內(nèi)的過(guò)載曲線。

2 測(cè)試系統(tǒng)組成

測(cè)試系統(tǒng)組成見(jiàn)圖2，主要由過(guò)載傳感器、信號(hào)放大電路、信號(hào)濾波電路、帶A/D的單片機(jī)、存儲(chǔ)器和電源等組成。

2.1 過(guò)載傳感器

過(guò)載傳感器采用中電13所研制的MPA5000-60K，其量程超過(guò)了6萬(wàn)g，頻響范圍0～50KHz，非線性度小于2%，2Vdc～10Vdc的寬激勵(lì)范圍。

圖1：銅柱法測(cè)試示意圖

圖2：測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

圖3：信號(hào)放大電路

圖4：信號(hào)濾波電路

圖5：?jiǎn)纹瑱C(jī)電路

圖6：存儲(chǔ)電路

圖7：電源電路

MPA5000-60K傳感器采用了先進(jìn)的MEMS壓阻體硅工藝加工制造，圓片級(jí)封裝，性能穩(wěn)定，可靠性高，適用于惡劣條件下碰撞、爆炸、沖擊等場(chǎng)合。

2.2 信號(hào)放大電路

信號(hào)放大電路基于儀表放大器INA118設(shè)計(jì)。INA118是低功耗、高精度的通用儀表放大器，采用單電源供電，輸入阻抗大，偏置電流小。單個(gè)外部電阻就可實(shí)現(xiàn)從1至10000的任一增益選擇，計(jì)算公式為：

2.3 信號(hào)濾波電路

信號(hào)濾波電路為一個(gè)二階的低通巴特沃思濾波器，基于運(yùn)放OPA2340設(shè)計(jì)。OPA2340是微功耗、軌至軌運(yùn)算放大器，單電源供電，微型MSOP-8封裝。具體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4，設(shè)計(jì)濾波頻率為3KHz。

2.4 單片機(jī)電路

單片機(jī)選用國(guó)產(chǎn)STC8單片機(jī)，該單片機(jī)基于1T8051內(nèi)核，速度快，資源豐富，使用靈活。STC8單片機(jī)比傳統(tǒng)的8051快12倍以上，不需要外部晶振和外部復(fù)位，本身就是仿真芯片，可直接通過(guò)串口進(jìn)行仿真和程序下載。STC8單片機(jī)內(nèi)部集成了一個(gè)12位的高速A/D轉(zhuǎn)換器，ADC的速度最快可達(dá)800K，同時(shí)STC8單片機(jī)還集成了8Kbyte SRAM、4個(gè)全雙工UART串口、1個(gè)高速SPI串口等。具體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5。

2.5 存儲(chǔ)器電路

圖8：過(guò)載曲線

圖9：速度積分曲線

存儲(chǔ)器選用FM25V05鐵電非易失性存儲(chǔ)器，其容量為512Kbit，在100KHz采樣率條件下，可存儲(chǔ)320ms數(shù)據(jù)。該芯片支持SPI口，可與單片機(jī)主控芯片通過(guò)SPI口進(jìn)行高速通訊，具體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖6。

2.6 電源電路

電源電路中的電池選用了充電式聚合物鋰電池，其標(biāo)稱電壓11.1V，容量600mAh。為了防止高過(guò)載條件下的電池失效，設(shè)計(jì)了一個(gè)大容量的鉭電容和二極管組成的二次電源電路，具體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖7。

3 試驗(yàn)及結(jié)論

使用設(shè)計(jì)好的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)某種大口徑火炮進(jìn)行了實(shí)測(cè)試驗(yàn)，測(cè)試到了完整的膛內(nèi)過(guò)載值隨時(shí)間的變化歷程及炮口的擾動(dòng)情況，過(guò)載曲線見(jiàn)圖8。由圖8所示，彈丸在膛內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間約為38ms，膛內(nèi)最大過(guò)載值約為1.06萬(wàn)g，炮口擾動(dòng)最大過(guò)載值約為3.5萬(wàn)g。對(duì)過(guò)載曲線進(jìn)行速度積分后的曲線見(jiàn)圖9。由圖9所示，積分后的彈丸出炮口速度約為650m/s，而實(shí)際的網(wǎng)靶測(cè)試速度為667m/s，誤差2.5%，在可接受范圍內(nèi)。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證明了測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)正確性，也為彈丸和引信的設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)參考。