高g值加速度沖擊試驗技術研究

徐 鵬，祖 靜，范錦彪

(中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051)

在鉆地彈藥系統研發過程中，彈體侵徹硬目標時的高g值加速度—時間關系曲線是一個重要的被測值，國內、外的研究機構通常采用彈載存儲測試技術進行測量［1－4］。為了增強彈載加速度存儲測試裝置在極惡劣環境中的存活性，提高其數據捕獲率，我們研制了高g值加速度沖擊試驗模擬裝置(圖1)，圖2為其原理圖。該裝置利用壓縮空氣推動炮彈獲得一定的速度，在測試段與加速度測試裝置發生碰撞，使測試裝置產生所需的高g值加速度，同時由加速度計和激光多普勒速度干涉儀記錄整個加速過程。利用該實驗裝置可以研究彈載加速度存儲測試裝置的抗高g值沖擊性能、測試裝置電路模塊的緩沖保護研究，以及對高g值加速度計進行校準。

圖1 高g值加速度沖擊試驗裝置Fig.1 High g acceleration shock experiment equipment

圖2 沖擊試驗模擬裝置原理示意圖Fig.2 Sketch of shock experiment equipment

1 沖擊試驗的加載裝置——空氣炮的工作原理

空氣炮作為一種加載工具，因為具有重復性好，安全性高、操作維護較方便的優點，被國內外許多研究機構采用［5－7］。本實驗裝置中的空氣炮為一級空氣炮，由高壓氣室、釋放機構、發射身管、炮彈和回收裝置等組成。該空氣炮口徑為100mm，發射管有效長度為6.2 m，氣室容積約為 0.03592 m3。發射時先通過快速釋放機構打開閥門，氣體壓力直接作用到彈丸底部，彈丸被加速直到撞擊彈載加速度存儲測試裝置。改變碰撞接觸面機制氈墊的軟硬程度和厚度(不超過30mm)，可以產生不同加速度幅值 a0，持續時間 μs(脈寬)的加速度信號，以模擬彈體侵徹硬目標過程中初始段的負向加速度。碰撞瞬間狀態如圖3所示，用于測試裝置抗高g值沖擊試驗，圖4為加速度存儲測試裝置。

采用下式(1)可對實際試驗中使用的彈丸的速度進行估算［7］:

式中:vg為彈丸到達炮口時的彈速;pcz為氣室的注氣壓力;Vcq為初始氣室容積;m為彈丸質量;γ為氣體絕熱指數;Sf為發射管橫截面積;Lf為發射管長度。

φ稱為虛擬質量系數，把彈丸質量由原來的m增加到m=φm，那么在能量消耗方面，將各種損耗等效于彈丸質量的增加結果。根據式(1)可以計算對應一定氣室初始壓力pcz炮彈碰撞前瞬間的速度vg，再根據實際測試的炮彈速度對計算值進行修正，可以建立初始氣壓和炮彈碰撞測試裝置時速度的對應關系。

為了吸收碰撞后的剩余能量，我們采用類似火炮反后坐裝置的技術，設計制造了液氣緩沖裝置，利用液體高速通過小孔產生的阻力和能量消耗，來吸收碰撞結束后炮彈和測試裝置的剩余能量。

圖3 測試裝置抗高g值沖擊試驗Fig.3 High g shock experiment for test equipment

圖4 加速度存儲測試裝置Fig.4 Acceleration memory test equipment

2 沖擊試驗的測試系統——反射式激光測速儀和激光多普勒測速儀

2.1 反射式激光測速儀

為了測量炮彈在撞擊測試裝置前瞬間的速度，在炮彈上接近頭部位置沿圓周方向粘貼黑白相間的蘇格蘭片，間距為4mm。當炮彈以一定的速度通過測速儀時，激光照射到蘇格蘭片上，由于蘇格蘭片具有原向反射的特性，當照射到白條紋時，反射光經光電轉換和放大器放大后輸出的是高電平，同理照射到黑條紋時輸出低電平。這樣就產生高低電平相間的電信號，因為條紋間距一定，通過計算高低電平的周期以及黑白間條的寬度就可以計算出炮彈的速度。并且，以測速儀的高電平信號輸出作為信號采集示波器的觸發信號，原理圖如圖5所示。

圖5 反射式測速儀原理框圖Fig.5 Frame drawing of reflect type laser velocimeter

2.2 差動式多普勒激光測速裝置

差動式激光多普勒測速儀系統包括光柵、激光干涉光路、光電轉換、數據采集及處理軟件等，實現目標運動－光學干涉－電信號－數據采集－運動參數的轉換，如圖6所示。作為合作目標的光柵用環氧膠粘接在測試裝置表面，柵線數為150線/mm，柵線間距d的不確定度為1 ×10－6。

雙入射光光柵運動速度v和由此產生的多普勒頻移 Δfψ，(－ψ)的關系為［8］:

圖6 測速儀系統框圖Fig.6 Frame drawing of test system

其中p、q為兩衍射光波的衍射級數，取正、負1級。由式(3)沖擊加速度峰值及波形。

3 彈載加速度存儲測試裝置高g值沖擊試驗

圖7 測試裝置內部結構Fig.7 Internal structure of test equipment

圖8 測試裝置示意圖Fig.8 Sketch of test equipment

彈載加速度存儲測試裝置在高g值沖擊作用下，可能引起記錄電路模塊芯片功能失效、焊點脫開、機械結構破壞、導線斷裂等現象，電路模塊是測試裝置的核心部件，我們利用某種泡沫鋁對其進行緩沖保護，內部安裝結構如圖7所示，示意圖如圖8，在電路模塊和測試裝置被撞頭部粘接光柵。安裝在測試裝置被撞頭內部的加速度計的輸出信號(圖9)由電路模塊記錄，由文獻［9］可知，該信號中包含了加速度傳感器安裝點的結構響應。對該信號進行快速傅利葉變換(FFT)得到其頻譜圖(圖10)，圖中頻率為9.4 kHz處對應有一個尖峰值。采用ANSYS軟件對測試裝置整體結構進行計算機模態分析，得到被撞體的第一階頻率為9.3 kHz，相應的振型為軸向振動，所以加速度傳感器的輸出信號包含這一軸向振動分量，在加速度頻譜圖中表現為第一級階頻率附近出現一個尖峰值。對加速度傳感器的輸出信號按9.4 kHz截止頻率濾波，得到被撞體的剛體加速度(圖11)。采用25mm厚，直徑為30mm的某種泡沫鋁對電路模塊進行緩沖保護，試驗后泡沫鋁被壓縮至16mm。由存儲示波器同時記錄電路模塊和測試裝置的頻移信號(圖12)，處理得到二者的加速度—時間曲線(圖13)，其中被撞體上測點的加速度與濾波得到的剛體加速度信號幅值和持續時間基本一致。比較外殼的加速度和電路模塊緩沖后的加速度時間曲線可以知道，泡沫鋁具有良好的緩沖吸能特性，表1可以看出，泡沫鋁緩沖器件將一個幅值為4.36×104g，脈寬205 μs的沖擊加速度，緩沖到幅值為1.36×104g，脈寬490 μs左右的加速度，緩沖效果達68.7%。大幅降低了電路模塊承受的沖擊，且電路模塊工作正常，鋼絲信號導線也未斷裂。

圖9 加速度計的輸出信號Fig.9 Output signal of accelerometer

圖10 加速度信號頻譜圖Fig.10 Frequency spectrum of accelerometer signal

表1 泡沫鋁緩沖效果比較(加速度)Tab.1 Cushion effect compare of foam aluminum(acceleration)

圖11 測試裝置的剛體加速度Fig.11 Rigid acceleration of test equipment

圖12 測試裝置的頻移信號Fig.12 Frequency shift signal from test equipment

圖13 緩沖前后加速度波形曲線對比Fig.13 Cushion effect contrast in acceleration

4 結論

利用高g值沖擊試驗裝置，對彈載加速度存儲測試裝置進行模擬沖擊試驗，可以及早暴露測試系統的設計、制造缺陷，提高其在高g值沖擊環境中的可靠性。本文介紹了一種適合于微小型電子裝置高g值沖擊試驗的實驗裝置，并利用它研究了泡沫鋁在高幅值、窄脈沖的高g值沖擊環境下的緩沖效果，以及彈載加速度存儲測試裝置整體的抗高g值沖擊性能，試驗表明，在這種條件下泡沫鋁具有良好的緩沖效果，且測試裝置整體結構設計是可行的。另外，該試驗裝置還能對其它彈載電子測試裝置(慣性測量組合、智能引信、陀螺、MEMS傳感器)進行抗高沖擊性能研究。

［1］Zhang W D，Chen L J，Xiong J.Ultra-high g decelerationtime measurement for the penetration into steel target［J］.International Journal of Impact Engineering，2007，34(3):436－447.

［2］Rothacher T，Giger B.High g ballistic flight data recorder［C］.18th international symposium on ballistic，San Antonio，1999，379 －386.

［3］Forrestal M J，Frew D J，Hickerson J P.Penetration of concrete targets with Decelera-tion-time measurements ［J］.International Journal of Impact Engineering.2003，28(5):479－497.

［4］Booker P M，Cargile J D.Investigation on the response of segmented concrete targets to projectile［J］.International Journal of Impact Engineering.2009，36(7)，926 －939.

［5］林俊德.侵徹武器及氣體炮試驗［J］，中國工程科學，2003，5(11):25－33.

［6］翁雪濤，黃映云，朱石堅.利用氣體炮技術測定隔振器沖擊特性［J］.振動與沖擊，2005，24(1):103－105.

［7］王金貴.氣體炮原理及技術［M］.北京:國防工業出版社，2001.

［8］梁治國，李新良.激光干涉法一次沖擊加速度計動態特性校準［J］.測試技術學報，2004，18(2):133－138.

［9］徐 鵬，范錦彪，祖 靜.高速動能彈侵徹硬目標加速度測試技術研究［J］.振動與沖擊，2007，26(11):118－122.