我國火炮膛壓塑性測壓的計量發展研究

楊麗俠

(西安近代化學研究所，陜西，西安710065)

0 引言

塑性變形測壓法使用方便，只需一個塑性測壓器件(塑性敏感元件、測壓器);操作簡單，可不破壞被試武器;數據穩定可靠且經濟，因此，仍是我國乃至世界各國火炮膛壓檢驗的主要手段。目前我國大部分的火炮武器均采用塑性測壓器材測量膛內火藥燃氣的峰值壓力，其測試結果被用來評定火炮裝藥、彈丸及引信等產品的彈道性能，也作為科研、生產特別是產品交驗環節的重要依據。因此，研究塑性測壓技術的計量發展，獲得準確可靠的膛內峰值壓力，實現準確的量值傳遞和計量保障，并與國際壓力基準接軌，既方便兵器技術交流和產品進出口等，也對常規兵器的研究和發展具有十分重要的意義。

1 實施動態校準是塑性測壓的發展方向

用塑性測壓法測量火炮膛內的峰值壓力，直接測量的是敏感元件(銅球、銅柱)的變形量或壓后高度，因此，使用之前必須先測出敏感元件塑性變形量和壓力之間的對應關系，編制壓力換算表，再進行校準。塑性測壓法根據敏感元件校準方法的不同，又分為靜態校準和動態(準動態)校準，校準原理示意圖分別見圖1 和圖2。

靜態校準是在杠桿式力機上對敏感元件進行加載試驗，得到不同力與銅柱壓后高或變形量之間的對應關系，根據所使用測壓器的活塞面積，將力值折算成對應壓力值，獲得壓力值與壓后高或變形量的對應關系，進行靜態壓力對照表的編制。

動態(準動態)校準是在落錘液壓校準裝置(簡稱落錘裝置)上進行試驗，利用落錘裝置中的造壓油缸產生半正弦壓力源，類似火炮膛壓的P －t 曲線，由4 路壓電傳感器、電荷放大器及數據采集系統組成標準壓力測試系統，測試壓力峰值的平均值作為標準壓力Pm，在壓力源相同位置上安裝的塑性測壓敏感元件接受相同的壓力而產生塑性變形△h 或h，變形量與所承受壓力之間通過數學處理編制壓力對照表，實現對測壓敏感元件的壓力校準。高、低溫試驗箱用于對測壓敏感元件進行高、低溫校準，修正溫度的影響。

膛壓電測技術的發展，使人們發現利用靜態校準的銅柱銅球等塑性敏感元件，對快速變化的動態膛壓存在一定的動態系統誤差，靜態校準方法所測膛壓存在嚴重的動態測量誤差，一般比“真值”要低5% ～30%，因此，國內外都在研究新的校準方法和校準手段［1－4］，國際膛壓塑性測壓正在從靜態校準向動態校準演變，美、英、北約集團等率先采用電測法測壓，用接近真值的動態校準的敏感元件測壓代替靜態校準的塑性測壓，到了20 世紀90 年代初，英、美和北約等已建立了塑性測壓的校準體系，并將其標準化［5－7］。以電測法作為約定真值的比對式動態校準方法，可實現塑性測壓法與電測法測試壓力峰值的互轉，并可通過壓電傳感器溯源到ISO 國際壓力基準。因此，動態校準已被美、英、北約等西方國家普遍采用，是國際膛壓檢測校準技術的發展方向。

圖1 靜態校準原理示意圖

圖2 動態校準原理示意圖

2 國內現狀分析

2.1 塑性測壓靜動態校準方法并存，銅柱及測壓器品種繁雜，壓力數據無可比性

長期以來，我國沿襲前蘇聯的塑性測壓靜態校準方法，針對不同的武器系統使用不同規格的銅柱作為敏感元件，導致現行大部分的武器系統均采用靜態校準銅柱進行產品交驗，柱形銅柱、錐形銅柱多達十種，銅柱測壓器也品種繁多［8－11］。然而，隨著電測技術和國際塑性測壓動態校準技術的發展，靜態校準方法阻礙了我國高性能火炮的設計和研制，制約了兵器產品的進出口。為了仿研美國型號武器，迫使我國進口并仿研了美國的銅球和測壓器，實施動態校準，因此，形成了以靜態校準為主，靜態校準和動態校準并存的局面，導致同一壓力源下出現多種不同的測量結果，膛壓數據無可比性，表1 為我國典型火炮裝藥交驗用測壓器材及校準方法。

表1 我國典型火炮裝藥交驗用測壓器材及校準方法

2.2 動態校準尚未建立計量標準，且高膛壓火炮無動態校準的測壓器材可用

我國實施動態校準的測壓器材僅為仿研美國的銅球和測壓器，其穩定的測壓范圍為100 ～500 MPa，用于以仿研為主的火炮武器，銅球和測壓器沒有計量標準及量傳手段和方法;隨著身管武器向高膛壓高初速的方向發展，為增加威力和射程，越來越多的武器系統采用高能發射裝藥，我國制式火炮彈藥產品的交驗已從膛壓峰值為300 MPa 左右提高到450 ～600 MPa，高膛壓武器系統的峰壓最高可達690 MPa，如125 mm坦克炮等，武器性能提升伴隨著膛壓提高，而我國無動態校準高壓測壓器材，現行的部分高膛壓武器又回到靜態校準的銅柱，如4 mm ×8 mm 靜校銅柱和38 cm3測壓器，其測壓范圍為300 ～600 MPa。武器膛壓越高，動靜差問題越突出，影響了火炮產品的研制和生產。

3 塑性測壓的計量發展思路

針對塑性測壓校準技術的發展趨勢及我國火炮膛壓塑性測壓器材的技術現狀，探討塑性測壓器材及校準技術的發展思路。

3.1 研究測壓范圍為20 ～700 MPa、小型化、規格單一化的銅柱及測壓器

1)敏感元件實施動態校準是塑性測壓的發展趨勢，我國南京理工大學朱明武教授已成功研究了落錘校準裝置，用于對仿研銅球進行動態校準，火炸藥計量一級站［12］也建立了高精度的動態校準裝置，測試系統的不確定度為0.5%，我國塑性測壓實施動態校準已有了一定的技術基礎。

2)簡化銅柱規格、減小測壓器的體積，可通過優化銅柱的直徑、長徑比、質量等，調節測壓器的活塞面積及配合間隙等擴大測壓范圍，可以解決我國上述火炮膛壓塑性測壓的數據無法比較的問題。表1 為北約組織各成員的塑性測壓器［5］，可以看到，北約各成員國使用較少的銅柱或銅球規格，實現較寬的測壓范圍。我國學者［3］也對此進行了理論分析，采用現代設計方法針對φ4 ×8，φ3.5 ×8.75 兩種型號的銅柱進行分析，并縮少測壓活塞面積為0.1cm2，可擴大壓力范圍達20 ～800 MPa，使測壓器小型化，體積＜15 cm3，火炮初步試驗有一定的可行性。因此，應盡快研究定型我國自主創新的塑性測壓動態校準器材，以統一塑性測壓的量值。

表1 北約組織的塑性測壓器

3.2 建立塑性測壓動態校準的計量標準，形成溯源和量值傳遞體系

3.2.1 鑒選標準測壓器件，建立標準壓力對照表

1)通過精選銅材、優化銅柱加工工藝，多批次銅柱加工等措施，使用壓力機加載試驗、落錘校準試驗，研究銅柱熱處理溫度、工藝條件等對銅柱的變形量及一致性的影響，研究銅柱表面強度、堅強性、變形規律及影響因素等，鑒選標準批銅柱。

2)建立高壓模擬裝置，獲得火炮膛內－t 曲線的全過程壓力環境，通過火藥燃氣作為壓力源考核測壓器的抗燒蝕性、密封性、初溫變化，特別是高低溫環境下測壓器的動態測壓性能，防止測壓器在高溫高壓下火藥氣體泄入本體，低溫下活塞不被“抱死”等，將塑性測壓器與電測值進行比對，鑒選動態測壓性能優良的測壓器為標準級測壓器。

3)對標準銅柱及測壓器，研究定值分段范圍、預壓值等，并在測壓范圍內選取9 ～11 個壓力點下進行落錘校準試驗，進行3 ～5 次的系列重復試驗，采用多項式回歸分析，建立變形量與壓力的數學模型，編制20℃、脈寬為6 ms 下的動態校準標準壓力對照表，對一種規格的銅柱(球)和測壓器只編制1 套(2 ～3個)標準壓力對照表;該方法代替我國長期以來的十幾種測壓銅柱和大大小小的測壓器及仿美的銅球和測壓器等所需的多種且每批編一次表的繁亂的狀況，解決了現有靜態校準的系統誤差，可確定并提高塑性測壓動態校準體系的標準測量不確定度，便于計量標準更新、拓寬和計量管理，可與國際膛壓塑性測壓的校準技術發展趨勢接軌。

4)溫度和壓力－時間曲線的脈寬是影響銅柱變形量的主要因素，在不同壓力下每攝氏度引起的誤差約為0.1% ～0.2%，當測壓時環境溫度與編表校準時環境溫度相差數十度時，銅柱測壓將產生5% ～10%的測量誤差;當脈寬在2 ～14 ms 范圍變化時，與脈寬為6 ms 時編表值相比，將產生－3% ～+6%的測量誤差，在脈寬小于6 ms 時，誤差為負，在脈寬大于6 ms 時，誤差為正。為盡可能覆蓋我國火炮系統膛壓曲線的環境溫度和脈寬范圍，提高塑性測壓精度，通過落錘裝置改變溫度和脈寬，研建標準銅柱動態壓力對照表高低溫和脈寬修正模型。

3.2.2 形成動態校準的溯源和量值傳遞體系

1)研建敏感元件量值傳遞的校準裝置，如落錘裝置造壓油缸改造、模擬炮等，研究量值傳遞方法和判據，考核被試批和標準批之間的差異，以確定不同批次的銅球銅柱和測壓器的性能和等級，考核可分敏感元件和測壓器兩類。

2)使用標準的敏感元件(銅球、銅柱)、測壓器及建立的標準壓力對照表對敏感元件進行量值傳遞，同種銅線原材料下同種規格的銅柱銅球不再編表，經考核合格后，直接使用標準壓力對照表;考核使用動態校準的半正弦形落錘裝置，與標準批比對校準，以比較不同批次敏感元件與標準批塑性變形的差異，確定標準壓力對照表的適應性，對敏感元件進行分級，如標準、合格及不合格等。

3)對于測壓器具的動態性能考核，使用高壓(達700 MPa)動態模擬炮裝置，將被考核測壓器與高級別測壓器放置在火藥燃氣藥室的同一截面，進行比對式動態校準，根據考核試驗結果，確定測壓器的等級。該方法對塑性測壓器材進行日常性能考核和分級，無須在藥室身管開電測孔，可降低塑性測壓器材生產考核的成本，操作方便，并與現行靜態校準體系的測壓器考核接軌［13－14］，可實施性強。

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