炮口沖擊波超壓無線存儲測試系統設計

劉　帆,杜紅棉*,范錦彪,賴富文,焦耀晗,苗松珍,岳掌寬,閆鵬飛

(1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051;2.中國白城兵器試驗中心,吉林 白城 137001;3.中國人民解放軍第四三二八工廠,山西 長治 046000;4.國網能源新疆準東煤電有限公司,新疆 昌吉 652300;5.長治市公安消防支隊,山西 長治 046000)

炮口沖擊波是各炮口氣流現象中對操作人員和設備危害性最大的一個因素,它對人體的損傷,主要是聽覺器官,嚴重時內臟也將受到損傷[1]。現代戰爭對火炮的綜合性能提出了更高的要求,要求火炮具有更大的威力、更強的機動性和對操作人員及設備的安全性。因此,準確地模擬和測量炮口沖擊波場是進行火炮系統研究過程中一個重要的環節。國內在炮口沖擊流場研究分析上偏重于建模進行數值模擬,進而預測炮口沖擊波場的各點壓力值[2]。而在現場測試中一般采用的是壓力傳感器、二次儀表與瞬態波形記錄儀(或采集卡)組成的引線式測試系統。這種方法存在著布置電纜引線費時費力,且電纜易耦合噪聲進入測試系統等問題[3]。針對炮口流場的特性及測試難點,參考國軍標中對炮口沖擊波測試的要求,研制出一種炮口沖擊波超壓的測試裝置,并通過了靶場火炮射擊測試試驗的驗證。

1　炮口沖擊波特性及測試難點

炮口沖擊波不同于爆炸沖擊波,爆炸沖擊波是能量的瞬間釋放,而炮口沖擊波是能量連續釋放的過程。它是通過與火藥氣體射流的接觸而不斷獲得能量,脫離接觸后的膛口沖擊波依靠自身的壓力與速度繼續向外膨脹,直至衰減為聲波。炮口沖擊波場測試環境跟傳統的自由場或者地面沖擊波的測試環境有所不同,其特點[4]是:(1)高度的瞬變(非定常)性;(2)強烈的方向性;(3)波系結構和相互作用的復雜性。

炮口沖擊波超壓測試,在兵器動態測量中具有頻帶寬,A-持續時間短等特點,給超壓峰值的精確測量帶來一定的困難[5]。其測試難點主要體現在以下幾個方面:(1)國軍標[6]中對火炮射角及射擊發數的都有嚴格的規定,為了快速測量不同編號火炮的炮口沖擊波超壓數據,儀器需便于移動到不同測點來完成測量任務;(2)在進行連發射擊試驗時,要求測試儀器具有多次觸發,記錄多條超壓數據的功能,因此只能測量單次瞬態信號的沖擊波測試儀器已經不能滿足新的測試要求;(3)炮口沖擊波具有時變性和動態性,測試系統需進行動態校準來確保其測量精度。

2　系統方案設計及關鍵技術

2.1　系統結構組成及主要工作原理

測試系統主要是有主控制臺及多個相同的智能傳感器測點(子系統)組成,每個子系統又包括傳感器、電源管理模塊、信號調理電路、A/D轉換器、FPGA控制中心、FLASH存儲器、觸發系統等模塊。在靶場實測時,主控制臺放置在安全距離外的掩體中,智能傳感器測點布設于炮口沖擊波場中。主控制臺通過無線的方式控制智能傳感器測點的工作狀態,根據現場情況進行采樣頻率、放大倍數和觸發方式等參數的設定。測試系統原理框圖如圖1所示。

圖1　測試系統原理框圖

該測試系統主要性能指標如表1所示。

表1　測試系統主要性能指標

2.2　關鍵技術

2.2.1無線傳輸技術

傳統引線式炮口沖擊波測試裝置在試驗時具有布線繁瑣且易引入噪聲、不能快速移動等問題,將基于IEEE802.15.4標準的Zigbee協議無線通信技術引入到存儲測試技術中[7],成功解決了上述問題。測試系統的上下電、參數配置、同步觸發等功能均通過無線操作完成,使裝置在火炮進行不同射角連發射擊試驗中表現出操作簡單、測量效率高等優勢。

2.2.2柔性化觸發策略

根據炮口沖擊波測試特點分析,測試系統采用無線觸發與多次重觸發相結合的柔性化觸發策略?；鹋诓僮鬟^程具有裝彈換藥的間歇性及射擊動作的連續性,屬于多個瞬態信號測試情況[8]。測試系統設定在無線觸發工作狀態時,雖能完成一次有效數據測試,獲取到單次火炮射擊的炮口沖擊波超壓數據,但勢必使記錄裝置記錄許多空閑態,浪費大量存儲空間。結合多次重觸發技術,火炮每發射一枚炮彈,觸發記錄裝置記錄一次,然后轉為待觸發狀態;當火炮再發射一枚炮彈時,再作一次記錄,直到記錄裝置內全部存儲空間被占滿,從而達到利用有效的存儲空間記錄更多的有效信息的目的。

基于多次重觸發技術的存儲測試系統的狀態鏈設計如圖2所示。

圖2　多次重觸發技術的存儲測試系統的狀態鏈

測試系統上電后,主控制臺通過無線的方式給裝置配置觸發電平、采樣頻率等參數,系統進入待觸發狀態。觸發信號到,則進入數據采存狀態,否則保持待觸發狀態。當前信號記錄完成,判斷記錄的波形個數n與要求記錄的波形個數M是否一直,當一致時,則進入信息保持狀態,否則波形計數器加1,返回待觸發狀態,在新的存儲空間內循環等待下一次觸發。直到規定的記錄波形全部記錄完全,系統進入信息保持狀態。圖3所示為系統多次重觸發讀取正弦波圖。

圖3　多次觸發讀取正弦波曲線圖

3　動態校準

為可靠地記錄炮口沖擊波超壓的整個變化過程,選擇PCB公司中高頻特性良好的113A26型壓力傳感器與相應的存儲測試電路構成炮口沖擊波測試系統。傳感器在使用前,必須進行測量超壓范圍內的動態校準[9]。本次校準是在激波管中實施的,根據蘭基涅—胡果尼(Rankine-Hugoniot)方程,入射超壓平臺與波前馬赫數的關系為[10]:

(1)

(2)

式中:ΔP2為激波波前的入射超壓,P0為低壓式氣體初始壓力;Ms為激波波前的馬赫數,Vs=s/t為激波波前的傳播速度,s為兩測速傳感器之間的距離,t為激波經過兩測速傳感器的時間間隔,T1為未擾動時低壓室空氣的溫度。所用激波管如圖4所示。

圖4　激波管的實物圖

典型的階躍響應波形如圖5所示,從時域響應圖計算傳感器的上升時間、超調量、動態靈敏度、諧振頻率等動態指標及頻率特性。傳感器動態校準結果如表2所示。

圖5　階躍響應波形圖

N上升時間tr/μs超調量δ/%自振頻率f/kHz11.0818230.24491.0720.9090939.98493.2730.9090928.89493.2741.0909039.04493.2750.9090929.89493.27

根據相關國軍標的規定,炮口沖擊波測試用傳感器的自振頻率應大于75 kHz,上升時間不大于20 μs,超調量要盡量小[6]。從校準的結果來看,系統所用傳感器滿足國軍標中關于炮口沖擊波超壓測試的要求。

圖6　測點布設圖

4　現場試驗及數據分析

為了評估炮口沖擊波無線存儲測試系統的可靠性,進行了某型號車載炮的炮口沖擊波超壓測試試驗,火炮射擊角度為35°。參考國軍標對炮口沖擊波測試的測點布設要求[6,11],我們選取了兩套測試裝置進行了對比實驗,傳感器的敏感面均朝上,安裝距地高度分別為1.58 m和1.9 m,安裝角度分別在+135°和-135°線上。分別進行了兩次試驗,這樣就可以測量不同高度和距離下炮口沖擊波的傳播規律。試驗測點布設情況如圖6所示。測試現場如圖7所示?；鹋谏鋼羟?主控制臺通過無線給各測點進行增益、采樣頻率、觸發方式等參數的配置;射擊結束后回收裝置讀取數據。

圖7　測試現場

圖8所示分別為10 m、7.5 m、5 m處炮口沖擊波超壓曲線,其中10 m超壓曲線是在無線觸發狀態下獲取的,7.5 m和5 m超壓曲線是在多次重觸發下獲取的。試驗結果數據統計表如表3所示。

圖8　實測炮口沖擊波超壓曲線

由試驗結果分析可知,(1)超壓曲線有3個峰值,第1個是炮口沖擊波,第2、3個峰值可能是二次焰沖擊波或是地面反射沖擊波;(2)炮口沖擊波測試中A-持續時間隨測點距離的增加遞增,B-持續時間隨測點距離的增加遞減。

表3　炮口沖擊波試驗數據記錄

試驗結果很好的反映出火炮發射過程中的二次焰現象,以及炮口沖擊波的傳播規律。為火炮射擊中操作人員和設備的防護提供了數據支持。

5　結語

炮口沖擊波無線存儲測試系統經過激波管動態校準,確保了測量的精度;引入無線傳輸技術,發揮了無線技術的優勢,減小了試驗操作的工作量,提高了測試效率;無線觸發與多次重觸發相結合的柔性化觸發策略的運用,滿足了炮口沖擊波測試的特殊要求?？傊?該測試系統穩定、操作簡單、適用性高、數據完整、可信度高,是一套成功、實用的測試系統,在測試領域具有很好的發展前景和推廣價值。

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劉帆(1988-),男,湖北省孝感市人,中北大學碩士研究生,主要研究方向為動態測試與智能儀器,liufan1988@163.com;

杜紅棉(1977-),女,遼寧省錦州市人,中北大學副教授。主要從事爆炸沖擊波測試技術等方面的研究,duhongmian@nuc.edu.cn;

范錦彪(1974-),男,中北大學副教授,研究方向為高g值加速度計校準及高沖擊測試技術,fanjinbiao@nuc.edu.cn;

苗松珍(1984-),女,中國人民解放軍第四三二八工廠助理工程師。主要研究方向為通信導航、雷達測試等,610760025@qq.com。