彈丸卡膛姿態測試系統設計與實現

張　睿，陳衛國，劉　闖

(1. 73111部隊裝備部，福建 廈門　361025； 2.陸軍軍官學院，合肥　230031)

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彈丸卡膛姿態測試系統設計與實現

張睿1，陳衛國2，劉闖2

(1. 73111部隊裝備部，福建 廈門361025； 2.陸軍軍官學院，合肥230031)

摘要：針對彈丸卡膛姿態對火炮射擊精度的影響，分析了彈丸卡膛姿態測試的基本原理，設計了由位敏探測器、光學鏡頭組、抗過載激光器、信號電路等組成的彈丸卡膛姿態測試系統，并進行了系統試驗驗證，試驗結果表明該測試系統具有較高的精度、重復率和線性。

關鍵詞：彈丸卡膛姿態；機械設計；試驗驗證

本文引用格式：張睿，陳衛國，劉闖.彈丸卡膛姿態測試系統設計與實現[J].兵器裝備工程學報，2016(1):27-30.

Citation format:ZHANG Rui, CHEN Wei-guo, LIU Chuang.Design and Implementation of Projectile Attitude Testing System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(1):27-30.

彈丸卡膛姿態是指彈丸卡膛過程中，彈丸軸線和身管軸線夾角的變化，是卡膛位移或時間的函數。火炮初始偏差和炮口初始擾動是造成彈丸落點散布的主要因素，而卡膛姿態則是影響炮口初始擾動的主要原因，彈丸卡膛姿態異常將會對彈藥裝填的安全性和射擊精度產生重大影響[1-3]。因此研究彈丸卡膛姿態是保證彈丸裝填過程和裝填后在高低射角變化時不掉彈(裝填安全性)的保證。

彈丸的慣性卡膛過程屬于瞬態沖擊動力學問題，而且卡膛過程中彈帶與坡膛發生接觸變形又涉及彈塑性接觸力學性能，這就加大了對卡膛過程進行研究的難度[4-5]。目前，關于彈丸卡膛過程的研究報道尚不多見。由于卡膛過程持續時間短且發生在炮膛內，給測量帶來很大的困難。目前，對彈丸在裝填到位時應具有的運動參數還缺乏標準化的研究和實驗數據。由于這些基礎性研究數據的缺乏，使得在進行輸彈系統設計時無科學依據可循，設計品質受到極大制約，而且對火炮整體性能產生負面影響。

綜上所述，彈丸卡膛姿態的測試對于提高人工裝填水平和大口徑火炮裝填系統研制、設計、生產和裝機調試也具有重要的指導意義。

1卡膛姿態測試原理

在彈丸卡膛過程中，由于彈丸與藥室壁的碰撞，軸向運動速度及重力等的作用，姿態在不斷變化，基于這種情況，選用PSD來獲取姿態信息是比較理想的。

PSD是半導體光電位置敏感器件，基本結構是PN結，工作原理是基于橫向光電效應。當光點照射到PSD表面某一點時，由于內光電效應，PSD的信號電極將有相應的電流輸出，面陣PSD的輸出為

(1)

其中：L為PSD中心到信號電極的距離；X為入射光點距y軸的距離；Y為入射光點距x軸的距離；Px，Py為入射光點二維位置信號。

根據式(1)可得

(2)

設彈丸擺動中心為彈丸彈帶起始部，當彈丸的型號一定時，其結構及尺寸都是一定的。假設卡膛位移已知，卡膛位移與姿態角之間有下列關系

(3)

姿態方位角α計算式為

(4)

2卡膛姿態測試系統方案設計

卡膛姿態測試系統主要功能是在大口徑火炮裝填過程中，對卡膛姿態進行測試、采集和處理。主要由位敏探測器、光學鏡頭組、抗過載激光器、信號電路等組成。測試系統組成如圖1所示。

圖1　卡膛姿態測試系統結構示意圖

3系統機械部件設計

3.1光電探測器件的選型

卡膛過程中彈丸運動姿態測試條件非常苛刻，對測量精度和測試響應速度都要求很高。為準確獲取彈載激光發射裝置發出的激光光束位置信息，必須選用響應時間短(μs級)、分辨率高(μm級)的光電探測器件。

通過對不同光電探測器件的性能進行分析和比較，在本測試系統中選取位敏探測器作為激光光束位置信號檢測器件。位敏探測器的主要性能參數有：受光面積、光譜響應范圍、位置檢測誤差、位置分辨率、線性度等。

綜合光敏面尺寸、響應時間、測量精度以及性價比等因素，系統選擇了瑞典SiTek公司的某型二維位敏探測器，該探測器的指標如表1所示。

表1　位敏探測器典型指標

3.2激光光路設計

由于激光位置探測單元的位敏探測器光敏面尺寸只有20 mm×20 mm，同時考慮到位敏探測器的線性區域大約占光敏面尺寸的65%左右，因此，為了保證測試系統的精度，要求采取合適的會聚光路，將測試激光源發出的光束的變化范圍壓縮到13 mm×13 mm。整個激光光學分系統主要由透鏡組、濾光鏡、像屏、成像鏡頭等部件組成，光學分系統組成如圖2所示。

圖2　成像透鏡組的結構

3.3定心機構設計

定心機構由軸桿、旋柄、套筒、套筒支撐、定心裝置、滾輪以及彈簧組成。其中定心裝置由上傘盤、下傘盤、傘骨構成，傘骨圍繞軸桿連接上、下傘盤，隨著下傘盤中的銷軸再傘骨內導槽的前后移動，傘骨張角不斷變化，如圖3所示。

圖3　卡膛姿態測試系統定心機構示意圖

為了保證測試系統總體測量和重復精度，定心裝置傘骨采用6點支承，在傘骨頂點安裝6個滾輪，滾輪與炮膛做滾動摩擦，這樣傘骨可同時隨著炮膛內徑尺寸變化而變化。它能始終與身管軸線保證重合，這樣才能保證測量精度和重復精度。

在進行姿態測試時，沿身管軸線利用定心裝置傘骨前端滾輪將定心結構塞入身管內部，通過旋轉旋柄，推進套筒前進，從而使兩定心機構相互靠近，使得滾輪與膛壁緊密接觸，從而達到定心夾緊的目的。其中套筒支撐起到降低軸桿擾動的作用，有利于提高定位精度。

3.4彈丸引信改造部分設計

彈丸引信改造部分包括激光器、引信體和觸頭。激光器安裝于模擬引信內部并固定，在引信外端固定一觸頭，以便于觸動光柵測量頭,其結構如圖4所示。

圖4　引信改造示意圖

4激光信號處理模塊設計

位敏傳感器直接輸出微弱的電流信號，通常必須先通過電流/電壓變換器將電流信號轉變成電壓信號，再對這些電信號進行加、減、乘、除運算處理才能得到光斑的入射位置。

系統在選擇高速高精度位敏探測器件同時，為保證系統高速可靠，利用模擬器件進行運算，利用數據采集卡進行數據采集的方案實現激光光斑位置探測。信號處理模塊電路如圖5所示。

圖5　二維PSD信號處理電路

5卡膛姿態測試系統試驗驗證

為了驗證系統的精度，對系統進行標定后，進行靜態精度和分辨率試驗。

將激光器固定在高精度位移平臺上，調整位移平臺，使激光器輸出激光水平。調整接收系統，使激光照射到接收系統前端光學會聚透鏡中心，接收系統軸線與激光垂直。打開激光器，保持激光器不動，采集信號。

將彈載激光器固定在位移平臺上，調整位移平臺，使激光器輸出激光水平；調整接收系統，使激光照射到接收系統前端光學會聚透鏡中心，接收系統軸線與激光垂直。打開激光器，分別采集激光器不動和激光器在精密平臺上移動以固定位移后的信號，采集的信號如圖6、圖7和圖8所示。

圖6　位移平臺移動可重復性的實驗結果

圖7　位移平臺移動分辨率實驗結果

圖8　位移平臺移動穩定性實驗結果

由上述圖6～圖8可以得出，系統的可重復性可以達到0.1%以上，分辨率能夠達到0.01 mm以上和系統具有比較好的穩定性。

6結論

在分析卡膛姿態測試基本原理的基礎上，采用模塊化設計理論，設計了由位敏探測器、光學鏡頭組、抗過載激光器、信號電路等組成的卡膛姿態測試系統，通過系統標定試驗、靜態精度和分辨率試驗對系統進行了驗證，試驗結果表明系統的重復性達到0.1%、分辨率達到0.01 mm，同時系統具有較高的穩定性。

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(責任編輯周江川)

【裝備理論與裝備技術】

Design and Implementation of Projectile Attitude Testing System

ZHANG Rui1, CHEN Wei-guo2, LIU Chuang2

(1.The No.73111stTroop of PLA, Xiamen 361025, China; 2.Army Academy, Hefei 230031, China)

Abstract:The projectile attitude has important implications for cannon firing accuracy. This paper studied the basic principles of projectile attitude testing system, designed projectile attitude testing system composed by position-sensitive detectors, optical lens group, anti-overloaded laser, and signal circuits and so on. After testing the system, the experimental results show that it has high precision, repetition rate and linear.

Key words:projectile attitude; machine design; experimental verification

文章編號：1006-0707(2016)01-0027-04

中圖分類號：TJ3

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.006

作者簡介：張睿(1965—)，男，碩士，高級工程師，主要從事火炮裝備維修保障及信息化研究。

收稿日期：2015-07-04；修回日期：2015-07-23