火炮發射過程中的彈丸過載測試方法

趙煜華，閆光虎，梁 磊，劉 毅，嚴文榮，肖 霞

(西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

現代火炮面臨高初速、大威力的作戰需求，隨著各種高能發射藥、高能量密度裝藥技術在現代高性能火炮中的應用，彈丸在膛內發射過程中面臨高壓、高溫、高過載的惡劣環境，尤其是彈丸所受到的膛內過載過大或者過小都有可能影響引信機構在發射過程中的可靠性，進而影響火炮發射過程的安全性。因此，測試彈丸在膛內的過載對于引信設計、強度校核、故障分析而言是重要的試驗依據，是研究火炮發射安全性的一項重要研究內容[1]。由于身管的遮蔽，使得膛內彈丸的運動過載等參數的測量成為研究彈丸發射動力學過程中的一個測試難題。當前測量彈丸膛內過載的主要方法有：1)采用彈載傳感器直接測試法[2-8]，該方法需要修正加速度效應對傳感器測試精度的影響，且由于高速彈丸的無損回收難度大，單次試驗后傳感器往往損壞，試驗成本高昂。2)通過測試膛內壓力換算彈丸過載[9-10]，該方法需要對基于膛內壓力換算的彈丸引信過載數據進行處理和修正，計算過程復雜且比直接測試法精度低。本文針對現有彈丸膛內過載測試方法存在測試精度低、測試過程復雜且成本高昂等問題，提出了采用微波干涉儀的火炮發射過程彈丸膛內過載測試方法[11]。

1 微波干涉儀

微波干涉儀的工作原理如圖1所示。圖1中，被測物體(彈丸)運動過程中，微波干涉儀內的微波信號發生器及天線持續進行微波信號的發射與接收。發射出的信號經過反射板反射進身管；當彈丸前端面接觸微波信號后，又將其反射至反射板，繼而由反射板再次反射給微波干涉儀；微波干涉儀將接收到的微波信號進行混頻濾波后，得到含有彈丸運動信息的微波干涉信號，即一組多普勒信號。

圖1 微波干涉儀的工作原理Fig.1 Principle of microwave interferometer

通過對所測微波干涉信號進行分析，測得對應的頻率，根據多普勒原理完成彈丸速度計算，得到彈丸運動速度時間曲線，進而處理出彈丸所受過載曲線。

2 基于微波干涉儀的彈丸膛內過載測試系統及方法

基于微波干涉儀的彈丸膛內過載測試方法，其測試系統如圖2所示。

圖2 彈丸膛內過載測試系統圖Fig.2 Sketch of projectile’s overload testing system

將火炮、壓力傳感器、數據采集處理系統、光電測速靶、反射板放置于圖2中所述位置。反射板的材質采用錫箔紙，用支架固定在炮口前方。將微波干涉儀架設于炮口側后方，微波干涉儀與身管的夾角約為20°～30°之間，將微波干涉儀前端面中心與反射板中心及身管軸線調整在同一水平線，調節反射板與微波干涉儀的角度，使微波干涉儀發出的信號能經反射板反射進入身管。將數據采集處理系統和微波干涉儀連接至同步觸發器，使得兩部設備測試的數據在時間軸上同步。在火炮射擊試驗中，微波干涉儀測試彈丸在膛內運動中反射的微波信號，并根據多普勒原理計算彈丸速度，計算公式如下：

(1)

式(1)中，f1為微波干涉儀發射系統的微波頻率，Hz；f2為經彈丸反射后微波干涉儀接收系統接收到的微波頻率，Hz；λ0為微波干涉儀發出微波的波長，m；v為彈丸在膛內的運動速度，m·s-1。

對得到的彈丸膛內速度時間曲線(v-t)進行微分處理后可得到彈丸膛內過載時間曲線。

3 實驗驗證

基于30 mm高壓滑膛炮開展了彈丸膛內過載測試試驗，彈重為200 g，裝藥量185 g，行程2 085 mm，次要功系數為1.05。試驗中采用瑞士Kistler公司的6213B型壓電壓力傳感器、奧地利德維創公司的DEWE-2010型數據采集儀進行壓力測試，采用中北大學研制的IM-W95型微波干涉儀(波長為3 mm、頻率為95 GHz)進行彈丸膛內運動參數測試，采用中北大學研制的同步觸發系統(同步精度1 μs)對壓力測試系統和微波干涉儀進行時間上同步觸發，采用光電測速靶測試彈丸炮口初速。試驗中測試的內彈道結果如表1所示。

表1 內彈道試驗結果

由于光電測速靶測得的初速為炮口前方10 m處的速度(即V10)，需采用如下公式進行初速修正：

ΔV=[(i43×d2/m)×103×Xcp/ΔD(Vcp)]×10

(2)

式(2)中，i43為彈形系數，取4.0；d為彈徑，取0.03 m；m為彈重，kg；Xcp為測速靶距炮口距離，10 m；ΔD(Vcp)為相應初速修正系數，依據GJB2179-94《炮用發射藥與裝藥內彈道試驗方法》此處為60。

將上述參數代入公式(2)計算可得，ΔV=30 m·s-1，即修正到炮口的彈丸初速為1 377.3 m·s-1。

微波干涉儀測試獲得的彈丸膛內運動多普勒信號如圖3所示。

圖3 彈丸膛內運動多普勒信號Fig.3 Doppler signal curve of projectile’s movement in bore

將圖3所示的彈丸膛內運動多普勒信號進行處理，獲得的彈丸在膛內運動的速度時間曲線、位移時間曲線，如圖4所示。

圖4 L-t曲線和V-t曲線Fig.4 L-t and V-t curves

由圖4可知，彈丸出炮口時間約為2.96 ms，彈丸行程約為2 085 mm，出炮口的速度約為1 380.3 m·s-1，相對于光電測速靶修正到炮口的初速測試誤差約為0.22%，表明微波干涉儀測試具有較高的測試精度。

測試的膛底壓力pt、坡膛壓力p0、炮口壓力pg曲線如圖5所示。由圖5膛底pt和炮口pg壓力曲線綜合分析可知，彈丸出炮口時間大約為2.965 ms，與其相比微波干涉儀測試獲得的出炮口時間測試誤差為0.17%。

對圖4所示的彈丸速度曲線進行微分計算可得到彈丸的膛內過載隨時間變化曲線，并與采用圖5中的膛底壓力數據按照文獻[9]中的方法計算的膛內過載曲線作對比，如下圖6所示。

圖5 膛內p-t曲線Fig.5 p-t curves in bore

圖6 彈丸膛內過載曲線Fig.6 Overload curves of projectile in bore

從圖6可以看出，基于壓力測試及內彈道理論計算出的火炮膛內過載最大值為90 393g，對應的時間約為1.43 ms，該時刻的膛底壓力值為371.58 MPa，為膛底壓力曲線的最大值。結合文獻[9]和圖6結果可知，基于壓力測試計算的膛內過載曲線依賴于測試的膛底壓力曲線，其變化趨勢與膛底壓力曲線一致；且由于在計算過程中用到了拉格朗日假設，認為彈后空間的混合氣體密度均勻分布。在該假設基礎上推導出的彈后空間壓力分布與火炮膛內實際火藥燃氣壓力分布存在差異，因而基于該方法獲得的彈丸膛內過載曲線與實際值存在一定誤差。綜合表1和圖4、圖5中的數據可知，基于微波干涉儀測試獲得的彈丸炮口速度與光電測速靶修正到炮口的初速測試誤差約為0.22%，與基于壓電壓力測試的彈丸膛內運動時間測試誤差為0.17%，表明微波干涉儀獲得的彈丸在膛內的運動參數接近彈丸在膛內的實際運動狀態，因而由微波干涉儀測試獲得的V-t曲線微分獲得的彈丸膛內過載曲線相較于基于壓力測試計算的膛內過載曲線而言，準確度更高，更接近彈丸在膛內運動過程中實際受到的過載。從圖6可以看出基于微波干涉儀測試法獲得的彈丸膛內過載為86 733g，對應時間約為1.37 ms，比基于壓力測試計算獲得的最大過載時間提前0.6 ms，最大過載值小3 660g，且在過載曲線上升段(0.205～1.223 ms)，微波干涉儀測試的彈丸膛內過載值均要高于壓力測試計算值。試驗結果表明，基于微波干涉儀測試獲得的膛內過載數據可以為彈丸設計、引信及制導彈藥的電子元器件的抗過載研究等提供了更為準確和可靠的基礎數據支撐。

采用本文建立的彈丸膛內過載測試方法，在彈丸內部放入被試樣品如推進劑藥柱等，采用軟回收裝置對射擊后的彈丸進行無損回收，并對承受高過載沖擊后的被試樣品進行性能檢測，可獲得被試樣品的抗過載性能數據。因而本文建立的彈丸膛內過載測試方法也可為火炸藥的抗過載研究提供加載測試及驗證技術手段。

4 結論

本文提出了基于微波干涉儀的火炮發射過程彈丸膛內過載測試方法。該方法采用微波干涉儀對彈丸膛內運動的微波多普勒信號進行分析處理獲得彈丸膛內過載。試驗結果表明，本文提出的彈丸膛內過載測試方法精度較高，且成本低廉、測試過程簡單，實現了無損測試；本文建立的彈丸膛內過載測試方法，能有效獲得彈丸在火炮發射過程中的過載數據，可為引信及制導彈藥的電子元器件抗過載設計提供更為準確和可靠的基礎數據支撐，也為火炸藥等的抗過載研究提供了加載測試技術手段。