一种声测量弹目偏差的方法研究*

李宗贤,蒋小奇,王凤歌

(1.西北机电工程研究所,陕西咸阳 712099;2.北方重工业集团有限公司,内蒙古包头 014033)

火炮武器综合作战系统最终射击效果的考核指标是毁伤效能,其中密集度和射击精度是被考核的关键指标之一,火炮对空中飞行目标射击时弹丸与目标之间的距离,即弹目偏差[1]测量值则是计算该指标的原始数据.就目前所采用的测量技术而言,雷达可进行实时测量,光学方法需事后处理,它们的优点是无需针对弹丸进行校准和协作目标,属主动式测量方法,对大口径火炮的弹丸来说基本是可行的,而对小口径高炮的弹丸,尤其是小口径、高射速高炮武器系统则存在漏测率高的缺陷.本文通过采用声学空间定位原理测量火炮武器系统对空中飞行目标射击时弹丸与目标之间的矢量距离(简称弹目偏差向量)测试系统的研究,可以解决上述技术存在的问题,为火炮武器系统实现精确打击,考核和评价火炮武器系统的射击密集度和射击精度提供有效测试与试验,达到对目标射击毁伤效能进行快速、准确、科学评估的目的[2].

1 超音速飞行弹丸特征

由空气动力学知,当弹丸以大于局部空间声速飞行时,空气受到扰动而形成疏密变化的压力波,俗称弹头波,弹道上各点弹头波波前和波后的轨迹其形状如一运动圆锥,顶点伴随着声源一起运动,波前圆锥半角u=arcsin(1/Ma)[3],如图1所示,其中PB为砰发点,dB为传感器到砰发点的距离,TF为弹丸N波时间宽度,RB为脱靶距离[4].在弹道上每一点都有一个运动方向和波前成直角并以声速向外传播的压力波,该波在时间轴上呈英文字母“N”的形状,所以又被称为弹丸N波.弹头波的波前称为弹丸N波前沿、波后称为弹丸N波后沿,实际测量的超音速飞行弹丸N波信号如图2所示.经过大量的试验数据分析研究发现,超音速飞行弹丸具有如下特征:弹丸N波的前沿和后沿的斜率(上升时间)、压力幅值(绝对值)基本一致;弹丸N波的前沿与后沿之间的时间差(简称弹丸N波时间宽度)随测量点距弹道线距离的增加而增大;弹丸N波的前沿和后沿的压力幅值随测量点距弹道线距离的增加而减小.实际测量超音速飞行弹丸N波信号与测试距离的关系见表1.

表1 实际测量超音速飞行弹丸N波信号与测试距离的关系Tab.1 Relationship ofm easured real N w ave real signal and m easuring distance

图1 弹头波示意图Fig.1 Schem atic diagram of projectile w arhead

图2 实测弹丸N波信号(距离20.8 m,35 mm弹丸)Fig.2 Realm easurement o f the projectile's N wave signal(distance 20.8 m,35mm projectile)

2 工作原理

基于前面对超音速飞行弹丸N波信号的特征分析,只要通过探测器(安装有激波传感器即N波传感器)能测量到超音速飞行弹丸N波信号,并提取出弹丸N波时间宽度,经过对其弹丸N波时间宽度的相关计算和修正,就可以得到探测器与弹道的最短距离,即弹目偏差,这是声学方法测量弹目偏差的基本原理.当然,也可以通过测量并提取出弹丸N波压力幅值的方法得到弹目偏差.通过理论和实际试验数据分析认为:采用弹丸N波时间宽度为测量参数的测试方法,其测量精度较高,这是因为在实际工程测量时,所测量的弹丸N波时间宽度参数受天气(温度、湿度、气压及风速等)、遮挡物绕射等外部环境因素的影响,远比所测量的弹丸N波压力幅值参数影响小的原因.

火炮对空射击弹目偏差向量测试系统采用空间声定位的测量原理,其工作过程是:为了测量弹目偏差向量,引入了计算上较简单的交汇方法,即通过 4个安装在指示器阵架各自特定位置的N波传感器[6],该N波传感器具有高灵敏度、高频率响应、带有温度和振动补偿及全向接收弹丸激波的性能[7-8],它们分别采集超音速飞行弹丸N波信号,经过放大器、滤波器将弹丸 N波信号预处理后,由N波信号数字处理模块对该N波信号进行信号分析、识别处理,使测试系统具有抑制空中气动和高速飞行平台所产生振动等噪声的能力,最终从复杂的背景噪声中正确提取出弹丸的N波信号信息:首遇或全部4个N波传感器所测弹丸N波的时间宽度TFi,或TF1～TF4和4个N波传感器接收到弹丸N波的时刻t4.为了确定在飞行目标附近弹道方向nb,在指示器阵外增设第5个 N波传感器以提取弹丸N波时间宽度TF5和接收到弹丸N波的时刻t5.上述5个时刻(t1、t2、t3、t4、t5)、两个时间宽度(TFi、TF5)或5个时间宽度(TF1～TF5),再经空中预处理器对其处理后,得出各N波传感器所接收同一发超音速飞行弹丸N波信号的时间差t1～t4或t1～t5和N波时间宽度TFi,通过编码和遥测发射机将这些原始信号数据发向地面接收机.地面接收机将接收的信号数据传输给解调器,地面综合处理中心再利用这些解调器所接收到的时间差及N波时间宽度参数和其它由常规测试或查表得到的参数,代入该测试系统所建立的数学模型中,即可算出弹目偏差向量.

火炮对空射击弹目偏差测量公式

式中:C1、C2为弹丸校准系数,由常规地面校准试验预先得出;MP为空中目标近处的马赫数,由弹丸存数VP除以声速C得出;TFi为N波的时间宽度,i=1～5.

根据被试对象的特征、使用环境、测量范围及测量精度等具体情况,火炮对空射击弹目偏差测试系统可分为以下几种类型:只测量以飞行目标为中心的弹丸偏差量称为简易快速评价弹目偏差测试系统;可以测量以飞行目标为中心并可给出弹丸所处象限的偏差量称为标量弹目偏差测试系统;火炮对空射击弹目偏差向量测试系统则可以给出在以飞行目标某点为中心所建立坐标系中弹丸的矢径.

3 系统组成

火炮对空射击弹目偏差向量测试系统由指示器和地面综合处理中心站两大主要部分组成.其中指示器由N波传感器、N波信号数字处理模块、预处理器和遥测发射机构成;地面综合处理中心站由接收机、解调器及地面信息处理中心构成,如图3所示.

图3 弹目偏差测试系统框图Fig.3 Block diagram of m issd istance test system

指示器安装在空中飞行平台系统上,接收可测量范围内的弹丸N波信号,尤其是通过N波信号数字处理模块要将处于测量距离远端、淹没在强气动背景噪声中的微弱弹丸N波信号正确的提取出来,经预处理器处理得到各N波传感器接收同一发弹丸N波信号的时间差和N波时间宽度,通过遥测发射机将该组原始信号数据发送给地面综合处理中心站.遥测发射、接收系统采用突发遥测数据传输技术,这样可以大幅度提高无线传输数据的可靠性.

地面综合处理中心站主要负责接收从空中发回的测量数据,经过地面接收机和解调器,送入地面信息处理中心,地面信息处理中心再依据所建立的弹目偏差向量数学模型和修正模型及其它由常规测试或查表得到的参数,完成弹目偏差向量的数据解算、显示、输出、网络传送等功能.

由于空中飞行平台系统装有大量的定高、飞行姿态等其它控制装置,而且空间狭小、允许载荷质量有限,所以,在电子元器件、机加件的材料选择和加工工艺均需综合考虑.

4 试验数据

火炮对空射击弹目偏差向量测试系统历经12.7,14.5mm机枪,25,30,35及37 mm火炮等多种类型枪炮的地面和对空射击试验,获取了大量的试验数据.该测试系统每航次试验结束后自动提供全部测试结果(弹序、弹目偏差角、脱靶距离或每组弹的弹目偏差统计值和散布图等),所测数据还可事后再处理.

表2是该测试系统的测量试验数据与真值数据的对比,数据分析结果表明系统测试精度可达测试距离的±5%(1σ).X、Y分别是弹丸在炮手坐标系的偏差值.

表2 试验数据与真值数据的对比Tab.2 Com parison of test data and real data

5 结 论

由试验数据分析可知,火炮对空射击弹目偏差向量测试系统达到了设计指标,可以满足未来火炮武器系统对空射击弹目偏差向量的实时测试要求,起到快速、准确、实时分析、考核、评价和诊断影响武器系统对空射击精度性能的问题,达到迅速解决具体问题的目的,能够有效地减少系统试验次数、缩短产品研制周期;节约大量的人力、物力和试验经费.该测试系统可广泛适应地(舰)对空、空对地(舰)、空对空、地(舰)对地(舰)等各种条件下的射击试验.

[1] 西北机电工程研究所.火炮对空射击弹目偏差向量测试方法与设备:中国,94107406.4[P].1995-11-19.

[2] 李宗贤,康宝.火炮对空射击毁伤效能测试方法研究[C]//中国兵工学会2008学术年会论文集分册.西安:中国兵工学会,2008:78-80.

[3] 肖峰,李惠昌.武器和测量[M].北京:国防工业出版社,2002:84-91.

[4] 张飞猛,马春茂.对空射击声学靶脱靶量测量测试系统的精度分析[J].兵工学报,2000,21(1):23-26.

Zhang Feimeng,Ma Chunmao.Accuracy analysis for themeasuring system of target deviation for p rojectiles shooting an acoustic target[J].Journalof Ordnance,2000,21(1):23-26.(in Chinese)

[5] 西北机电工程研究所.武器对空射击炸目偏差实时测试方法:中国,200610055444.0[P].2008-10-15.

[6] 西北机电工程研究所.一种压电式测量弹丸激波的压力传感器:中国,200610055373.4[P].2009-11-16.

[7] 李宗贤,于雪媛.一种用于测量弹丸激波的传感器[J].传感器技术,2003,22(7):30-32.

Li Zongxian,Yu Xueyuan.A sensor ofmeasuring the pill shock-wave[J].Journal of Transducer Technology,2003,22 (7):30-32.(in Chinese)

[8] Zi Zhenghua,Shi Gengchen.Research on Identifying supersonic projectiles based on shock wave[J].Journal of test and measurement technology,2007,21(2):21-24.