弹丸出炮口时间测试方法研究

王宝元，钞红晓，邵小军，张鹏飞，曹馨，洪丽娜

(西北机电工程研究所，陕西咸阳712099)

弹丸出炮口时刻的时间参数在火炮动力学分析、实验测试等研究领域有着重要的作用，研究火炮结构振动影响其射击精度时，必然涉及到弹丸出炮口时间，研究弹丸膛内运动规律需要弹丸出炮口时间，研究炮口振动影响弹丸起始扰动需要弹丸出炮口时间［1－4］。弹丸出炮口时间可以采用内弹道计算方式得到，也可以采用实验测试方式得到，但实验测试更具有实际指导意义。

为了得到弹丸出炮口时刻的时间参数，人们先后提出了高速摄影法、靶丝通断法、光电法和后坐位移法等。靶丝通断法和光电法由于方法简单、容易实现，多年来一直是人们首选采用的时间参数测试方法，在火炮参数测试领域已应用多年，发挥了较积极的作用。随着火炮测试技术的深入研究和火炮动态参数的精确测量，传统的靶丝通断法和光电法时间测量误差大小就受到人们的高度重视。弹丸出炮口时刻，是弹丸碰断靶丝，还是高速火药气体吹断靶丝?光电法形成的脉冲曲线中，曲线起始点是弹丸出炮口时刻，还是曲线最大值点是弹丸出炮口时刻?由于测试技术的限制，目前还没有见到相关测试结果的公开报道。

由于上述方法的工作原理不同，由此得到的弹丸出炮口时间也出现数值上的差异。哪种方法能更准确反映弹丸出炮口时刻、不同方法之间差异如何?为回答上述问题，特进行弹丸出炮口时间实验方法研究。

本文以小口径火炮为实验对象，采用高速摄影法、靶丝通断法、光电法和后坐位移法等4 种方法，开展弹丸出炮口时刻的时间参数测试方法研究，用4 种方法同时测试同一发弹丸出炮口时间，用同一台数据采集系统采集4 种信号，这样，就将4 种信号的时间坐标统一了，以便相互对比。由于高速摄影法能清晰地观察到弹丸出炮口的高速运动过程，又有很高的时间分辨率，因此，以高速摄影法得到的时间曲线为时间基准，将其余3 种方法得到的时间曲线与之对比，分析每一种方法弹丸出炮口的准确时间。

弹丸出炮口时刻的时间参数测试文献报道很少。文献［5］涉及到了弹丸出炮口时间参数，但没有给出炮口时间的测试方法。目前，国外在弹丸出炮口时间测试技术方面，主要采用高速数字摄影法、光电法、光幕法、天幕法、声学法等。文献［6］采用炮口压力传感器记录弹丸离开炮口时间，但没有介绍时间测量机理，这种方法也存在靶丝通断法和光电法的缺陷。文献［7］在炮口外表面粘贴电阻应变片，当弹丸通过炮口时，该位置出现膨胀而应变信号会出现突变，以此特征给出弹丸离开炮口时间，这种方法容易受到应力波的干扰。国外在炮口固定炮口靶，用线圈感应弹丸出炮口时间，及时为火控系统和弹丸引信装定提供时间信息，以此提高火炮射击精度，取得了很好的效果，但在靶场常规测试中，这种方法通用性受到限制。

1 测试原理

所谓弹丸出炮口时间，就是火炮射击时，弹丸的弹带离开炮口时刻的时间。时间测试基准可以是火炮击发时刻，也可以是数据采集系统的触发时刻。弹丸出炮口时间测试方法研究，就是用同一台数采同时记录4 种原理传感器感知的同一发弹丸出炮口时间信号，分析各方法的差异，指出形成差异的原因，以及4 种方法如何正确使用。

1.1 高速摄影法

如图1所示，火炮射击前，在炮口侧面合适位置布置一台高速数字摄像机，视场对准炮口。火炮射击，弹丸经过膛内运动、离开炮口及后效期过程。采用后触发方式，启动高速数字摄像机，记录存储弹丸离开炮口过程影像资料。经过后续图像处理，确定弹带离开炮口时刻t1(如图2所示)，定义此时刻为弹丸离开炮口时间。高速数字摄像机触发时刻tT定义为弹丸离开炮口时刻的时间基准，也是弹丸出炮口时间实验方法的时间基准。因为高速图像可以为人们提供清晰的弹丸出炮口连续过程资料，是确定时间的依据。根据上述定义建立时间坐标轴，如图3所示，t1时刻为时间轴原点，左边时间为负值，表示先于弹丸出炮口时刻。在本文实验中，高速数字摄像测试参数取为，分辨率800 像素×200 像素时拍摄速率为4 ×104帧/s.白天晴朗时，拍摄速率可以达到10 ×104帧/s.

图1 高速摄影法测时间示意图Fig.1 Sketch of high－speed photography

图2 高速摄影法触发时间信号曲线示意图Fig.2 Trigger signal of high－speed photography

图3 时间坐标轴示意图Fig.3 Time coordinate

1.2 靶丝通断法

如图4所示，火炮射击前，在炮口端面中心位置布置一根靶丝，该靶丝为多芯铜丝导线，导线直径为2 mm，在铜丝两端加一直流电压。火炮射击时，弹丸在膛内运动。当弹头快接触该铜丝时，该铜丝要么被高速火药气流吹断，要么被弹头冲断，铜丝两端电压信号发生突变，电压由铜丝未断开前的U2突降为0，以此判断弹丸出炮口时间。该方法简单易行，是一种传统的时间测试方法。图4中，E 为电源，R为负载。参考图5，t2为铜丝断开时刻，则靶丝通断法得到的弹丸出炮口时间t'2(相对于铜丝断开时刻)为

若t'2＞0，则表示弹丸出炮口时间发生在铜丝断开之后。

图4 靶丝通断法测时间原理示意图Fig.4 Sketch of on－off target method

图5 靶丝通断法时间信号曲线示意图Fig.5 Time signal of on－off target method

1.3 光电法

火炮射击前，在炮口附近布置一个光电传感器，传感器视场对准炮口。火炮发射时，弹丸出炮口时刻出现炮口火焰，炮口的背景光发生显著变化，由此引起光电传感器输出电信号也发生显著变化，以此来判断弹丸出炮口时间。图6中，t3时刻出现炮口火焰，光电传感器输出电压出现突变。t3为光电传感器输出电信号发生显著变化的起点时刻，则光电法得到的弹丸出炮口时间t'3(相对于t3时刻)为

若t'3＞0，则表示弹丸出炮口时间在光电传感器输出电信号显著变化起点时刻之后。

1.4 后坐位移法

图6 光电法时间信号曲线示意图Fig.6 Time signal of photoelectric method

火炮射击前，在火炮结构上固定拉杆位移传感器，传感器不动结构固定在摇架上，活动结构与后坐部分连接，测量火炮后坐部分位移随时间变化曲线，根据该位移曲线特征点对应的时间确定弹丸出炮口时间。火炮一击发，炮膛合力推动后坐部分向后运动，后坐位移曲线开始偏离静平衡位置，以偏离静平衡位置起始点对应时间再考虑弹丸膛内运动时间，就可以确定弹丸出炮口时间。在图7中，t5为火炮后坐部分开始后坐时刻，t4为弹丸出炮口时刻(相对于高速摄像信号触发时刻)。后坐位移法得到的弹丸出炮口时间t'4(相对于火炮后坐部分开始后坐时刻)为

图7 后坐位移法时间信号曲线示意图Fig.7 Time signal of recoil displacement method

如果没有高速摄影法作为参考，而靶丝通断法、光电法和后坐位移法单独使用时，首先要找到铜丝断开或光电传感器开始触发时刻到弹丸出炮口时刻的间隔时间，然后利用测试曲线特征点即可得到弹丸出炮口时间。如果仅仅采用后坐位移法测量弹丸出炮口时间，设弹丸膛内运动时间为Δt4，则弹丸出炮口时间t'4为

1.5 测试步骤

采用高速摄影法、靶丝通断法、光电法和后坐位移法4 种方法进行弹丸出炮口时间测试，其步骤为:

1)将4 种测试系统同时布置在火炮特定测试位置，同一台数据采集器分别与4 种测试系统相连。

2)火炮射击，弹丸离开炮口，4 种测试系统同时感知同一发弹丸出炮口时间信号。

3)采集、记录、处理和分析4 种时间信号，以数据采集系统采集触发时间为时间坐标，以高速摄影法信号确定弹丸出炮口准确时间。

4)在相同时间坐标系下，确定其他3 种方法时间与高速摄影法时间的相对关系、以及时间差。

2 测试结果与分析

经过火炮射击实验，采用高速摄影法、靶丝通断法、光电法和后坐位移法等4 种方法，分别得到了弹丸出炮口时间，其实验测试结果如表1和图8所示。图8为采用4 种方法测量得到的同一发弹丸射击时间特征曲线。图9为4 种方法特征曲线的展开表示形式，可以看出每条曲线的变化细节，图中的长竖线是用高速摄影确定的弹丸出炮口时刻，也就是通过处理弹丸出炮口过程高速图像，观察到弹带刚离开炮口的时刻。

图8 弹丸离开炮口时间曲线(完整曲线)Fig.8 Time curve of leaving muzzle

表1中的时间基准用高速摄影结果给出，弹带离开炮口时刻，高速摄影时间定义为0 ms，弹丸出炮口前的时间就为负值。结果表明，根据弹丸结构尺寸和弹丸速度参数，弹带离开炮口前0.396 ms，通断靶丝已断开。因此，可以认为，通断靶丝是被高速燃气流吹断，或由于激波引起断开，而不是被弹头碰断的。

图9 弹丸离开炮口时间曲线(展开曲线)Fig.9 Expanded time curve of projectile leaving muzzle

表1 4 种方法时间测试误差结果对比Tab.1 Tested time errors of four methods ms

从表1光电法结果及曲线处理可以看出，弹带离开炮口前0.392 ms，漏出的炮口高温火药气体已触发了光电传感器。弹带离开炮口后2.468 ms，光电传感器输出信号有最大值。

弹丸在膛内刚一启动，身管就开始后坐，身管从开始后坐到弹丸出炮口，其时间与弹丸膛内运动时间基本相同。从表1可以看出，弹丸出炮口前5.561 ms，后坐部分已开始后坐。

由于高速摄影法拍摄速率为4 ×104帧/s.时间精度为0.025 ms，其余3 种方法数据采样率为500 kHz，其时间精度为0.002 ms.因此，测试方法时间精度能满足要求。

3 结论

1)高速摄影法、靶丝通断法、光电法和后坐位移法等4 种方法中，确定弹丸出炮口时刻，高速摄影法最准确，是弹丸出炮口时间测试的首选方法，其次是靶丝通断法和光电法，后坐位移法次之。

2)弹带离开炮口前0.396 ms，通断靶丝已断开，通断靶丝是被高速燃气流吹断，或由于激波引起断开，而不是被弹头碰断的。

3)弹带离开炮口前0.392 ms，漏出的炮口高温火药气体已触发了光电传感器。弹带离开炮口后约2.468 ms，光电传感器输出信号有最大值，最大值出现的时刻分散性较大。用曲线起始拐点作为弹丸出炮口参考点精度较高，认为光电传感器以曲线起始拐点作为弹丸出炮口参考点较合理。

采用通断靶丝法和光电法得到的炮口时间，还应分别增加一个时间差值，才是准确的时间结果。

4)弹丸在膛内刚一启动，身管就开始后坐，身管从开始后坐到弹丸出炮口，其时间与弹丸膛内运动时间基本相同。因此，用后坐位移法，弹丸出炮口时间为身管开始后坐时刻加弹丸膛内运动时间。

致谢 朱德发、郭旻、周大铮、衡刚为论文的完成付出了辛勤的劳动，在此表示感谢。

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