电磁轨道炮速度测量方法研究

牛颖蓓

(中国电子科技集团公司第27研究所，河南 郑州 450007)

电磁发射器是以人们追求高速度推进物体的需求为动力而发展起来的。它是全部或部分地利用电能为射弹提供推力的一类新型超高速发射装置，主要包括导轨型电磁发射器和线圈型发射器，其中导轨型电磁发射器又称为电磁轨道炮[1]。

电磁轨道炮利用电磁力做功作为发射能，不会产生强大的冲击波和浓密的烟雾，因此具有很好的隐蔽性；电磁轨道炮可根据目标的性质和距离来调节、选择恰当的能量，调整弹丸的射程，效率很高；电磁轨道炮弹丸体积小、质量小，使其在飞行时的空气阻力很小。所以电磁轨道炮发射稳定性好、射程远、速度快、杀伤力大；射击无烟雾、无炮口火焰；射程调整方便，不受推进剂原料的影响；电能可用任何初级能源来产生等。因此，在未来武器系统的发展计划中已成为越来越重要的部分。而电磁轨道炮发射弹丸的速度测量为进一步评估电磁轨道炮发射性能具有指导意义。

1 工作原理和基本结构

电磁轨道炮的基本原理是电磁学中的安培定律：在磁场中运动的载流导体会受到洛仑兹力的作用而被推动前进。

电磁轨道炮试验装置主要由大电流宽脉冲电源、电磁轨道发射器、被发射物、发射控制系统构成，组成框图如图1所示。

其中，大功率脉冲电源为电磁发射提供优化的脉冲电流；电磁轨道发射器接收强电流脉冲，完成有效载荷的发射；电磁轨道炮有效载荷采用固体电枢，固体电枢具有电阻小、电枢压降低、设计简单、无烧蚀阻力等优点。发射系统控制装置完成试验设备的参数设置、控制与监测，并完成试验数据的处理。

2 速度测量系统

测量方法按测量原理可分为3类，即瞬时速度测量法、平均速度测量法和多普勒原理测量法。根据电磁轨道炮有效载荷采用固体电枢的特点，因此采用基于网靶、光幕靶、阴影照相3种系统的平均速度测量法。平均速度测量法[2]，即首先测定弹道上某一段的长度Δx，而后测出物体通过该弹道段所需的时间Δt，然后用平均速度公式v=Δx/Δt，计算出物体在弹道段Δx的平均速度。

根据速度测量公式[3]：

(1)

根据间接测量极限误差公式：

(2)

则有:

(3)

式中：l为两站间距；v为弹丸速度；δllim为测量距离误差；δΔtlim为测量时间误差。

可以看出影响精度的因素包括Δl、Δt，同时速度越高，相对误差越大。上述计算中考虑的是产生相对误差的极限情况,实际速度测量相对误差比极限值小。

2．1 网靶速度测量系统

网靶速度测量系统总体组成框图如图2所示。在这个组成框图中，CPU采用工控机，它与数据采集卡通过PCI总线连接。数据采集卡通过断靶检测板与网靶连接，用数字量的输出来显示网靶通断状态的时间差值，得出所需要的数据[4]。

弹体的中心线应与弹道方向吻合或者平行，这样弹丸出膛后以弹头在前弹尾在后的姿态高速射击目标。由于弹丸姿态变化受靶丝粗细缠绕影响，因此网靶采用细线靶丝缠绕。

2．2 光幕靶速度测量系统

光幕靶速度测量工作系统原理如图3所示，发射端的激光发射器产生扇形激光束，经柱镜发散为扇形片光后，再经过凸透镜会聚，变换为平行光幕垂直穿过试验装置轴线，穿过轴线后光幕被凸透镜聚焦，焦点位于光电二极管的吸收面上，光电二极管将光信号转化为电信号。当弹丸穿过光幕时，透过遮挡部分激光束，导致光电二极管吸收的激光通量减少，使光电二极管产生的电信号同样也减小，电信号经过放大器放大后输出信号[5]。

光幕靶进行弹丸探测，产生弹丸穿越光电靶的时间信号，采用高速A/D卡进行时间点识别和时间间隔测量，从而获得弹丸通过一定距离的时间。距离的测量采用标尺比对法。最终通过软件计算得到弹丸发射初速。

2．3 阴影照相速度测量系统

靶道阴影照相是目前针对高速和超高速飞行弹丸的弹道性能、空间飞行姿态、速度等参数的一种重要的非接触测量手段。靶道阴影照相的目的是为了能较好地观察弹丸在照相时刻的质心坐标和飞行姿态以及不同时刻的速度变化,在靶道基准系统的配合下,完成弹丸空间和时间量的测量。阴影照相速度测量系统组成如图4所示。

高速CCD相机通过网线连接相机控制器，其相机控制器控制相机的参数和触发形式。参数的设置主要包括采集的帧频、曝光量、ROI及延时控制。数据由采集卡进行转换并传输给相机控制器，控制器实时显示采集到的，并可以存储记录数据方便以后进行处理。

照相结束后,将弹丸阴影从相机控制器传输至工控机中，用于试验后分析弹丸运动姿态、移动距离及速度等弹道参数。根据得到的特征点坐标和弹丸特征点像素坐标，可以得出弹丸在两次闪光时间间隔内的运动位移，从而计算出弹丸速度。

3 试验结果和分析

3．1 基于网靶和光幕靶速度的测量

在电枢质量为6 g,电源能量为20.25 kJ，单轨道长度2 m的条件下进行电磁发射试验。采用网靶和光幕靶系统同时进行速度测量。

采用网靶测量系统,网靶间距设为500 mm,靶距误差控制在-2～+2 mm。得到如图5(a)所示时间间隔Δt为477 μs，根据式(1)采用软件计算测量速度为1 048 m/s。根据式(3)可计算出网靶的相对误差约为2‰。

采用光幕靶测量系统。弹体中心线与光幕垂直，光靶间距设为1 000 mm,靶距误差控制在-1～+1mm。得到如图5(b)所示时间间隔Δt为953 μs，根据式(1)采用软件计算测量速度为1 049 m/s。根据式(3)可计算出光靶的相对误差为约为1.25‰。

3．2 基于光靶和靶道阴影照相的速度测量

在电枢质量7 g，电源能量为16.2 kJ，串联增强1 m导轨炮的条件下，采用光幕靶和靶道阴影照相测量系统同时进行速度测量。

采用光靶测量系统。光靶间距设为1 000 mm,靶距误差控制在-1～+1 mm。弹体中心线与光幕垂直，得到如图6(a)所示时间间隔Δt为1 834 μs，根据式(1)采用软件计算测量速度为545.3 m/s。根据式(3)可计算出光靶的相对误差为约为0.75‰。

采用靶道阴影照相测量系统。使用6 000万像素的高分辨率CCD，得到弹丸在两次闪光时间间隔Δt为529 μs，运动位移为285.7 mm。根据式(1)采用软件计算测量速度为540 m/s，图6(b)中弹丸利用矢量迭代算法计算出实际误差为1.76 mm。根据公式(3)可计算出靶道阴影照相测量的相对误差约为1%。

4 结 论

通过对电磁轨道炮速度测量系统设计与试验分析，可得到如下结论：

1)网靶测速是一种接触式测量。网靶在每次试验前需重新绕制，重复性差；试验时需选取较细靶丝以减小弹丸射向姿态的偏移；绕制靶网比较紧时，测试精度和测试结果相对误差比较小。网靶测速造价低，是比较经济实用的一种测量系统。

2)靶道阴影照相测速是一种非接触式测量。必须预先估计弹丸的速度范围，合理设置曝光延时，否则无法捕捉到弹丸图像。高分辨率CCD像素的选取决定了测速精度。该方法比较直观，再现高速发射过程，主要用于试验后分析弹丸运动姿态、移动距离及速度等弹道参数。

3)光幕靶测速是一种基于光电转换原理的非接触式测量。其测量误差与网靶和靶道阴影照相相比较小。试验后可根据波形来分析弹丸大小和速度，具有精度高、测量重复性好等优点。在电磁轨道炮发射试验中是应用最多的一种测量方式。

[1] 埃斯特里·马歇尔·理查德,王莹.电磁轨道炮的科学与技术[M].北京:兵器工业出版社,2006:23-31.

RICHARD A M, WANG Ying. Science and technology of railguns[M]. Beijing:The Publishing House of Ordnance Industry, 2006:23-31. (in Chinese)

[2] 刘世平.弹丸速度测量与数据处理[M].北京:兵器工业出版社,1994:30-85.

LIU Shi-ping.Measurement of bullet velocity and data processing[M].Beijing:The Publishing House of Ordnance Industry,1994:30-85. (in Chinese)

[3] 张启人.测定值计算基础[M].北京:科学出版社,1965:201-285.

ZHANG Qi-ren. Determination of calculation base[M] Beijing: Science Press,1965:201-285. (in Chinese)

[4] 牛颖蓓,曾碧能,宋耀东,等.基于PCI-1714UL数据采集卡的测速系统设计[J].电光系统,2009(2):35-38.

NIU Ying-bei,ZENG Bi-neng,SONG Yao-dong,et al.Development of velocity measurement system based on high speed Data acquisition Card PCI-1714UL[J].Electronic and Elctro-optical System,2009(2):35-38.(in Chinese)

[5] 牛颖蓓,丁成义,任立恒,等.一种基于光幕靶速度测量系统的设计及其测量精度的分析[J].电光系统,2009(3):12-16.

NIU Ying-bei,DING Cheng-yi,REN Li-heng,et al.A light screen velocity measuring system based on the design and analysis of measurement precision[J]. Electronic and Elctro-optical System,2009(3):12-16. (in Chinese)