大口径火炮弹丸卡膛速度测试方法研究

高 瑞， 曹 馨， 杜文斌， 李世立， 焦 波

(西北机电工程研究所， 陕西 咸阳 712099)

大口径火炮弹丸卡膛速度测试方法研究

高 瑞， 曹 馨， 杜文斌， 李世立， 焦 波

(西北机电工程研究所， 陕西 咸阳 712099)

本文介绍了几种大口径火炮弹丸卡膛速度的实用测试方法， 包括钢丝测速仪测量法、 激光测振仪测量法及高速摄像测量法等3种方法. 分别介绍了这3种方法的测量原理、 测量方法及测量注意事项. 通过对3种方法的测试结果对比， 分析各方法的差异， 指出差异形成的原因. 测试与分析结果表明： 激光测振仪法数据最可靠、 误差最小.

弹丸卡膛速度； 钢丝测速仪； 激光测振仪； 大口径火炮

0 引 言

大口径火炮弹丸装填到位一致性对火炮的射击精度有较大影响[1-2]. 卡膛速度对弹丸的装填一致性有较大影响， 进而影响弹丸在膛内的运动性能及火炮的射击精度[3]. 因而卡膛速度是弹丸装填的重要参数， 也是自动供输弹系统的一项重要设计指标. 大口径火炮弹丸通常由人力或输弹器推送入膛， 弹丸入膛后一般靠惯性卡膛. 弹丸卡膛是一个复杂的动力学过程， 弹丸在推弹力的作用下以一定的速度与身管坡膛发生碰撞， 弹带发生塑性变形， 在弹带与坡膛之间形成残余塑性接触力和摩擦力， 弹丸在这些力共同作用下可靠停留在膛内. 弹丸卡膛速度即弹带与身管坡膛接触瞬间的速度. 卡膛速度对卡膛过程中弹带与坡膛的作用力、 弹带卡膛过程中的应力应变以及卡膛行程有直接的影响， 从而影响到药室容积的变化. 弹丸装填不到位是火炮身管内膛形成椭圆形烧蚀磨损的主要原因之一[4]. 同时弹丸装填不到位是炮口制退器烧蚀的主要原因， 且还会引起弹道诸元的变化[5].

弹丸卡膛速度可以通过理论计算的方式来估计， 也可通过实测方法得到， 实测数据更具实际指导意义. 弹丸卡膛速度参数测试文献报道较少， 笔者在实际测试工作中曾采用钢丝测速仪测试法、 激光测振仪测试法以及高速摄像测试法等方法. 由于测试原理不同， 以上方法各有优劣， 本文通过对3种测试方法的对比， 分析各方法长处与不足.

1 测试原理

1.1 钢丝测速仪法

钢丝测速仪是将钢丝缠绕在与测速电机同轴的钢丝轴上， 通过拉动钢丝来带动测速电机转动. 测速电机输出电压与转速成线性关系， 而转速又与钢丝位移和速度成线性关系. 由此， 可用来测试一些构件运动的位移或速度参数. 其原理如图 1 所示.

在弹丸卡膛速度的测试中， 钢丝测速仪固定在供弹机尾部随供弹机运动， 钢丝通过螺钉固定于弹丸底部， 弹丸在供弹机的作用下拽着钢丝向膛内运动， 如图 2 所示.

图 1 钢丝测速仪原理示意图Fig.1 The principle of wire-steel velocimeter

图 2 钢丝测速仪法测卡膛速度示意图Fig.2 The schematic of the wire-steel velocimeter method

这种测试方式属接触式测试， 固定于弹丸底部的钢丝随弹丸一起运动. 钢丝测速仪的性能对测试结果有一定影响， 包括钢丝及测速仪转动的顺畅性. 钢丝测速仪内部卷簧的刚度系数要适中， 弹簧过硬会明显加大钢丝的拉伸阻力， 给供电机构引入较大负载； 而弹簧过软则可能出现当弹丸卡膛到位时， 钢丝轴继续惯性旋转导致出现虚假速度信号. 因此， 要匹配好卷簧刚度及卷簧的预紧圈数， 使得钢丝的拉伸力控制在2.268～4.536 kg之间.

1.2 激光测振仪法

激光测振仪的典型组成如图 3 所示， 它主要由激光干涉仪、 信号采集、 处理电路、 波形输出等环节组成， 使用激光多普勒效应和激光干涉方法， 实现物体表面运动速度、 加速度和位移的非接触测量， 以模拟或数字方式给出测量结果. 其中， 激光干涉仪将运动物体表面速度信息通过激光多普勒效应转换成光频率变化信息， 经干涉光路至光电转换器件， 变成频率随速度成比例变化的调频信号； 信号采集、 处理电路用于实现该调频信号的解调， 给出其速度、 位移及加速度的波形测量数据； 波形输出部分通常用D/A转换电路以模拟的方式输出， 也可以数字化的方式直接输出波形测量数据结果[6].

图 3 激光测振仪典型框图Fig.3 The principle of the laser vibrometer method

测试中， 在弹丸底部粘贴一激光反射膜. 激光测振仪发射一束激光， 通过反射镜照射在反射膜上. 通过分析反射回的激光束的多普勒效果， 得出弹丸的运动速度. 测试系统如图 4 所示.

图 4 激光测振仪法测卡膛速度示意图Fig.4 The schematic of the laser vibrometer method

激光测振仪测试弹丸的卡膛速度是一种非接触式测试. 弹丸增加的仅是一小片反光膜， 对弹丸质量的影响可以忽略不计. 这种测试方式理论上是一种非常理想的测试方式， 但实际测试中也存在一些需要注意的问题. 首先， 弹丸底部不是一个理想平面(尤其是底凹弹)， 且面积很小， 粘贴的反光膜也就不能过大； 其次， 光路的调整比较困难. 因为实际测试中受供弹角度及测试空间的限制， 激光测振仪不可能都直接照射反光膜， 多数情况下是通过反射镜反射到反光膜上的. 因此， 要保证激光按照照射光路原路返回， 需要调整好反射镜， 否则在弹丸的运动过程中， 光点在某个时段会偏出反光膜， 造成该时段数据丢失.

此外由激光测振仪的多普勒速度测试机理可知， 当被测目标的运动方向与激光束的照射方向不平行时， 会引入测试误差. 因此， 在测试过程中， 反复调整激光束的照射位置与角度， 最终达到了如下的配合效果： 当弹丸在距离卡膛到位点500 mm行程范围内运动时， 相应的激光束的光斑在横向移动位移应不大于5 mm(包括水平与垂直两个方向)， 这样就保证了由激光测振仪的摆放位置所引入的误差≤0.01%.

最后要注意的是弹丸的整个卡膛行程约2 m， 激光测振仪的光斑会因聚焦范围所限而出现发散， 从而影响到信噪比. 因此需要在实验前聚焦调整时， 将最佳聚焦点定位在距离卡膛到位点约300 mm～400 mm 的位置上， 以尽可能覆盖弹丸的运动行程.

1.3 高速摄像法

高速摄像技术是近年来发展起来的高科技成像技术， 该技术所测信息最接近被摄对象的真实运动状态， 能直观而形象地反映出高速运动物体的时空特性， 高速摄像系统主要由高速摄像机、 光学镜头、 固定台架、 数据采集系统以及图像跟踪系统等部分组成[7]. 待测对象、 光学镜头以及高速摄像机之间的光学成像关系可由图 5 描述. 通过高速摄像机拍摄物体运动视频， 利用高速摄像处理软件分析所拍视频， 从而得出物体的运动参数.

图 5 高速摄像成像关系示意图Fig.5 The schematic diagram of high-speed photography imaging

图 6 高速摄像法测卡膛速度示意图Fig.6 The schematic of the high-speed photography method

在弹丸卡膛速度测试中， 由于在弹丸进膛以后高速摄像机无法拍摄到画面， 因此高射摄像机无法直接拍摄弹丸， 只能通过间接手段对其测试， 例如将高速摄像机放在供弹机侧面， 拍摄供弹机供弹链条的运动， 具体测试系统如图 6 所示.

高速摄像法测试也是一种非接触式测试， 对供弹机供弹不造成任何影响， 只要能拍摄到运动画面， 就能得到相应的数据. 但也有其不足之处. 首先这种测试不是直接测试弹丸速度， 而是通过测试供弹链条的运动间接得出弹丸的供弹速度， 因而所得测试结果跟实际测试有一定的误差； 其次， 由于供弹机的链条也是跟随弹丸一起进入膛内， 无法完整跟踪链条上某点的整个运动过程， 只能在弹丸卡膛瞬间之前一段做跟踪， 得出也只是链条该段过程的运动速度. 当然， 从理论上讲， 只要拍摄全程链条的运动， 就能得出链条的整个运动速度. 另外， 高速摄像法测试对光线要求比较高， 在实际测试中需要良好的光照条件.

另外， 此前曾有测试人员采用测试供弹机链条盒齿轮转速来间接换算成供弹速度， 这种间接测试方式的精度取决于齿轮转速的测试精度.

2 测试结果与分析

采用3种方法对同一状态下弹丸上膛过程进行测试， 得到弹丸上膛过程中的卡膛速度参数. 对比钢丝测速仪法和高速摄像法与激光测振仪法所得卡膛速度的相对关系. 测试结果如图 7 和表 1 所示.

图 7 弹丸卡膛速度曲线Fig.7 The projectile velocity curves of three methods

本文采用的激光测振仪经中国航空工业集团北京长城计量测试技术研究所依据国家计量技术规范——《激光测振仪校准规范》校准， 精度为0.6%. 激光测振仪法是一种非接触式直接测量方法， 光路平行度是保证激光测振仪测试精度的关键， 本文采用激光测振仪进行弹丸卡膛速度测试时， 弹丸行程为500 mm时， 照射在弹丸底部中心位置的激光斑的横向偏移量小于2 mm， 由光路不平行引入的误差为0.000 8%. 本文激光测振仪法的测试数据合成误差为0.6%. 钢丝测速仪虽然也是直接测试法， 但是由于其测试原理所限， 钢丝对弹丸有拉拽作用； 高速摄像法通过拍摄输弹链条进行间接测试.

由于激光测振仪经长城计量研究所依据国家计量规范严格校准， 其测试结果最为权威可靠， 因此以激光测振仪法所得数据为基准， 将其余两种方法所得的数据与之对比， 分析每一种方法得到的弹丸卡膛速度. 由测试数据可以看出， 钢丝测速仪法误差较高速摄像法大.

3 结 论

1) 激光测振仪测试方式所得测试结果最为理想， 误差最小. 但是在实际应用中， 激光测振仪测试方式受测试环境的影响(例如供弹机结构)， 对光路有遮挡， 需要增加反射镜(甚至是多个反射镜)， 调整光路比较耗时.

2) 钢丝测速仪安装简便， 但对弹丸有明显的拖拽阻力. 钢丝测速仪测试对供弹机供弹速度的影响最大， 误差也较大.

3) 高速摄像法测试由于是间接测试， 链条及链条与弹丸之间存在间隙， 所测得速度数据也有一定的误差. 由于其搭建最为灵活， 在满足工程测试应用的基础上， 测试最为方便快捷.

[1] 赵森， 钱 勇. 自行火炮半自动装填机构输弹问题研究[J]. 兵工学报， 2005， 26(5)： 592-594. Zhao Sen, Qian Yong. Ammunition ramming of semi-auto-matic loading device of the self-propelled gun[J]. Acta Armamentaril, 2005, 26( 5) ： 592-594. (in Chinese)

[2] 石海军， 钱林方. 火炮卡膛一致性问题研究[J]. 弹道学报， 2012， 24(4)： 77-81. Shi Haijun, Qian Linfang. Research on consistency of bayonet-chamber of gun[J]. Journal of Ballistics, 2012, 24(4)： 77-81.(in Chinese)

[3] 陆明， 薄玉成， 王惠源， 等. 某臂式输弹机卡膛精度与卡膛力研究[J]. 兵器材料科学与工程， 2014, 37(4)： 91-94. Lu Ming, Bo Yucheng, Wang Huiyuan,et al. Precision and force of bayonet chamber of a semi automatic rammer[J]. Ordnance Material Science and Engineering, 2014, 37(4)： 91-94.(in Chinese)

[4] 张振山， 吴永峰. 炮管内膛烧蚀磨损现象的分析[J]. 装甲兵工程学院学报， 2003， 17( 2) ： 67-70. Zhang Zhenshan, Wu Yongfeng. Analysis of rubbing abrasion and erosion on the barrel bore[J]. Journal of Academy of Armored Force Engineering, 2003, 17(2)： 67-70.(in Chinese)

[5] 张喜发， 卢兴华. 火炮烧蚀内弹道学[M]. 北京： 国防工业出版社， 2001.

[6] 刘杰坤， 马修水. 激光多普勒测振仪研究综述[J]. 激光杂志， 2014， 35(12)： 1-5. Liu Jiekun, Ma Xiushui. Review of laser doppler vibrometer[J]. Laser Journal, 2014, 35(12)： 1-5. ( in Chinese)

[7] 徐锐， 杨国来. 高速摄影技术在火炮运动学分析中的测试误差研究[J]. 南京理工大学学报， 2015, 39(5)： 523-530. Xu Rui, Yang Guolai. Error analysis of high speed photography in measuring kinematic parameter of artillery[J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology, 2015, 39(5)： 523-530. ( in Chinese)

Measurement Methods for Projectile’s Bayonet Velocity of Large Caliber Gun

GAO Rui, CAO Xin, DU Wenbin, LI Shili, JIAO Bo

(Nothwest Institute of Mechanical and Electrical Engineering, Xianyang 712099, China)

This paper introduces some practical methods to measure the projectile’s bayonet velocity of large caliber gun. They’re based on three different transducers or devices, such as wire-steel velocimeter, laser vibrometer, and high-speed photography. The principles and measuring results of these methods are presented. By comparing the results of the three methods, the differences of each method were analyzed, and the causes of the differences were pointed out.

projectile’s bayonet velocity; wire-steel velocimeter; Laser vibrometer; large caliber gun

2016-11-21

高 瑞(1981-)， 男， 工程师， 主要从事火炮测试技术的研究.

1671-7449(2017)04-0364-05

TJ306

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.04.015