放入式火炮膛压测试技术研究

裴东兴,，沈静华，张 瑜，沈大伟

(1.中北大学 计算机与控制工程学院，山西 太原 030051；2.中北大学 电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051)

放入式火炮膛压测试技术研究

裴东兴1,2，沈静华1，张 瑜1，沈大伟1

(1.中北大学 计算机与控制工程学院，山西 太原030051；2.中北大学 电子测试技术重点实验室，山西 太原030051)

火炮身管内压力大小及其分布是重要的内弹道参数，准确、可靠地获取火炮膛内压力参数是动态测试领域的难题。简单介绍了多种测试膛压的方法，重点分析了放入式电子测压器的测试精度，提出了对实测膛压曲线进行积分、计算得到弹丸炮口速度的方法；与测得的炮弹初速进行对比分析，针对膛内压力场分布的不均匀性，提出了固定放入式电子测压器的测试方法。

仪器仪表技术；膛压测试；放入式电子测压器；内弹道；炮口初速

2.Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory，NUC,Taiyuan030051，Shanxi，China)

膛压是指火炮发射时火药气体在炮膛内的压强，包括压力变化规律及其最大值。高温高湿环境下存储的火药必然发生水解老化，致使火药由燃烧转变为爆轰，进而产生危险压力波，而多数的膛炸、早炸事故往往与膛内危险压力波有着密切的联系，而危险压力波的产生与发射药的装药条件、装药结构及点火系统有关。笔者通过固定放入式电子测压器，实现准确测量膛压信号，并根据膛压曲线判断是否存在危险压力波，故准确可靠的膛压数据是分析内弹道和装药结构的合理性、炮弹各部件(如弹体、引信、身管、炮尾和炮闩)的强度设计、后坐装置阻力曲线以及炮架强度和刚度设计的基本依据[1-3]。

弹底压力是指弹丸在膛内运动时底部所受的压力，真实地反映膛内火药气体压力场的分布状态[4]。但是弹底压力不易测量，难以保证精度，且容易损坏测试仪器。

1 铜柱(球)测压法与引线测压法

目前，膛压的测试方法主要有：引线法、铜柱(球)法、放入式电测法。铜柱(球)测压法是测量膛压的重要方法，具有操作简便、性能稳定、一致性好以及不受随机干扰影响的优点。根据铜柱变形量查“压力换算表”[5-6]得铜柱所受压力的计算公式为

Pmc=Pms+ΔPmcu

(1)

式中：Pmc为最大膛压值；Pms为铜柱所受的压力；ΔPmcu为膛压修正值。

但铜柱(球)测压法仅能得到膛压的最大值，无法获取发射过程中膛压变化的完整曲线。引线法亦是常用的膛压测试方法，通过电荷放大器、电脑采集板卡、数据处理系统可以完整地采集膛压曲线，并通过电缆实时显示与存储该曲线，但是该方法需要在炮筒壁上打孔，操作复杂且现场需布置大量缆线，容易对测试过程造成干扰。

2 放入式电子测压器

2.1放入式电子测压器原理

放入式电子测压器是基于电测法设计研制的新型膛压测试仪。如图1、2所示，该测试仪由电池、压电传感器、电路部分、倒置开关、缓冲垫及测压器壳体组成，以小体积(仅21.9cm3)、低功耗、高精度著称[7]。触发电平、测量量程、采样频率均可经编程设定，并且能够在高低温环境中保温48h。系统的存储单元选用单片机内部的FLASH和RAM，既保证准确地获取炮膛内压力变化的完整曲线，又确保在掉电时不丢失数据。同时，系统应用红外通信技术接口，可无障碍地读取仪器所记录的数据，以便后续的讨论与分析。测试时，通常将电子测压器置于药筒底部，如图3所示。

放入式电子测压器同时具备了引线法与铜柱(球)法的优势，在使用过程中，既不需要现场布置缆线，同时也保证准确地采集膛压曲线信号，且可反复使用。

GJB2973A—2008火炮内弹道测试方法规定，测压器体积应小于所适用火炮药室容积的2.5%，不同口径火炮的药室容积如表1所示。

表1 火炮药室容积表

分析表1中数据，放入式电子测压器适用于测量中大口径火炮的膛压信号，而小口径例如直径为20 mm或37 mm的高射炮，因其2.5%的药室容积小于电子测压器的体积，故无法使用电子测压器测量膛压信号。

2.2放入式电子测压器的静态标定与动态校准

电子测压器静态标定时，通过电荷校准仪校准电荷放大器和瞬态波形记录仪可得到电路的静态灵敏度，将电路静态灵敏度与经油压标定机校准得到的传感器灵敏度相除即得到测压系统的静态测试灵敏度[8]。

测试系统的动态特性主要由其所含传感器的动态特性决定，图4为压电传感器的幅频特性曲线。

由图可知压电传感器的谐振频率约为252kHz且曲线在0～25kHz范围内线性特性较好，可准确覆盖膛压信号的有效频带，即0～5kHz，可完成相对无失真的膛压测试。基于环境因子校准法，采用模拟膛压发生器，可实现动态校准电子测压器。引爆模拟膛压发生器后，膛内产生与火炮膛内类似的高温高压环境，被校准测压器和标准传感器系统同时记录信号，并对多组数据进行最小二乘法拟合，得出被校准测压器的灵敏度和其在该温度下的工作方程：

y=kx+b

(2)

式中：k为该环境下的灵敏度系数；b为该环境下的截距；x为某采样点的比特值；y为该环境下某采样点对应的膛压值。

经过静态标定与动态校准后，电子测压器测得的压力峰值分布稳定，置信度高。

3 测试数据分析

在靶场，对某型号炮弹进行多次的保高温、低温、常温射击以得到相应的膛压曲线。试验过程中，将电子测压器与铜柱测压器放入同一炮弹的药筒底部，同时，选用雷达测速仪测量弹丸的炮口速度。

3.1数据处理

电子测压器采集数据时，AD转换器将模拟量转换为数字量输出并存储，得到以比特值为纵坐标，采样点为横坐标的原始曲线图，在特定软件中，利用公式(2)以及求得的电子测压器灵敏度，可得到膛压P-t曲线，如图5所示。

火炮发射时，炮弹所受推力的公式为

(3)

式中：P(t)膛压；D为炮弹直径；φ为虚拟系数，

(4)

式中：ω为发射药重；m为炮弹质量；φ0=1.06，是由炮膛结构决定的系数。

弹丸在膛内开始运动时，膛内压力为弹丸启动压力，一般约为15～20MPa，r1为对应此压力点的采样点数；而弹丸在出炮口前的压力一般为20MPa,此压力点的对应采样点数为r2，则弹丸的炮口速度公式为

(5)

式中，Δt为一个常量，与采样频率有关。

利用公式(5)并结合测得的P-t曲线可求得弹丸运动至炮口时的速度，并与雷达测得的速度进行对比。常温下，最大膛压值的对比情况以及弹丸炮口速度的对比情况如表2所示。

表2 某模拟弹常温测试数据

3.2数据分析

分析表2数据，铜柱测压器测得最大膛压值的散布与电子测压器测得最大膛压值的散布相比，差别较小，而雷达测得炮口速度的散布与利用公式(5)计算得到炮口速度的散布相比，相差较大，且计算得到的炮口速度普遍大于雷达测得的炮口速度，并且高温与低温均存在此现象。通常雷达测得的炮口速度已经过校准与修正，故导致两者初速不一致的原因：电子测压器测得的膛压曲线误差较大；在炮弹发射过程中，膛内压力场的分布是不均匀的，而电子测压器是不固定的，所以每次测量所处的位置与状态是不确定的，导致初速不准确。在测试之前，电子测压器已经过静态标定与动态校准，不会达到如此大的散布，故原因很可能是电子测压器没有固定。

炮弹发射时，在定容状态下，因新的火药气体不断产生，且气体具有粘结性，会与膛壁间产生摩擦，所以同一截面上各点的压力、各点的流速都不相同，不同时间下同一点的压力也是不相等的。弹丸开始运动后，处于变容状态下，火药燃气生成速率和由于弹丸运动而形成的弹后空间增加速率二者相互制约、相互作用，形成了膛内复杂的、不均匀的压力场[9-10]。从气流动量方程可推出膛内压力场的分布，即Piober方程为

(6)

式中：px为弹后空间膛底x处炮膛断面位置上的压力；pd为弹底压力；v为炮弹速度；t为发射时间；ρ为气体密度；x为炮膛断面到膛底的距离；lp为某时刻弹底到膛底的距离。

由以上分析可知，弹后空间的压力分布由多因素决定，且呈不均匀分布。假设对同一枚炮弹进行多次测量，每次的测量位置、所处环境是不相同的，对数据的精准度可能存在极大的影响，进而造成计算得到的炮口初速不准确。

4 结束语

笔者主要研究了放入式火炮膛压测试技术，即利用放入式电子测压器测量火炮发射过程中膛压的变化曲线并对膛压曲线进行积分以计算炮口初速。通过软件分析、计算靶场测试的实例曲线，发现利用公式(5)计算得到的炮口速度与雷达测得的炮口速度相差较大，原因可能是炮弹发射时，膛内压力场分布不均匀且电子测压器不固定所引起。为解决此类问题，可以通过设计支架、利用磁铁、胶粘来固定电子测压器，避免由于炮弹发射时内弹道压力场的不均匀分布对测试结果造成影响，为火炮系统的研究与发展提供可靠参数。

References)

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InternalArtilleryChamberPressureTestingTechnologyResearch

PEI Dongxing1,2,SHEN Jinghua1,ZHANG Yu1,SHEN Dawei1

(1.School of Computer and Control Engineering，NUC，Taiyuan030051，Shanxi，China；

Artillary pipe pressure size and distribution are the important internal ballistic trajectory parameters, and accurate and reliable acquisition of pressure parameters is a difficult problem in the field of dynamic testing. All kinds of chamber pressure measurement methods are briefly introduced with internal electronic piezo gauge test accuracy analyzed primarily. The method of chamber pressure carve integral and numeration was proposed to obtain muzzle velocity and was to be analyzed and compared against the measured muzzle velocity. In view of the inhomogeneity of the distribution of pressure in the chamber, the test method to fix the internal electronic piezo gauge was proposed.

technology of instrument and meter; chamber pressure measurement; internal electronic piezo gauge; internal ballistic trajectory; muzzle velocity

TJ301

： A

：1673-6524(2017)03-0069-05

10.19323/j.issn.1673-6524.2017.03.014

2016-11-21

裴东兴(1970—)，男，教授，博士，主要从事动态测控与智能仪器技术研究。E-mail:peidongxing@nuc.edu.cn