基于电磁感应的炮口测速装置设计与试验研究

李士彦，蔡德咏

(中国人民解放军72465部队, 济南 250022)

现代战争中，高炮武器系统是抗击中空、低空和超低空目标的主战兵器。对中小口径高炮来说，射弹炮口初速变化对高炮射击精度具有较大影响[1-2]。当高炮受使用环境影响使其初速发生明显偏差时，若火控计算机输出的射击诸元不随之进行校正，必然导致射弹偏离目标，从而大大降低高炮的射击准确度[3-4]。为提升高炮的射击精度，需要进行初速闭环校射以修正射弹初速偏差对弹目偏差量的影响，修正的前提是能够实时准确的测量射弹初速。通过对高炮加装炮口初速测试装置，精确检测炮口射击弹丸的初速量值，以此修正高炮的射向和赋予其精确的火力射击诸元，能够很大程度的提高高炮对空作战的毁伤效能，具有显著的军事经济效益[5-7]。电磁感应法经试验证实是一种既简易、可靠又精确、经济的测量弹丸初速的方法。它特别适合装配于炮口处对高炮发射的弹丸进行初速测量[8-9]。

本文为实现炮口初速的准确测量，采用双测速线圈区截测时法，研究了初速测试装置工作原理，综合应用电磁感应技术、数据采集、自动控制与信号处理等技术，研制了由炮口装置和信息处理装置组成的炮口初速测试装置，并进行了耐高温、耐高压检验和实弹射击测试试验，验证了测试装置的性能，为推广应用高炮炮口初速测试装置提供了技术参考。

1 工作原理

本文采用双测速线圈区截测时法实现炮口初速测量，初速测试装置的工作原理框图如图1。

图1 炮口初速测试装置的工作原理框图

装置采用窄脉冲励磁、窄线圈结构，生成强磁场窄磁隙，使高速飞经测速线圈的弹丸能够对磁场形成有效扰动，进而感应电磁信号；采用宽带仪表放大器、高通滤波器对测试信号进行放大滤波；采用信号分离器对混绕在一起的两个初速信号进行分离；采用高精度比较器对经过分离的初速信号进行方波整形，获得理想的初速窄脉冲方波对；采用双测速线圈区截测时法实现炮口初速测量的关键是高精度测试有两个测速窄脉冲方波之间的时间；采用了DSP+FPGA数字信号处理技术，根据两个测速线圈之间的电中心距离，快速、精确地计算炮口初速[10-11]。依据测定的弹丸初速进行弹丸弹道轨迹的解算，修正高炮的射向和赋予其精确的火力射击诸元，从而提高高炮对空作战的毁伤效能。

2 结构设计

炮口初速测试装置由炮口装置和信息处理装置两部分组成，其中炮口初速测试装置安装于炮口制退器上，信息处理装置安装于高炮上部托架上，其使用的电源可以与火炮并网供电。

2.1 炮口装置

炮口装置由线圈、支撑架、护套、电缆接线器、护线管、联接件等组成，如图2所示。安装于炮口部，与炮口制退器固化为一体，在尽可能小的直径范围内保持与炮膛轴线的同轴度，测量装置的机械定位与连接要保持强度和高精度的结合。线圈、支撑架、护套、电缆接线器等器件进行组合功能测试，实现对出炮口的弹丸进行初速测量。主要完成对出炮口的弹丸进行初速测量信号的数据采集功能。

图2 炮口装置

炮口装置质量越大，高炮转动时的转动惯量就越大，对调炮精度将会产生影响，不利于拦截打击高速飞行目标。本文的炮口初速测量采用双测速线圈区截测时法，需要将两个测速线圈固定在炮口处安装在支撑架上，采取简单的结构实现对弹丸出炮口的速度测量，这种在高炮原配的炮口制退器上加装测速装置，在不明显增加炮口部质量的前提下，设计的一种集炮口制退、初速测量、引信装定功能于一体的多功能炮口装置，显然是一种最优化的方案，同时也是一种成本最低的设计加工方案。如果全新研究一种炮口初速测试装置，将会带来设计、制作、试验多环节的验证与技术鉴定，需要的鉴定试验周期和保障经费支撑需求大，不利于新技术在老装备上的推广应用。因此，采用了在原炮口制退器前端增加一个质量轻(质量≤3 kg)、结构紧凑(长度≤150 mm±50 mm)初速测量装置。该初速测量装置采用三线圈组合结构，缩短了炮口初速测试装置总体长度；采用碳纤维材料制作线圈骨架，使之具有耐火药气体中颗粒高速、高温冲刷的磨损、耐高温和轻量化性能；采用在线圈骨架外套钢套并灌注高强度胶封装，增加了线圈骨架强度，提高了使用寿命。

2.2 信息处理装置

信息处理装置由初速测量板、数据处理板、功率放大板、电源板、机箱等组成。主要完成对出炮口的弹丸通过炮口测量装置的采集的信号进行解算处理功能。机箱对外电气接口采用航空插接件进行信号线连接，提高信号采集与传输的可靠性。电缆与火控计算机连接电路采用CAN总线传输，解决了数据采集的高速率传输。通过优化总体方案，实现了小型化设计。信息处理装置外形如图3所示。

3 试验研究

在炮口测量装置和信息处理装置设计制作完成后，进行了系统调试及高低温、湿度、冲击、振动等试验项目考核，产品性能指标满足规定要求，炮口初速测试装置如图4所示。将炮口测量装置安装至某型高炮炮口制退器上进行弹道试验测试，产品耐高温、耐高压性能达到了设计规定的指标。

图3 信息处理装置外形

图4 炮口初速测试装置

在此基础上，炮口初速测试装置又进一步进行了实弹射击试验。对某型高炮的实弹射击弹丸的炮口初速测量，以天幕靶测试结果为标准值，炮口初速测试装置试验结果与天幕靶的测试结果如图5所示。炮口初速测试装置试验结果如表1所示，炮口初速测量最大误差为0.63%，设计要求为<0.8%，满足系统设计要求。

图5 口初速测试装置试验结果与天幕靶的测试结果

指标参数结果装置重量≤3 kg耐高温>800 ℃耐高压>60 MPa抗冲击载荷>2 000 g炮口初速测量范围800～1 100 m/s炮口初速测量误差0.63%(满足设计要求<0.8%)

4 结论

应用了电磁感应、数据采集、自动控制与信号处理技术，实现了高精度的测量炮口部对飞离的弹丸初速、编程、解算的信号处理功能。通过精确检测炮口射击弹丸的初速量值修正高炮的射向和赋予其精确的火力射击诸元，能够很大程度的提高高炮对空作战的毁伤效能。