火炮内弹道环境测试技术

文/郭天吉 吴宏斌

1 引言

火炮是陆战之王，在现代战争中发挥着巨大的作用。火炮发射时，内弹道是弹丸获得动力的重要阶段，弹丸在几十ms的时间内加速到上千米每秒的速度，承受的膛内过载值高达上万g（g为重力加速度）。准确测量和分析弹丸在膛内的发射过载，对评价火炮性能、弹丸的结构和强度设计、弹丸的初速预测、发射药性能的研究、及引信的结构防护和保险设计均具有非常重要的意义。

针对火炮内弹道环境，传统上是采用铜柱法测试（见图1）。该方法是将标准的质量块和铜柱置于弹丸内，火炮发射时，质量块在惯性力的作用下挤压铜柱使其产生塑性变形，根据塑性变形量可获得内弹道最大过载值。铜柱法测试简单实用，但是只能测得最大过载值，无法获得过载值随时间的变化历程。

随着电子技术的发展，尤其是MEMS技术的发展，国内外相继出现了多种型号的高g值MEMS过载传感器，使得电测法成为可能。本文即研究了一种存储测试系统，可置于弹丸内，准确测量弹丸在膛内的过载曲线。

2 测试系统组成

测试系统组成见图2，主要由过载传感器、信号放大电路、信号滤波电路、带A/D的单片机、存储器和电源等组成。

2.1 过载传感器

过载传感器采用中电13所研制的MPA5000-60K，其量程超过了6万g，频响范围0～50KHz，非线性度小于2%，2Vdc～10Vdc的宽激励范围。

图1：铜柱法测试示意图

图2：测试系统原理框图

图3：信号放大电路

图4：信号滤波电路

图5：单片机电路

图6：存储电路

图7：电源电路

MPA5000-60K传感器采用了先进的MEMS压阻体硅工艺加工制造，圆片级封装，性能稳定，可靠性高，适用于恶劣条件下碰撞、爆炸、冲击等场合。

2.2 信号放大电路

信号放大电路基于仪表放大器INA118设计。INA118是低功耗、高精度的通用仪表放大器，采用单电源供电，输入阻抗大，偏置电流小。单个外部电阻就可实现从1至10000的任一增益选择，计算公式为：

2.3 信号滤波电路

信号滤波电路为一个二阶的低通巴特沃思滤波器，基于运放OPA2340设计。OPA2340是微功耗、轨至轨运算放大器，单电源供电，微型MSOP-8封装。具体设计见图4，设计滤波频率为3KHz。

2.4 单片机电路

单片机选用国产STC8单片机，该单片机基于1T8051内核，速度快，资源丰富，使用灵活。STC8单片机比传统的8051快12倍以上，不需要外部晶振和外部复位，本身就是仿真芯片，可直接通过串口进行仿真和程序下载。STC8单片机内部集成了一个12位的高速A/D转换器，ADC的速度最快可达800K，同时STC8单片机还集成了8Kbyte SRAM、4个全双工UART串口、1个高速SPI串口等。具体设计见图5。

2.5 存储器电路

图8：过载曲线

图9：速度积分曲线

存储器选用FM25V05铁电非易失性存储器，其容量为512Kbit，在100KHz采样率条件下，可存储320ms数据。该芯片支持SPI口，可与单片机主控芯片通过SPI口进行高速通讯，具体设计见图6。

2.6 电源电路

电源电路中的电池选用了充电式聚合物锂电池，其标称电压11.1V，容量600mAh。为了防止高过载条件下的电池失效，设计了一个大容量的钽电容和二极管组成的二次电源电路，具体设计见图7。

3 试验及结论

使用设计好的测试系统对某种大口径火炮进行了实测试验，测试到了完整的膛内过载值随时间的变化历程及炮口的扰动情况，过载曲线见图8。由图8所示，弹丸在膛内的运动时间约为38ms，膛内最大过载值约为1.06万g，炮口扰动最大过载值约为3.5万g。对过载曲线进行速度积分后的曲线见图9。由图9所示，积分后的弹丸出炮口速度约为650m/s，而实际的网靶测试速度为667m/s，误差2.5%，在可接受范围内。

实测数据证明了测试系统的设计正确性，也为弹丸和引信的设计提供了数据参考。