炮口测速装置测速精度影响因素分析

谭争光，姚新涛，李海蓉

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

弹丸初速是武器系统中各种运动参数中一个非常重要的参数，是衡量火炮特性、弹药特性和弹道特性的重要指标之一。而在火炮武器系统的研制过程中，初速作为火炮众多射击诸元的其中之一，对于火炮的射击效果具有直接的影响[1-3]。

炮口初速测量装置采用与炮口制退器一体化设计，直接安装于身管前端，是利用两个通电线圈来测量火炮膛口速度的测速装置，其测速误差直接影响着火炮的射击效果。由于它的安装位置会受火炮自身的振动冲击环境，以及火炮后坐速度等因素的影响；同时由于炮口初速测量装置采用区截法进行速度测量，其所测速度为两线圈的几何中心位置的速度，需通过基准设备(天幕靶或初速雷达)对其进行标定，换算成实际初速后供火炮火控系统使用，基准设备的测试精度及其测试正确性将直接影响炮口初速测量装置的测速精度。笔者将从这两方面出发，开展炮口测速精度影响因素分析[4-10]。

1 炮口测速装置原理介绍

如图1所示为炮口初速测量装置结构示意图，它是将两组相同材料、相同结构、相同圈数的线圈内嵌于炮口制退器中，制退器通过螺纹安装于身管外部，并且身管轴线与两组线圈的轴线同轴。

炮口初速测量装置采用区截式测速原理，两测速线圈之间的中心距离为L保持不变，弹丸通过测速线圈时所产生的脉冲信号时间间隔为t，可以得到弹丸经过两测速线圈中心c点的速度Vc：

Vc=L/t.

(1)

由于炮口初速测量装置两测速线圈中心c点的速度并不是实际的初速，不能直接用于火炮射击诸元的解算。为了得到准确的弹丸初速，实际应用中，采用高精度天幕靶或高精度初速雷达同时测量该发弹丸初速，其测量值为vL，认为vL为真值，则得到炮口初速测量装置的标定系数L0：

(2)

将式(1)带入式(2)中，可得L0=vLt，因真值vL即为V0,即可得到炮口初速测量装置在单发或连发射击时弹丸初速V0：

V0=L0/t.

(3)

2 影响炮口初速精度的主要因素分析

由炮口初速测量装置的测速原理可知，弹丸初速的测量精度主要由两线圈距离L和弹丸通过线圈所用时间t决定。在实际工程应用过程中，由于结构的装配误差与电路系统的延迟及计时误差，将导致线圈距离L和弹丸通过时间t与实际值存在偏差，造成初速测量不准。但由此而引起的误差属于系统误差，可通过初速标定的方法对其进行消除。除了上述所提到的系统误差外，还存在由于火炮后坐速度偏差较大、转管炮射速不稳定、天幕靶测速系统不稳定等因素影响，造成炮口测速的随机误差，最终影响测速精度。

2.1 火炮后坐速度偏差较大对测速精度的影响

由于炮口初速测量装置安装在火炮身管前端，当弹丸出炮口时，与身管同时后坐。从理论上讲，当每发射弹后坐具有较大偏差时，必然导致初速的跳动，从而影响其测速精度。笔者从某高炮单发及连发情况下后坐速度的变化情况来分析。单发射击条件下身管后坐速度如表1所示，连发射击条件下身管后坐速度如表2所示。

表1 单发射击条件下身管后坐速度 单位：m·s-1

表2 连发射击条件下身管后坐速度 单位：m·s-1

从表1可以看出单发射击条件下，火炮身管后坐平均速度约为1.34 m/s；从表2可以看出连发射击条件下，火炮身管后坐平均速度约为0.961 m/s，速度变化范围为0.72～1.39 m/s.火炮身管后坐平均速度可通过初速标定，得到初速测量装置的标定系数，将其作为系统误差消除。

对于后坐速度的不一致性，特别是在连发射击时火炮后坐速度的变化，将带来测速的随机误差。以上述10连发为例，后坐速度变化范围为0.72～1.39 m/s，而后坐平均速度为0.961 m/s，最大偏差为0.429 m/s，以标准初速为1 175 m/s进行计算，由于后坐速度不一致所带来的测速随机误差δ1为

(4)

2.2 转管炮转速不稳定对测速精度的影响

在进行转管炮炮口测速时，炮口初速测量装置采用较大的测速线圈方式，可满足转管射击的安全性要求，同时保证其与身管同时后坐。由于转管自动炮在进行单发或连发射击时，转速的不稳定将导致弹丸出炮口位置在允许范围内跳动，从而引起测速线圈感应信号幅值不一致，最终影响炮口测速精度。射速跳动较大情况下，初速跳动情况如表3所示。

表3 射速跳动较大情况下，初速跳动情况

表3数据的统计结果显示，自动机的平均转速为1 504 发/min，转速范围为767～2 309发/min；炮口装置与天幕靶初速偏差范围为-0.4～-9.9 m/s，初速平均偏差为-5.17 m/s.由于转速不稳定所导致的初速平均偏差而造成的随机测速误差δ2为

(5)

2.3 火炮车体振动对测速精度的影响

自行高炮在进行单发射击时，车体的振动不大，对天幕靶测速影响较小；而在进行连发射击时，身管具有一定范围的高角量变化，从而改变两套天幕靶之间的距离，从而导致天幕靶测速不准。而炮口初速测量装置以天幕靶为基准进行初速精度验收，两者初速差将会具有明显随机误差。

表4给出了车体具有刚性支撑和无刚性支撑条件下的两组10连发数据。

表4 火炮有无刚性支撑天幕靶与炮口装置数据对比 单位：m·s-1

续表4 单位：m·s-1

从表4数据的统计结果显示，在火炮具有刚性支撑的条件下，炮口装置与天幕靶平均初速差值为-0.22 m/s，初速差值的分布范围为-2.9～3.3 m/s；而火炮无刚性支撑的条件下，炮口装置与天幕靶平均初速偏差为7.47 m/s，初速差值的分布范围为0.4～17.1 m/s.由于火炮车体振动所引起的天幕靶测速平均偏差，最终造成的测速随机误差δ3为

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3 试验方法与数据处理方法探讨

3.1 试验方法探讨

根据上述分析，火炮后坐速度、转管自动炮转速不稳定、火炮车体振动等因素对炮口测速精度均有不同程度的影响，基于此，为了满足炮口初速测量装置对于测速精度验收的合理性与科学性，作如下规定：

1)确保火炮技术状态，做到火炮后坐速度、转管自动机转速等性能参数相对稳定。

2)为了避免连发状态下后坐速度、车体振动等因素的影响，测速精度考核时采用单发射击方式。

3)为了确保测速基准设备测试数据的可靠性，采用两组天幕靶测同一点的方式进行试验。

3.2 数据处理方法探讨

3.2.1 天幕靶数据异常剔除方法

按GJB 2973A—2008的规定，采用两套天幕靶测量第i发弹丸初速，一套摆在距炮口前方26、34 m处，测得30 m处初速v1i；另一套摆在距炮口前方25、35 m处，同样测得30 m处初速v2i，其差值满足式(7)时，测试数据有效，否则剔除并补射。

|v1i-v2i|≤v1i×0.1%+v2i×0.1%.

(7)

天幕靶的测速精度为0.1%，式(7)适用于两套天幕靶测量弹丸初速。

3.2.2 炮口初速测量装置数据异常处理方法

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表5 肖维涅判据

3.2.3 炮口初速测量装置数据合格性检验方法

炮口初速测量装置数据合格性检验方法是以精度较高的天幕靶作为其基准设备，利用改进的均方差公式(9)进行数据合格性检验判别。炮口初速测量装置数据合格性检验计算公式为

(9)

式中：δ为炮口初速测量装置测速精度；n为数据处理样本量(通常取n=10/20发)；Ai为炮口初速测量装置测量的第i发弹丸初速；Bi为天幕靶测量第i发弹丸初速。

取数据合格性检验标准为η，若测速精度δ≤η，则判定数据为合格；否则，判定为不合格。根据系统要求，通常η取值为0.25%或0.5%.

4 结束语

笔者分析了影响炮口初速测量装置测速精度的诸多因素，包括火炮后坐速度、转管自动炮转速、火炮车体稳定性等，均在不同程度上给测速精度考核带来了随机误差。针对此问题，笔者对测速精度考核进行了相应的试验方法与数据处理方法的研究与探讨，形成了具有可操作性的约束条件，对产品研制或生产过程中，测速精度的验收具有一定参考价值。