基于应变测试系统的二级轻气炮活塞运动测量

赵奇峰， 李运良， 李进， 张向荣， 朱玉荣， 谭书舜， 张子栋

(西北核技术研究所， 陕西 西安 710024)

0 引言

二级轻气炮的内弹道过程是极其复杂的, 它涉及到驱动气体、活塞、轻质气体与弹丸四者之间的相互作用问题[1]，同时各参量具有量值高、变化幅度大、变化时间短的特点，在这种恶劣环境中获取测试信息是国内外测试界的一大难点。

随着新型实验设备和实验方法的出现，内弹道理论研究从数值模拟逐步向实验研究迈进。国内外学者纷纷探究了内弹道参数的实验测量方法，在1939～1945年二战时期，德国学者就曾运用hard-wired测试技术成功测试到火炮膛内弹丸运动过程中的动态数据[2]。王黎明等对微波干涉仪测量的内弹道速度做了一定的研究，测得弹丸在内弹道过程的行程和时间曲线[3]。彭其先等利用激光干涉测量系统能以数米每秒的分辨率精确地连续测量弹丸从起动到出炮口的速度，进而得到位移、加速度，给轻气炮发射系统的设计与检测提供重要实验参数[4]。中北大学祖静教授带领团队成员，开展一系列的动态存储测试相关工作，在膛压、弹底压力测试、全弹道多参数测试等领域中获得了重大突破，并且形成了一种独具特色的测试理论与校准技术[5-6]。

在二级轻气炮中，活塞是一个传递能量的工具[7]。用活塞速度可以评估轻气炮内弹道程序的精度，其变化过程与弹底压力过程对比，可以研究活塞对气体压缩的过程关系，也可以评价二级轻气炮程序设计的准确性[8]。因此，活塞在泵管内的运动过程是二级轻气炮内弹道理论分析的核心问题。实验测量轻气炮活塞在内弹道的速度、加速度及活塞前后的压力这些参数对完善内弹道理论、提升轻气炮发射能力具有非常重要的指导意义。Con利用准一维流体动力学程序仿真出二级轻气炮发射过程中气体和活塞相互作用的关系[9]，黄洁等采用计算流体力学方法求解流场控制方程，获得了活塞运动过程[10]，但是，针对二级轻气炮活塞运动历程测试方面开展的实验研究较少。

本文针对获取活塞运动历程的重要性，提出利用二级轻气炮泵管沿轴向外贴多个应变片的方式监测轻气炮活塞经过泵管引起的瞬时应变，从而推导出活塞在泵管中轴向运动位置信息，进而获得活塞运动过程。这一测试方法相比以往测量活塞速度的方法(如微波,磁感应等)，具有受泵管振动和后退的影响小，信号噪声小，价格低廉，易于安装，且不需要对炮管进行开孔处理等优点。

1 二级轻气炮工作原理和实验测试方法

1.1 二级轻气炮工作原理

如图1所示，二级轻气炮结构主要包括高压气室、泵管和发射管等。其工作原理是：泵管抽真空后注入一定量的轻质气体(如：H2或He)，高压气室内气体膨胀，推动活塞向前运动绝热压缩泵管内的轻质气体，使其在泵管末端形成一个新的高温、高压气室，当该气室的气压超过膜片承受能力时，膜片破裂，高温、高压气体推动弹丸在发射管中向前运动，并最终获得很高的炮口初速[11-12]。

1.2 实验测试方法

二级轻气炮活塞两端带有裙边自密封设计，因此在发射过程中，受压膨胀会挤压泵管产生环向应变。在57 mm/10 mm气炮泵管外壁沿轴向的特定位置分别布置一系列应变片，并配置应变放大器和高速数据采集系统(16通道，100 MHz/通道)。在轻气炮发射过程中，利用该系统记录各测量点的应变片的突变信号，并通过分析信号代表的活塞位置信息，从而得到活塞在泵管内的运动历程。根据实验要求先后布置了7个测点和13个测点，参见图1所示，关联位置数据见列表1.

表1 实验测试点布置位置情况Tab.1 Layout of measuring points mm

由于泵管壁较厚，导致有效信号小、轻气炮发射过程轴向干扰较大，因此，测试采用单轴BE系列应变片，其具备柔韧性好、粘贴方便、性能稳定等特点。同时，采取对称双片粘贴方式来放大信号倍数，减小干扰，提高信噪比。为减小误差，要尽量保证应变片粘贴方向的精准性，应变片测试相关参数见表2.

表2 应变测试参数Tab.2 Strain measuring parameters

根据应变片的参数和应变仪的设置得到了泵管环向应变εθ与应变仪输出电压U0间的换算关系如(1)式所示：

(1)

式中：Eb为电桥电压；K为应变片灵敏度系数；Kg为应变仪放大倍数。

如图2所示，泵管内直径2a=57 mm，泵管外直径2b=150 mm，泵管内壁气压为qa，泵管外壁的环向应力为σθ，测点距泵管圆心距离为r且r=b，忽略泵管连接法兰盘、底座的影响，假设泵管无限长时，利用弹性力学关系[13]，如(2)式所示：

图2 泵管横截面示意图Fig.2 Cross-sectional diagram of pump tube

(2)

为了验证实验系统的有效性，在57 mm/10 mm二级轻气炮上开展了多次实验, 表3为其中实验1和实验2的实验参数。

表3 57 mm/10 mm二级轻气炮实验参数Tab.3 Experimental parameters of 57 mm/10 mmtwo-stage gas gun

2 实验结果及分析

2.1 泵管内压力变化

实验1得到的应变信号，根据(1)式和(2)式，得到了活塞在泵管内运动过程的压力变化波形图，以活塞经过测点1引起的压力起跳为横坐标零点，活塞经过测点1～测点4时引起了明显的压力变化，该压力快速上升沿可作为活塞经过该测点的标志，从而得到活塞沿轴向的运动位置及时间信息，如图3所示。活塞与高压锥段冲撞引起的泵管轴向位移加速度引发压力变化，如图3尾部所示。

图3 实验1压力波形Fig.3 Pressure waveform in Experiment 1

活塞在泵管中运动引发的压力变化规律在经过测点6时发生了变化，通过分析，活塞在靠近锥段过程中，活塞前方氢气被充分压缩，因此在活塞未经过测点时出现压力高峰，活塞通过测点后出现压力减小的现象[14]。因此在活塞通过锥段附近测点的时间判读与之前不同，应以压力下降时刻为准。图4是测点1、测点2与测点6、测点7的压力变化对比图。

图4 测点1、测点2与测点6、测点7对比压力波形Fig.4 Comparison of the pressure changes at measuring points 1 and 2, and measuring points 6 and 7

为了进一步验证实验可行性，开展了实验方案2，将布局点从7个加至13个。活塞在泵管内运动过程的压力变化波形图，如图5所示。

图5 实验2压力波形Fig.5 Pressure waveforms in Experiment 2

2.2 运动时间历程及弹底压力变化

根据测量所得的实验数据，分别得到实验1、实验2各布局点的到时、峰值压力及活塞速度等参数，见表4.

表4 实验1和实验2各测点实验数据Tab.4 Experimental data of each measuring point in Experiments 1 and 2

根据测点位置和活塞通过各测点的时间采用Lagrange二次拟合法求解得到活塞通过各测点的速度。由于计算中将活塞简化为质点，忽略了由活塞长度等引起的压力突变时间点与活塞实际运动到该位置的时间点之间存在偏差的影响，因此将会给计算结果带来一定影响。

实验1和实验2中活塞经过不同测点时时间运动历程曲线如图6所示。图7给出了在实验1和实验2中活塞运动过程中经过各测点处泵管内气体压力。

图6 实验1和实验2条件下活塞运动时间历程Fig.6 Motion time history of piston in Experiments 1 and 2

图7 实验1和实验2条件下活塞运动位移与活塞底部压力的关系Fig.7 Relationship between motion displacement and pressure of projectile base in Experiments 1 and 2

如图3和图5所示，当活塞前后压力接近时，活塞通过测点后，引起的压力变化扰动非常小，活塞到时难以精确判读，造成图7中测点7～测点10处的弹前压力不可忽略出现震荡现象。(2)式基于无限长圆筒，实际上受到泵管转接端连接法兰、泵管固定支座等约束作用，测试压力结果可能偏小。

2.3 结果分析对比

采用文献[15]提供的二级轻气炮内弹道理论，对实验2的活塞运动时间历程进行理论分析。如图8所示，给出了实测结果与理论计算结果的对比图，二者间吻合效果良好。

图8 实验数据与理论计算结果对比图Fig.8 Comparison of experimental and calculated results

3 结论

本文对轻气炮活塞在内弹道的运动历程进行研究，提出了一种基于应变测试活塞运动历程的方法。该方法应用于实验室57 mm/10 mm二级轻气炮内弹道参数测量研究上，测量结果与文献[15]中提出的二级轻气炮内弹道理论进行了对比分析。得出以下主要结论：

1) 本文方法在测量活塞在轻气炮内弹道运动历程具有可行性。

2) 本文方法可为校核二级轻气炮内弹道程序提供数据支撑，同时也可以此为基础结合直接压力测量方法，判断膜片破裂时刻等关键参数。

3) 由于将活塞简化为质点带来到时判断的偏差必然会影响活塞速度的计算，下一步将重点针对该问题进行研究。