彈載光電設備內彈道發射環境測試技術發展研究

易建坤,馬翰宇,朱建生,張東紅

(解放軍陸軍軍官學院，安徽 合肥 230031)

新型炮兵彈藥的彈載光電設備能否承受常規火炮苛刻的膛內發射環境考驗是此類彈藥研發過程需要重點考慮的問題。最有效可靠的方法是采用真實的火炮膛內發射環境來進行試驗研究。早期主要是通過膛壓測試間接研究膛內彈丸及彈載設備的動力學響應；現則發展到膛內與彈上測試相結合的多參數測試技術來研究膛內發射乃至全彈道過程對彈載設備的影響。其中反映火炮特性的膛內壓力指標的測定始終是必不可少的，這是內彈道參數測試的基礎，也是研究彈載光電設備內彈道動力學響應問題及其與發射平臺火炮特性匹配問題的基礎。

基于此，本文對以膛壓測試為基礎的當前內彈道測試技術現狀進行全面梳理，以期為新型炮兵彈藥彈載光電設備內彈道動力學響應問題的研究尋求有效的內彈道測試技術手段。

1 國內火炮膛壓測試技術研究現狀

1.1 三種傳統的膛壓測試技術及其特點[1-2]

1.1.1 銅柱測壓技術

銅柱測壓法是利用銅柱在火藥燃氣壓力作用下產生的永久變形量作為壓力值的度量。火炮射擊時，膛內火藥燃氣壓力作用于銅柱測壓器上，測壓銅柱產生塑性變形，變形量與受力成正比，通過銅柱壓力表將測壓銅柱的變形量換算為壓力值即可確定出膛內火藥燃氣壓力的大小。測試系統主要由測壓銅柱、銅柱測壓器、千分尺等組成。

銅柱測壓法操作方便，工作穩定，成本低廉，適用于大口徑制式火炮燃氣壓力的測量。但只能測量火藥燃氣壓力的最大值，不能測量其隨時間的變化規律。另外測量結果受操作者經驗影響大，測量精度低，存在系統誤差，壓力低約為12%～15%。不過由于其方便易用，至今仍有應用。

1.1.2 應變測壓技術

應變測壓法是利用應變測量系統將壓力的變化轉換為彈性元件的變形量，彈性元件的變形轉變為應變片的電阻變化，電阻的變化再通過電阻應變儀轉換為電壓的變化并進行記錄、輸出的測量方法，屬于彈性變形測壓法。

系統主要由應變式測壓傳感器、電阻應變儀、記錄顯示設備和壓力標定機組成。垂鏈膜片式應變測壓傳感器因其頻響范圍為：30～50 kHz，滿足火炮射擊時的各種壓力測量，得到了廣泛的應用。

應變測壓法的測量精度高于銅柱測壓法，不存在12%～15%的系統誤差。可測量壓力隨時間的變化規律，即p-t曲線。測壓效率高，既可測靜態壓力，又可測動態壓力。在膛內燃氣壓力測量時，只適用于彈道槍(炮)的膛壓測量。且每次試驗前或后都需要對系統進行標定，使用麻煩。

1.1.3 壓電測壓技術

壓電式壓力傳感器是一種壓電型傳感器，它以某些電介質的壓電效應為基礎，在外力作用下電介質的表面上產生電荷，從而實現非電量電測的目的。系統主要由壓電式測壓傳感器、信號處理器、記錄顯示設備和壓力標定機等組成。

壓電式壓力傳感器以膜片式應用最廣，具有質量小，頻響能力高的特點(100 kHz以上)。

壓電式測壓法主要用于動態壓力的測量，具有頻響能力高，靈敏度高，動態測量精度高，電路體積微型化、測試較為方便等特點。目前被廣泛應用于各種內彈道膛壓測試系統中。

以上介紹的應變和壓電測壓技術均屬于引線電測法中的應變和壓電測壓技術，和銅柱(球)測壓技術構成目前國內最主要的膛壓測試方法。

1.2 放入式電子測壓系統

此系統是20世紀90年代初由中北大學開發的一種膛壓測量設備，后經不斷完善與發展。系統主要由放入式電子測壓器和計算機兩部分組成[3-4]。

射擊前將放入式電子測壓器放于藥筒底部。射擊過程中火藥燃氣壓力作用在壓電式壓力傳感器上，壓電式壓力傳感器將壓力的變化轉變為電荷的變化，電荷放大器輸出的模擬信號經模/數轉換器轉換為數字信號后存入存儲器中。射擊結束后，將放入式電子測壓器連接到計算機上，讀出其存儲的壓力測試信號。

放入式電子測壓器既有與銅柱法相當的體積小、無引出線、使用方便的特點。又有與引線電測法相當的測試精度高和可記錄膛壓-時間曲線的能力，并可重復使用。它是一種理想的火炮膛內燃氣壓力測量設備。

國內放入式電子測壓系統所采用的壓電式壓力傳感器在微型化方面與國外有差距，現已向基于電容式應變計的壓力傳感器發展，這使得測壓器結構上更為緊湊且能避免零點飄移現象；電子測壓系統也更趨微型化，目前,0～600 MPa量程的測壓器最小體積可達21cm3[5-8]。

1.3 多路瞬態信號內彈道測試系統

近年來涉及彈載設備的內彈道相關參數的測試試驗越來越復雜，已不再滿足于靠單一膛內壓力指標測試間接研究彈載設備動力學響應，而是開始發展彈上測試技術直接測定膛內彈丸及彈載設備的相關運動指標如三軸加速度等來研究膛內發射乃至全彈道過程對彈載設備的影響[9-13]。測試系統向集成化、復合化的全彈道多指標參數測量方向發展。

1.3.1 膛內多路瞬態信號硬線測試彈上系統[14]

南京理工大學孔德仁項目組提出的一種用于解決膛內異常現象探測問題的基于PCM硬線傳輸技術的膛內多參數測試方法。主要研制出適合對火炮膛壓單元、加速度單元和火藥顆粒對彈底作用力3個物理參量進行測試的復合壓電傳感器。通過在有限的彈丸尾部空間安裝傳感器及電路，對膛壓單元、加速度單元和火藥顆粒對彈底作用力3個物理參量進行硬線測試。

該系統作為一種彈上測試系統，能更直接的反映出彈丸及彈上部件的受力和運動狀態。但由于采用的是在彈底安裝多路測試系統，較之傳統的旋入式或藥筒底部放入式的單一指標測試系統而言，技術要復雜，技術成熟度也低于前二者。另外該系統的測試數據存貯于彈上設備中，在彈丸完整回收后才可以讀取數據。因此，測試彈丸的無損回收是一個很關鍵的環節。

1.3.2 基于VXI虛擬儀器總線的內彈道測試系統[15]

某研究所在內彈道測試項目中提出了一種基于VXI虛擬儀器總線的內彈道綜合測試系統。整個內彈道測試系統由VXI-1010主機箱、系統控制器(AGLIENT E8491B)、VXI-1114高速并行數據采集模塊、筆記本計算機、測速和測壓傳感器構成。

該系統除了能測量多個內彈道參數外，還將VXIbus和虛擬儀器技術平臺運用到內彈道測試試驗中。與傳統測試儀器比較，基于VXIbus的虛擬儀器開發平臺在性能、測量精度、數據處理、擴展性、開發時間、無縫集成以及性價比等方面有著絕對優勢，體現出了用軟件代替測試硬件的內彈道測試技術發展新趨勢。

1.3.3 基于DSP的多通道全彈道彈載數據記錄儀

國內某大學在火炮發射和彈丸飛行相關動態測試領域做了大量工作。最新研制的基于DSP的多通道彈載數據記錄儀是面向彈丸內彈道發射和外彈道飛行全過程的彈上多路瞬態信號測試系統[16]。

系統在DSP控制下能夠實現20路模擬信號、10路TTL信號及一路232信號的實時采樣，且可面向發射和飛行過程的動態參數測試。全彈道數據采集能力有顯著提升。系統產生的數據保存在FLASH存儲器中并在回收后再發送至PC機處理，這表明此系統在應用過程中仍然需無損回收。特別是當需要一次性采集內、外彈道及終點彈道全過程的彈丸動態參數時，如何實現測試系統的性能完好，測試數據的無損回收，相當關鍵。目前國內此類系統為實現終點彈道過程(如爆炸拋撒和靶板侵徹過程)中的動態信號測試，采取對彈載測試系統實施緩沖和保護措施，帶來了測試數據(如加速度)失真問題[17]。

2 國外火炮膛壓測試技術研究現狀

自19世紀60年代諾貝爾利用銅柱測壓器測膛內火藥氣體最大壓力以來，隨著技術的發展在單一膛壓指標的測量方面先后出現了引線電測法測壓、內置式電子測壓等方法。近年來，奧地利HPI公司在內置式電子測壓儀器的微型化方面更達到了新的水平，研制出的 B251 型內置式膛壓測試儀器量程為 600 MPa，體積僅為 22 cm3。

相對于單一膛壓指標測試技術的最新發展，國外在多指標全彈道測試方面尤其是在國內技術成熟度尚不高的彈上多路信號綜合測試技術的發展與應用更值得關注。

2.1 神劍155 mm增程彈彈上綜合測試系統

此系統為美武器研發工程中心研發，由改進過的M864型155 mm炮彈彈體、帶鋼制尾翼的彈底部分和12通道的遙測單元組成(9個用于壓力傳感器，3個用于加速度計)測試彈，具備同時測量發射過程中的彈底壓力、三軸加速度、速度等多個彈丸力學狀態參數的能力，主要用于對155 mm神劍增程彈發射火炮特性和彈上制導子系統進行測試研究。用于彈底壓力測量的9個壓力傳感器分別設置于含有尾翼的彈底部分的不同位置處，其中尾錐部4個，尾翼槽內4個，彈尾部正中央1個。而測量三軸加速度的加速計則安裝在遙測單元內部。在用該測試彈進行的5發實彈試驗中，采用ARRT-116遙測裝置均成功捕獲到彈丸所有測試數據，包括彈底壓力、加速度、速度和位移數據[18]。

在上述基礎上，美武器研究發展工程中心進一步調整了壓力和加速度傳感器在彈體中的位置和數量。測試用的傳感器設置位置不再局限于彈底，對彈載設備運動狀態參數的測試適應性更強[19-20]。

相對于國內正在發展中的彈底測試系統而言，此系統測試信號是在出炮口后由天線發射回來由遙感裝置接收獲取，而不是通過回收靶道回收彈丸和測試系統而獲取的，故不存在回收靶道的建設問題。

2.2 彈載內彈道環境綜合測試儀器

為更好地了解大口徑火炮系統內彈道性能，美國陸軍研究實驗室開發了彈載綜合測試儀器來獲取彈丸在內彈道過程中的彈道特征參量數據[21]。該彈載綜合測試儀器實際是一個集成有壓力、溫度、加速度傳感器測試儀器及數據傳輸天線等于一體的綜合測試儀器系統。此儀器安裝于彈底部，可對近40 ms時間段的數據進行采集和儲存。出炮口后，前方彈丸與之分離，露出天線部分，將測試數據發回地面接收站。該裝置可與不同口徑的測試彈組合，除可對內彈道發射環境參數進行測試外，也可對全彈道飛行中的參數進行測試，測試功能趨于多樣化和復合化。體現了當前內彈道測試系統向綜合化全彈道方向發展的趨勢。

3 總體評價

綜合對國內外單一指標的膛壓測試技術和多指標的內彈道綜合測試系統發展現狀的分析。不難發現：

1)目前內彈道發射環境測試技術國內仍以單一內彈道指標——膛壓測試技術為主。最傳統的銅柱測壓方法仍有應用，但最終會被淘汰。而彈性變形電測法中，則以旋入式壓電測壓法應用最為普遍，技術最為成熟。相比以上方法，放入式電子測壓系統具有明顯優勢，仍將是今后一段時間發展的重點。

2)內彈道發射環境多指標綜合測試技術在國內尚處起步發展階段。特別是彈底多路瞬態信號內彈道綜合測試系統目前國內發展及應用情況與國外有差距。相比于目前僅以測膛壓的單一內彈道測試系統，彈底多路瞬態信號內彈道綜合測試系統更符合對彈丸和彈載設備本身膛內運動狀態進行試驗研究的需要，應予重點發展。

4 結束語

基于以上分析，對面向新型炮兵彈藥彈載光電設備膛內動力學響應問題研究的內彈道測試技術提出如下建議：

1)彈載光電設備過載問題的試驗研究應以發展類似美軍彈上綜合測試系統的多路瞬態信號內彈道測試技術為方向。同時獲得彈底壓力和彈上加速度測試數據可直接反映彈載光電設備內彈道發射階段的受力狀態和運動狀態，且兩者數據可互相驗證，增加了試驗的可靠性。

2)若還需要研究經歷內彈道發射過程后的彈載設備最終狀態，則建議采用將測試信息先存貯后回收讀取的多路瞬態信號綜合測試系統技術。如何設計好相應的彈丸回收靶道使彈載設備及彈上測試系統保持內彈道過程后的最終狀態而不受后續彈道過程的影響是實現此測試技術的一個重要的環節。

3)若需對新型炮兵彈藥全彈道過程中的彈上動態參數進行測試，則需要發展適應全彈道力學環境要求的彈上綜合測試系統(如彈載數據記錄儀)以及相應的測試數據無線傳輸和接收技術。

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