彈尾彈射式侵徹數據回收系統設計原理及試驗研究*

馬慧明,張 亞,李世中

(1 中北大學機電工程學院,太原 030051;2 中北大學信息與通信工程學院,太原 030051)

彈尾彈射式侵徹數據回收系統設計原理及試驗研究*

馬慧明1,2,張 亞1,李世中1

(1 中北大學機電工程學院,太原 030051;2 中北大學信息與通信工程學院,太原 030051)

針對侵徹試驗彈回收難、侵徹數據硬回收效率低的問題,提出一種基于彈尾彈射方式的有線傳輸數據回收的方法,進行了包括彈射裝置、火藥氣體動密封裝置、導線釋放裝置、存儲裝置和測試裝置在內的試驗彈侵徹數據回收試驗系統原理設計,并制作了樣機。靜態和動態實驗結果表明,該系統可以將彈體內測試裝置中的試驗數據傳輸到彈體外的存儲裝置中,從而實現侵徹數據的回收。

侵徹數據;彈尾;彈射;硬回收;有線傳輸;動密封

0 引言

為了獲得侵徹目標時的各種高沖擊過載試驗數據[1-5],目前常采用硬回收法[6-10],即利用動態存儲測試技術將試驗數據存放在存儲器中,然后回收試驗彈,取出存儲器讀取其中的數據,完成數據回收。但高沖擊過載侵徹環境惡劣,存在很多不確定因素,尋找試驗彈費時費力,而且很多情況下,因為試驗彈在侵徹目標后跑偏飛出預定攔截區域,或者鉆地太深而無法找到,所以試驗數據也無法回收,造成了人力和財力的很大浪費。還有另外一種無線傳輸數據[11-13]回收法,是利用無線傳輸技術,將彈體中的試驗數據實時傳輸給地面接收裝置,從而達到數據回收的目的。但是,在高沖擊過載的惡劣條件下,傳輸信號易受干擾,傳輸不穩定,而且很多場合不適合無線實時傳輸,如侵徹彈鉆入地下后無線信號就會消失,因此無線傳輸的難度很大,同時在侵徹彈狹小的彈體空間內增加發射裝置,發射功率不能太大,也限制其傳輸距離。因此,這種方法目前還較少采用。綜合考慮以上兩種方法的局限性,文中提出一種利用有線傳輸的侵徹試驗數據回收法,不需要回收試驗彈,只需回收由彈尾彈射出的侵徹數據存儲裝置后讀取數據,即可實現數據回收。

1 基本工作原理

彈尾彈射式有線傳輸回收系統如圖1所示。其基本工作原理為:點火發射后,火藥燃燒推動彈體脫離彈殼,彈體碰擊目標后,彈射裝置將存儲裝置和密封裝置推出彈射通道,存儲裝置與測試裝置通過導線連接,導線釋放裝置隨著存儲裝置的彈射不斷釋放導線,使存儲裝置與測試裝置保持有線連接,這樣測試裝置中的數據就通過導線不斷傳輸至存儲裝置中并保存,導線釋放到一定程度會自行拉斷,數據傳輸結束。由于存儲裝置在彈體侵入目標時就已經釋放出來,停留在侵徹體外,因此,找到存儲裝置就可以讀取數據,而不必去尋找彈體。存儲裝置放在一個密閉的彈射筒內,并且要由彈射裝置將其從彈體尾部的彈射通道彈出,所以存儲裝置相當于一個活機體,為了避免發射時高溫高壓火藥氣體對通道內裝置的沖擊和燒蝕,彈射通道不能采用固定式密封,而只能采用動密封方法。同時,如果空間足夠還可以在存儲裝置中設置發射天線,直接將數據以無線的形式發射出去,但還需要考慮如彈射裝置的彈射力、天線電源、發射功率等諸多問題。

圖1 彈尾彈射有線傳輸回收系統原理圖

2 各裝置設計原理

2.1 彈射及密封裝置

2.1.1 彈射裝置

彈尾彈射式回收方法的關鍵就是在彈體進入侵徹體之前將存儲裝置彈射出彈體,應用自動控制技術來控制存儲裝置的彈出,一方面增加了機構的復雜性,另一方面由于侵徹彈彈道長度的不同致使彈出時機不好控制,所以采用機械式彈射方法。機械式彈射可利用后坐慣性力和離心力實現膛內解保,也可利用前沖慣性力在彈體碰擊目標時解保,這里為了避免內彈道火藥氣體燒蝕和外彈道拖曳過程對存儲裝置和數據傳輸線的破壞采用了碰擊目標時解保的方式。因此,彈射裝置也是一個保險機構,它既要保證勤務和膛內發射時,存儲裝置的可靠保險即存儲裝置不能提前釋放,彈出彈射通道,又要保證在彈體碰擊目標的瞬間,可靠解除保險,使存儲裝置迅速彈出彈體。彈射裝置靠鋼珠[14]鎖止存儲裝置,靠彈體碰擊目標時的前沖慣性力解除保險,從而靠彈簧將存儲裝置彈出。因彈體的前沖慣性力很大,而在有限的彈體空間內,彈射彈簧[15]的尺寸和抗力都不可能設計得太大,因此要保證彈簧的瞬發度,使存儲裝置在彈體與目標接觸的一瞬間就解除保險,這樣才有可能在前沖慣性力超過彈射彈簧有限的抗力之前將存儲裝置彈出彈體。彈射裝置如圖2所示。

2.1.2 密封裝置

由于存儲裝置要從彈體尾部彈出,所以不能采用固定式的螺紋或法蘭密封,只能采用動密封方法。為了克服發射時高溫高壓火藥氣體的沖擊和燒蝕,動密封裝置的結構設計至關重要,其材料強度和密封性必須要滿足要求,避免火藥氣體進入彈射通道燒蝕破壞后續電路、導線和相關機構。這里采用迷宮式動密封[16-18],密封蓋采用楔形結構,該結構能使密封蓋在受到火藥氣體壓力作用時緊緊壓合在密封體上[19-21],起到良好的氣密作用,從而增強其密封性能,如圖3所示。密封體與彈體螺紋連接,密封蓋蓋在密封體上,并且與彈射筒螺紋連接,與彈射筒一起被保險和彈射。圖3(b)中凹槽設置金屬密封圈,也可以增強密封效果。

圖2 彈射裝置

圖3 動密封裝置

2.2 導線釋放裝置

為了取得一定量的數據,需要使數據傳輸時間相對長一些,這樣就要有足夠長度的傳輸導線,以保證導線拉斷之前取得這些數據。足夠長度的導線要放在彈體有限的空間內,必須纏繞起來,為了保證導線在存儲裝置彈射和釋放的過程中不因拉力過大而纏結和被拉斷,就需要導線釋放裝置使導線順利可靠釋放。由于空間限制,所需導線又比較長,這里采用空心纏線結構,纏繞方向與旋轉彈的旋轉方向相反,為了防止散線,在纏好的線團外涂上一層粘合劑,并在出口處套上軟導管以避免導線纏結[22-24]。放線時,導線由里向外一圈一圈釋放,必要時可與導線平行設置一條細鋼絲線,與導線一起纏繞,以增強導線的抗拉強度,鋼絲線和導線同時與存儲裝置固定連接,由鋼絲線承受初始彈射拉力和拖曳過程中的拉力,而測試裝置只與導線連接,不與鋼絲線連接,以便于在導線拖曳行程結束后自行拉斷,不至于因鋼絲線拉不斷而將存儲裝置拉進侵徹體中無法找到。導線裝配如圖4所示。

圖4 導線裝配

2.3 測試及存儲裝置

文中為了驗證有線傳輸回收法的可行性和數據傳輸的正確性,實驗樣機中的測試裝置未采用傳感器實時測試數據,而是在其中預存幾組數據,彈體侵徹目標后存儲裝置開始彈出,這時啟動測試裝置將其中預存的數據向存儲裝置傳輸,這樣就模擬了傳感器測試系統的數據傳輸。回收存儲裝置后讀取其中的數據,如果存儲裝置中的數據與預存在測試裝置中的數據一致,則表明該方法可行,數據傳輸正確,就可以應用到實際的參數測試中。

圖5 存儲裝置

存儲裝置需要考慮沖擊過載的破壞,所以對其電路要進行隔離緩沖保護[25-27],其結構如圖5所示。測試裝置的隔離緩沖保護原理與存儲裝置完全相同。由于供電電池與存儲裝置灌封在彈射筒中,為了保持電池電量,平時電源是斷開的,只有在試驗前才啟動電源開關進行供電。數據傳輸的啟動是在存儲裝置與測試裝置之間設置一條啟動導線,當彈射筒彈出彈體的一瞬間,該啟動導線被拉斷,測試裝置接收到發送數據命令開始向存儲裝置發送數據,直至傳輸導線被拉斷,停止數據傳輸。

3 實驗驗證

3.1 靜態實驗結果

靜態實驗是跌落實驗,主要驗證彈尾彈射式回收法樣機系統在沒有火藥壓力作用下的彈射功能和數據傳輸功能。為了保證回收系統樣機準確跌落到靶板和便于觀察,采用了自制的帶有觀察窗的試驗管,樣機從管內2 m高處向鑄鐵板跌落,沖擊過載為100g左右,實驗結果如圖6所示,由圖可知,系統在沖擊過載達到100g左右時,實現了可靠存儲裝置的可靠彈出和不斷線功能。預存數據為80,81,82,83,84,06,實驗后讀取存儲器中的數據結果如圖7所示,由圖可知,從存儲裝置中讀出的數據與預設的數據一致,說明實現了數據傳輸功能,而且數據傳輸正確。

圖6 靜態實驗結果

圖7 靜態實驗數據

3.2 動態實驗結果

動態實驗是實彈實驗,主要驗證在炮彈射擊和碰擊目標等惡劣條件下的密封、彈射、數據傳輸功能等關鍵技術是否可以實現。通過對密實沙土靶射擊,侵徹過載為300g左右,侵徹深度1.5 m,實驗結果如圖8所示,由實驗可知,系統在沖擊過載達到300g以前已經將存儲裝置可靠彈出數據回收系統,說明其瞬發度能滿足實驗要求,實驗彈彈射孔和存儲裝置完整,說明密封效果良好,實現了膛內發射時的密封和碰擊目標時的彈射功能。預存數據為40,41,42,43,44,06,實驗后讀取存儲器中的數據,如圖9所示,所得數據與預存數據相同,所以也實現了數據回收功能。

圖8 動態實驗結果

圖9 動態實驗數據

4 結論

文中針對侵徹目標時沖擊過載數據硬回收的缺陷,提出了有線傳輸回收的方法,并設計了相關實驗系統,經過實驗驗證,該系統可以實現數據回收功能,可以用于侵徹彈數據的回收。該方法可避免費時費力的挖彈工作和找不到彈體不能回收數據的不便,根據該數據回收方法設計的獨特的回收機構,解決了高溫高壓火藥氣體作用下的動密封問題,同時有線傳輸保證了數據傳輸的可靠性,避免了無線數據傳輸易受干擾和傳輸不連續的缺點。后續研究還需考慮彈體侵徹鋼筋混凝土目標時的可靠彈射,實際測試數據傳輸時的信號衰減、誤碼率等問題,進一步還可以擴展存儲裝置彈出到地面上的無線傳輸數據功能,那么存儲裝置也可以不必回收。

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Design Theory and Experimental Study on Recovery System of Penetration Data Based on Ejection Mode From Projectile Tail

MA Huiming1,2,ZHANG Ya1,LI Shizhong1

(1 School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China; 2 School of Information and Communication Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Since recovery of test projectile and penetration data is difficult and inefficient, a data recovery method based on wired transmission by the ejection way from projectile tail was put forward. The design theory on experiment system of data recovery for projectile was introduced, which included the device of ejection, dynamic seal of explosive gas, weir release, storage and test, and the prototype was made in these theories. The static and dynamic experiment results show that the method and penetration data recovery system can transmit data from the test device inside projectile to storage device outside projectile, and realize recovery of penetration data.

penetration data; projectile tail; ejection; hard recovery; wired transmission; dynamic seal

2015-12-30

馬慧明(1978-),男,山西孝義人,講師,博士研究生,研究方向:目標信息探測與識別技術研究。

TJ410.6

A