基于電磁感應的炮口測速裝置設計與試驗研究

李士彥，蔡德詠

(中國人民解放軍72465部隊, 濟南 250022)

現代戰爭中，高炮武器系統是抗擊中空、低空和超低空目標的主戰兵器。對中小口徑高炮來說，射彈炮口初速變化對高炮射擊精度具有較大影響[1-2]。當高炮受使用環境影響使其初速發生明顯偏差時，若火控計算機輸出的射擊諸元不隨之進行校正，必然導致射彈偏離目標，從而大大降低高炮的射擊準確度[3-4]。為提升高炮的射擊精度，需要進行初速閉環校射以修正射彈初速偏差對彈目偏差量的影響，修正的前提是能夠實時準確的測量射彈初速。通過對高炮加裝炮口初速測試裝置，精確檢測炮口射擊彈丸的初速量值，以此修正高炮的射向和賦予其精確的火力射擊諸元，能夠很大程度的提高高炮對空作戰的毀傷效能，具有顯著的軍事經濟效益[5-7]。電磁感應法經試驗證實是一種既簡易、可靠又精確、經濟的測量彈丸初速的方法。它特別適合裝配于炮口處對高炮發射的彈丸進行初速測量[8-9]。

本文為實現炮口初速的準確測量，采用雙測速線圈區截測時法，研究了初速測試裝置工作原理，綜合應用電磁感應技術、數據采集、自動控制與信號處理等技術，研制了由炮口裝置和信息處理裝置組成的炮口初速測試裝置，并進行了耐高溫、耐高壓檢驗和實彈射擊測試試驗，驗證了測試裝置的性能，為推廣應用高炮炮口初速測試裝置提供了技術參考。

1 工作原理

本文采用雙測速線圈區截測時法實現炮口初速測量，初速測試裝置的工作原理框圖如圖1。

圖1 炮口初速測試裝置的工作原理框圖

裝置采用窄脈沖勵磁、窄線圈結構，生成強磁場窄磁隙，使高速飛經測速線圈的彈丸能夠對磁場形成有效擾動，進而感應電磁信號；采用寬帶儀表放大器、高通濾波器對測試信號進行放大濾波；采用信號分離器對混繞在一起的兩個初速信號進行分離；采用高精度比較器對經過分離的初速信號進行方波整形，獲得理想的初速窄脈沖方波對；采用雙測速線圈區截測時法實現炮口初速測量的關鍵是高精度測試有兩個測速窄脈沖方波之間的時間；采用了DSP+FPGA數字信號處理技術，根據兩個測速線圈之間的電中心距離，快速、精確地計算炮口初速[10-11]。依據測定的彈丸初速進行彈丸彈道軌跡的解算，修正高炮的射向和賦予其精確的火力射擊諸元，從而提高高炮對空作戰的毀傷效能。

2 結構設計

炮口初速測試裝置由炮口裝置和信息處理裝置兩部分組成，其中炮口初速測試裝置安裝于炮口制退器上，信息處理裝置安裝于高炮上部托架上，其使用的電源可以與火炮并網供電。

2.1 炮口裝置

炮口裝置由線圈、支撐架、護套、電纜接線器、護線管、聯接件等組成，如圖2所示。安裝于炮口部，與炮口制退器固化為一體，在盡可能小的直徑范圍內保持與炮膛軸線的同軸度，測量裝置的機械定位與連接要保持強度和高精度的結合。線圈、支撐架、護套、電纜接線器等器件進行組合功能測試，實現對出炮口的彈丸進行初速測量。主要完成對出炮口的彈丸進行初速測量信號的數據采集功能。

圖2 炮口裝置

炮口裝置質量越大，高炮轉動時的轉動慣量就越大，對調炮精度將會產生影響，不利于攔截打擊高速飛行目標。本文的炮口初速測量采用雙測速線圈區截測時法，需要將兩個測速線圈固定在炮口處安裝在支撐架上，采取簡單的結構實現對彈丸出炮口的速度測量，這種在高炮原配的炮口制退器上加裝測速裝置，在不明顯增加炮口部質量的前提下，設計的一種集炮口制退、初速測量、引信裝定功能于一體的多功能炮口裝置，顯然是一種最優化的方案，同時也是一種成本最低的設計加工方案。如果全新研究一種炮口初速測試裝置，將會帶來設計、制作、試驗多環節的驗證與技術鑒定，需要的鑒定試驗周期和保障經費支撐需求大，不利于新技術在老裝備上的推廣應用。因此，采用了在原炮口制退器前端增加一個質量輕(質量≤3 kg)、結構緊湊(長度≤150 mm±50 mm)初速測量裝置。該初速測量裝置采用三線圈組合結構，縮短了炮口初速測試裝置總體長度；采用碳纖維材料制作線圈骨架，使之具有耐火藥氣體中顆粒高速、高溫沖刷的磨損、耐高溫和輕量化性能；采用在線圈骨架外套鋼套并灌注高強度膠封裝，增加了線圈骨架強度，提高了使用壽命。

2.2 信息處理裝置

信息處理裝置由初速測量板、數據處理板、功率放大板、電源板、機箱等組成。主要完成對出炮口的彈丸通過炮口測量裝置的采集的信號進行解算處理功能。機箱對外電氣接口采用航空插接件進行信號線連接，提高信號采集與傳輸的可靠性。電纜與火控計算機連接電路采用CAN總線傳輸，解決了數據采集的高速率傳輸。通過優化總體方案，實現了小型化設計。信息處理裝置外形如圖3所示。

3 試驗研究

在炮口測量裝置和信息處理裝置設計制作完成后，進行了系統調試及高低溫、濕度、沖擊、振動等試驗項目考核，產品性能指標滿足規定要求，炮口初速測試裝置如圖4所示。將炮口測量裝置安裝至某型高炮炮口制退器上進行彈道試驗測試，產品耐高溫、耐高壓性能達到了設計規定的指標。

圖3 信息處理裝置外形

圖4 炮口初速測試裝置

在此基礎上，炮口初速測試裝置又進一步進行了實彈射擊試驗。對某型高炮的實彈射擊彈丸的炮口初速測量，以天幕靶測試結果為標準值，炮口初速測試裝置試驗結果與天幕靶的測試結果如圖5所示。炮口初速測試裝置試驗結果如表1所示，炮口初速測量最大誤差為0.63%，設計要求為<0.8%，滿足系統設計要求。

圖5 口初速測試裝置試驗結果與天幕靶的測試結果

指標參數結果裝置重量≤3 kg耐高溫>800 ℃耐高壓>60 MPa抗沖擊載荷>2 000 g炮口初速測量范圍800～1 100 m/s炮口初速測量誤差0.63%(滿足設計要求<0.8%)

4 結論

應用了電磁感應、數據采集、自動控制與信號處理技術，實現了高精度的測量炮口部對飛離的彈丸初速、編程、解算的信號處理功能。通過精確檢測炮口射擊彈丸的初速量值修正高炮的射向和賦予其精確的火力射擊諸元，能夠很大程度的提高高炮對空作戰的毀傷效能。