基于應變測試系統的二級輕氣炮活塞運動測量

趙奇峰， 李運良， 李進， 張向榮， 朱玉榮， 譚書舜， 張子棟

(西北核技術研究所， 陜西 西安 710024)

0 引言

二級輕氣炮的內彈道過程是極其復雜的, 它涉及到驅動氣體、活塞、輕質氣體與彈丸四者之間的相互作用問題[1]，同時各參量具有量值高、變化幅度大、變化時間短的特點，在這種惡劣環境中獲取測試信息是國內外測試界的一大難點。

隨著新型實驗設備和實驗方法的出現，內彈道理論研究從數值模擬逐步向實驗研究邁進。國內外學者紛紛探究了內彈道參數的實驗測量方法，在1939～1945年二戰時期，德國學者就曾運用hard-wired測試技術成功測試到火炮膛內彈丸運動過程中的動態數據[2]。王黎明等對微波干涉儀測量的內彈道速度做了一定的研究，測得彈丸在內彈道過程的行程和時間曲線[3]。彭其先等利用激光干涉測量系統能以數米每秒的分辨率精確地連續測量彈丸從起動到出炮口的速度，進而得到位移、加速度，給輕氣炮發射系統的設計與檢測提供重要實驗參數[4]。中北大學祖靜教授帶領團隊成員，開展一系列的動態存儲測試相關工作，在膛壓、彈底壓力測試、全彈道多參數測試等領域中獲得了重大突破，并且形成了一種獨具特色的測試理論與校準技術[5-6]。

在二級輕氣炮中，活塞是一個傳遞能量的工具[7]。用活塞速度可以評估輕氣炮內彈道程序的精度，其變化過程與彈底壓力過程對比，可以研究活塞對氣體壓縮的過程關系，也可以評價二級輕氣炮程序設計的準確性[8]。因此，活塞在泵管內的運動過程是二級輕氣炮內彈道理論分析的核心問題。實驗測量輕氣炮活塞在內彈道的速度、加速度及活塞前后的壓力這些參數對完善內彈道理論、提升輕氣炮發射能力具有非常重要的指導意義。Con利用準一維流體動力學程序仿真出二級輕氣炮發射過程中氣體和活塞相互作用的關系[9]，黃潔等采用計算流體力學方法求解流場控制方程，獲得了活塞運動過程[10]，但是，針對二級輕氣炮活塞運動歷程測試方面開展的實驗研究較少。

本文針對獲取活塞運動歷程的重要性，提出利用二級輕氣炮泵管沿軸向外貼多個應變片的方式監測輕氣炮活塞經過泵管引起的瞬時應變，從而推導出活塞在泵管中軸向運動位置信息，進而獲得活塞運動過程。這一測試方法相比以往測量活塞速度的方法(如微波,磁感應等)，具有受泵管振動和后退的影響小，信號噪聲小，價格低廉，易于安裝，且不需要對炮管進行開孔處理等優點。

1 二級輕氣炮工作原理和實驗測試方法

1.1 二級輕氣炮工作原理

如圖1所示，二級輕氣炮結構主要包括高壓氣室、泵管和發射管等。其工作原理是：泵管抽真空后注入一定量的輕質氣體(如：H2或He)，高壓氣室內氣體膨脹，推動活塞向前運動絕熱壓縮泵管內的輕質氣體，使其在泵管末端形成一個新的高溫、高壓氣室，當該氣室的氣壓超過膜片承受能力時，膜片破裂，高溫、高壓氣體推動彈丸在發射管中向前運動，并最終獲得很高的炮口初速[11-12]。

1.2 實驗測試方法

二級輕氣炮活塞兩端帶有裙邊自密封設計，因此在發射過程中，受壓膨脹會擠壓泵管產生環向應變。在57 mm/10 mm氣炮泵管外壁沿軸向的特定位置分別布置一系列應變片，并配置應變放大器和高速數據采集系統(16通道，100 MHz/通道)。在輕氣炮發射過程中，利用該系統記錄各測量點的應變片的突變信號，并通過分析信號代表的活塞位置信息，從而得到活塞在泵管內的運動歷程。根據實驗要求先后布置了7個測點和13個測點，參見圖1所示，關聯位置數據見列表1.

表1 實驗測試點布置位置情況Tab.1 Layout of measuring points mm

由于泵管壁較厚，導致有效信號小、輕氣炮發射過程軸向干擾較大，因此，測試采用單軸BE系列應變片，其具備柔韌性好、粘貼方便、性能穩定等特點。同時，采取對稱雙片粘貼方式來放大信號倍數，減小干擾，提高信噪比。為減小誤差，要盡量保證應變片粘貼方向的精準性，應變片測試相關參數見表2.

表2 應變測試參數Tab.2 Strain measuring parameters

根據應變片的參數和應變儀的設置得到了泵管環向應變εθ與應變儀輸出電壓U0間的換算關系如(1)式所示：

(1)

式中：Eb為電橋電壓；K為應變片靈敏度系數；Kg為應變儀放大倍數。

如圖2所示，泵管內直徑2a=57 mm，泵管外直徑2b=150 mm，泵管內壁氣壓為qa，泵管外壁的環向應力為σθ，測點距泵管圓心距離為r且r=b，忽略泵管連接法蘭盤、底座的影響，假設泵管無限長時，利用彈性力學關系[13]，如(2)式所示：

圖2 泵管橫截面示意圖Fig.2 Cross-sectional diagram of pump tube

(2)

為了驗證實驗系統的有效性，在57 mm/10 mm二級輕氣炮上開展了多次實驗, 表3為其中實驗1和實驗2的實驗參數。

表3 57 mm/10 mm二級輕氣炮實驗參數Tab.3 Experimental parameters of 57 mm/10 mmtwo-stage gas gun

2 實驗結果及分析

2.1 泵管內壓力變化

實驗1得到的應變信號，根據(1)式和(2)式，得到了活塞在泵管內運動過程的壓力變化波形圖，以活塞經過測點1引起的壓力起跳為橫坐標零點，活塞經過測點1～測點4時引起了明顯的壓力變化，該壓力快速上升沿可作為活塞經過該測點的標志，從而得到活塞沿軸向的運動位置及時間信息，如圖3所示。活塞與高壓錐段沖撞引起的泵管軸向位移加速度引發壓力變化，如圖3尾部所示。

圖3 實驗1壓力波形Fig.3 Pressure waveform in Experiment 1

活塞在泵管中運動引發的壓力變化規律在經過測點6時發生了變化，通過分析，活塞在靠近錐段過程中，活塞前方氫氣被充分壓縮，因此在活塞未經過測點時出現壓力高峰，活塞通過測點后出現壓力減小的現象[14]。因此在活塞通過錐段附近測點的時間判讀與之前不同，應以壓力下降時刻為準。圖4是測點1、測點2與測點6、測點7的壓力變化對比圖。

圖4 測點1、測點2與測點6、測點7對比壓力波形Fig.4 Comparison of the pressure changes at measuring points 1 and 2, and measuring points 6 and 7

為了進一步驗證實驗可行性，開展了實驗方案2，將布局點從7個加至13個。活塞在泵管內運動過程的壓力變化波形圖，如圖5所示。

圖5 實驗2壓力波形Fig.5 Pressure waveforms in Experiment 2

2.2 運動時間歷程及彈底壓力變化

根據測量所得的實驗數據，分別得到實驗1、實驗2各布局點的到時、峰值壓力及活塞速度等參數，見表4.

表4 實驗1和實驗2各測點實驗數據Tab.4 Experimental data of each measuring point in Experiments 1 and 2

根據測點位置和活塞通過各測點的時間采用Lagrange二次擬合法求解得到活塞通過各測點的速度。由于計算中將活塞簡化為質點，忽略了由活塞長度等引起的壓力突變時間點與活塞實際運動到該位置的時間點之間存在偏差的影響，因此將會給計算結果帶來一定影響。

實驗1和實驗2中活塞經過不同測點時時間運動歷程曲線如圖6所示。圖7給出了在實驗1和實驗2中活塞運動過程中經過各測點處泵管內氣體壓力。

圖6 實驗1和實驗2條件下活塞運動時間歷程Fig.6 Motion time history of piston in Experiments 1 and 2

圖7 實驗1和實驗2條件下活塞運動位移與活塞底部壓力的關系Fig.7 Relationship between motion displacement and pressure of projectile base in Experiments 1 and 2

如圖3和圖5所示，當活塞前后壓力接近時，活塞通過測點后，引起的壓力變化擾動非常小，活塞到時難以精確判讀，造成圖7中測點7～測點10處的彈前壓力不可忽略出現震蕩現象。(2)式基于無限長圓筒，實際上受到泵管轉接端連接法蘭、泵管固定支座等約束作用，測試壓力結果可能偏小。

2.3 結果分析對比

采用文獻[15]提供的二級輕氣炮內彈道理論，對實驗2的活塞運動時間歷程進行理論分析。如圖8所示，給出了實測結果與理論計算結果的對比圖，二者間吻合效果良好。

圖8 實驗數據與理論計算結果對比圖Fig.8 Comparison of experimental and calculated results

3 結論

本文對輕氣炮活塞在內彈道的運動歷程進行研究，提出了一種基于應變測試活塞運動歷程的方法。該方法應用于實驗室57 mm/10 mm二級輕氣炮內彈道參數測量研究上，測量結果與文獻[15]中提出的二級輕氣炮內彈道理論進行了對比分析。得出以下主要結論：

1) 本文方法在測量活塞在輕氣炮內彈道運動歷程具有可行性。

2) 本文方法可為校核二級輕氣炮內彈道程序提供數據支撐，同時也可以此為基礎結合直接壓力測量方法，判斷膜片破裂時刻等關鍵參數。

3) 由于將活塞簡化為質點帶來到時判斷的偏差必然會影響活塞速度的計算，下一步將重點針對該問題進行研究。