弹丸发射环境动态参数测试研究

裴东兴,祖 静,张 瑜,沈大伟,刘祖凡

(中北大学 电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051)

武器系统动态参数的测试，由于其测试环境的恶劣性，对于测试装置提出了特殊的要求。基于存储测试的弹载电子测试仪可置于被测体体内实时、完整记录被测参数变化规律的优点被广泛应用于弹药性能和弹道的测试。这种无需引线且具有良好电磁兼容性的弹载电子测试仪在多种动态参数如各种弹箭发射、飞行、终点环境的加速度、姿态、压力等动态参数的测试中发挥了重要的作用[1-2]。

国外的弹载电子测试仪有着广泛的应用，1996年美国国防部和美国陆军联合提出了强化超小型遥测和传感器系统(Hardened Subminiature Telemetry and Sensor System,HSTSS)计划，以开发和演示新一代高g值遥测技术，并将这些产品用于测试领域；瑞士的武器系统与弹药试验中心设计了高g值弹道飞行数据记录器FDR，其结构紧凑(232 mm×64 mm)，质量较小(3.58 kg)[3-5]。

国内研制的微型弹载姿态遥测系统成功获取了某火箭弹的飞行参数，但是对于弹体体积较小、需承受抛撒或撞击目标时高冲击环境下参数的测量，无线遥测系统难以完成[6]。

笔者针对目前在弹体体积较小、需承受抛撒或撞击目标时高冲击环境下参数的测量难题，进行了深入的研究并成功应用于在多个弹载多参数测试试验。

1 总体方案设计

1.1 技术特性

本文介绍一种用于各种弹丸及引信在发射过程的动态参数测试仪器系统。这种仪器放置在被测体上(引信或弹丸内)，随被测体一起运动，承受与被测体相同的环境力，实时实况地测取其动态参数，因而具有以下特性：

1)抗高冲击能力。视发射和终点的具体情况，可测量及承受高达50 000g的发射加速度及100 000g的终点撞击加速度。

2)一弹多参数。为节省试验费用，需要在1次实射中可同时测量弹丸飞行时的微小姿态参数、空气阻力参数、弹上控制制导零件的运动、引信在环境参数激励下的响应运动，及其他的动态参数。

3)一弹多环境。炮弹发射时在炮膛内受到10 000～20 000g的推动加速度，在飞行时受到小于100g的空气阻力加速度，在撞击目标时可受到高达100 000g的撞击加速度，所受到的环境力相差千倍以上，为得到弹丸和引信在全弹道的环境力参数，及其对环境里的响应，弹上测试仪器必需能够承受并在一次射击中准确地测取这些动态参数，因此测试仪具有动态范围大及智能采样功能。

4)微体积微功耗。为适应小弹体动态参量的测量，为不影响被测体的质量和质心分布，以及为减小弹载仪器缓冲装置的负担，弹载电子测试仪的弹上部分必须具有微小的体积和质量，微小的功耗。

5)通用性。弹载电子测试仪要具有通用性，可配用不同的传感器构成多种动态参数的测试系统，具有多种采样策略，通用的体系结构，以满足多种武器系统不同的测试要求。

6)高可靠性。弹体飞行试验是很昂贵的，弹载电子测试仪必须具有高的可靠性。

1.2 总体结构

弹载电子测试仪的体系结构是：把弹上动态参数测试必不可少的功能结构部分放置到弹载电子测试仪上，而把尽可能多的功能结构部分如接口、数据传输、计算机、控制、数据处理、显示、绘图等功能部件放置在地面。再经过特殊的校准系统进行校准，及专门的恶劣环境可靠性考核系统进行考核使其适应弹载测试的恶劣环境。

弹载电子测试仪完成被测参量的获取和存储记录，通过抗高冲击壳体缓冲结构的有效防护，可以提高仪器的存活性。通过专用数据通信接口，地面计算机完成对弹载电子测试仪的参数设置及实验数据的读取、处理、显示。

弹载电子测试仪由电路模块、电池、上电开关、面板、传感器接口、通讯接口、灌封结构和壳体缓冲结构等组成。仪器的原理框图见图1。图中传感器1为轴向安装的加速度传感器；传感器2和3为径向安装的加速度传感器；传感器4为自制的地磁传感器；电路的核心中心控制电路采用本研究室研制的专用ASIC-HB0202,完成对整个测试系统的控制，为了确保数据的可靠性采用了两级防护结构。

1.3 关键技术

1)抗高冲击结构的防护结构。为了确保数据的可靠采集和存储，该测试仪采用了抗高冲击结构防护结构，即仪器的外壳采用高强度钢以保护内部的电路模块，同时在仪器电路模块内部进一步采用高强度钢对核心存储部分闪存进行保护，即使电路模块在撞击目标时结构损坏确保闪存内数据的完整性。

2)智能采样策略。为了满足弹上多种变化规律，采样频率、增益以及偏置的选择及设置关系到能否正确获取完整的信号和测试数据的质量。测试仪采用的专用ASIC-HB0202具有多种采样策略，可根据被测对象的特点、信号的变化规律，实时调整采样频率、增益及偏置等参数。

3)强化缓冲技术。为了确保仪器的可靠性对仪器进行强化处理，即电路模块采用真空灌封工艺，用高强度高硬度环氧树脂灌封，使得在高冲击过载作用下不致因灌封材料弹塑性变形而拉断板间的连接线和板上焊点，同时在电路模块周围增加合适的缓冲结构对电路进行缓冲；为了确保测试仪在高速旋转时各部件间没有相对位移，设计了止转结构。

2 实测数据分析

2.1 引信加速度信号实测分析

图2为利用弹载测试仪测试的某引信在膛内及其发射过程的三轴加速度曲线。

从图2中可以看出，z代表轴向加速度，x和y分别代表了两维径向加速度。可以看出其轴向最大加速度为11 670g；其径向的最大加速度为7 930g。

由F=ma可知，加速度跟压力成正比，本次试验同时通过放入式电子测压器获得了火炮膛压曲线，图3为膛压曲线与轴向加速度曲线的对比图。

根据相关系数rxy公式：

(1)

2.2 引信转速信号的实测分析

图4为某引信在0～1 s内的转速信号变化过程；图5为其在0～100 ms内曲线的展开，可以看出在膛内的发射过程中转速变化比较复杂，最后在炮口处使得转速稳定；图6为膛外转速的变化曲线，可以看出所测得引信膛外转速变化在大约1 s时间内从1.764×104r/min降到了1.74×104r/min。

在发射的同时使用天幕靶对弹丸的初速进行了测量，初速为703 m/s。通过对引信轴向加速度信号的积分得出了弹丸在膛内的速度曲线，如图7所示，计算出引信在出炮口的最大速度为697 m/s。和所测的初速相差6 m/s，验证了测试数据的正确性。

3 结 论

本文针对弹丸发射动态环境(高冲击、高转速、空间狭窄等)的测试难题，设计出了一种新型的存储式弹载电子测试仪，论述了总体方案和关键技术，成功测得引信发射及飞行过程的加速度和转速信号。经过多次实测验证该仪器具有很强的存活性和可靠性，能适应于不同的弹载测试。本文所提出的关键技术可应用于多种引信或弹丸测试系统，对于通用弹载测试仪器研制具有指导意义。

参考文献(References)

[1] 祖静. 新概念动态测试[J]. 测试技术学报, 2004, 18 (增刊):1-9.

ZU Jing . New concept on dynamic measurement [J]. Journal of Test and Measurement Technology ,2004, 18 (s):1-9. (in Chinese)

[2] 祖静，马铁华. 动态测试技术的若干进展和展望[J]. 测试技术学报, 2000, 14(增刊):1-7.

ZU Jing, Ma Tie-hua. Some progress and prospects of dynamic testing technology[J]. Journal of Test and Measurement Technology, 2000,14(s):1-7. (in Chinese)

[3] LOUIS R SZABO, WILLIAM I OSBOME, Advances in digital memory telemeters for artillery projectiles[R]. ADD09011, 1981，26(12) :321-345.

[4] LOUIS R SZABO, LEON H GLASS. Applications of recoverable digital memory telemeters in artillery projectiles[R]. AD-D100116,May 2,1983,2(5):217-235.

[5] 孙福治. 国外兵器测试技术发展综述[J]. 测试技术学报，1995,9(1):8-13.

SUN Fu-zhi.Summary of the development of test technology aboard[J]. Journal of Test and Measurement Technology, 1995,9(1):8-13. (in Chinese)

[6] 刘根旺,赵利军,马瑞萍. 测试仪器的发展及其对军用测试领域的影响[J]. 计算机自动测量与控制,2001,9(2):1-3.

LIU Gen-wang, ZHAO Li-jun, MA Rui-ping. The development of test instrument and its influence on military test field[J]. Computer Automated Measurement & Control, 2001,9(2):1-3. (in Chinese)