弹载光电设备内弹道发射环境测试技术发展研究

易建坤,马翰宇,朱建生,张东红

(解放军陆军军官学院，安徽 合肥 230031)

新型炮兵弹药的弹载光电设备能否承受常规火炮苛刻的膛内发射环境考验是此类弹药研发过程需要重点考虑的问题。最有效可靠的方法是采用真实的火炮膛内发射环境来进行试验研究。早期主要是通过膛压测试间接研究膛内弹丸及弹载设备的动力学响应；现则发展到膛内与弹上测试相结合的多参数测试技术来研究膛内发射乃至全弹道过程对弹载设备的影响。其中反映火炮特性的膛内压力指标的测定始终是必不可少的，这是内弹道参数测试的基础，也是研究弹载光电设备内弹道动力学响应问题及其与发射平台火炮特性匹配问题的基础。

基于此，本文对以膛压测试为基础的当前内弹道测试技术现状进行全面梳理，以期为新型炮兵弹药弹载光电设备内弹道动力学响应问题的研究寻求有效的内弹道测试技术手段。

1 国内火炮膛压测试技术研究现状

1.1 三种传统的膛压测试技术及其特点[1-2]

1.1.1 铜柱测压技术

铜柱测压法是利用铜柱在火药燃气压力作用下产生的永久变形量作为压力值的度量。火炮射击时，膛内火药燃气压力作用于铜柱测压器上，测压铜柱产生塑性变形，变形量与受力成正比，通过铜柱压力表将测压铜柱的变形量换算为压力值即可确定出膛内火药燃气压力的大小。测试系统主要由测压铜柱、铜柱测压器、千分尺等组成。

铜柱测压法操作方便，工作稳定，成本低廉，适用于大口径制式火炮燃气压力的测量。但只能测量火药燃气压力的最大值，不能测量其随时间的变化规律。另外测量结果受操作者经验影响大，测量精度低，存在系统误差，压力低约为12%～15%。不过由于其方便易用，至今仍有应用。

1.1.2 应变测压技术

应变测压法是利用应变测量系统将压力的变化转换为弹性元件的变形量，弹性元件的变形转变为应变片的电阻变化，电阻的变化再通过电阻应变仪转换为电压的变化并进行记录、输出的测量方法，属于弹性变形测压法。

系统主要由应变式测压传感器、电阻应变仪、记录显示设备和压力标定机组成。垂链膜片式应变测压传感器因其频响范围为：30～50 kHz，满足火炮射击时的各种压力测量，得到了广泛的应用。

应变测压法的测量精度高于铜柱测压法，不存在12%～15%的系统误差。可测量压力随时间的变化规律，即p-t曲线。测压效率高，既可测静态压力，又可测动态压力。在膛内燃气压力测量时，只适用于弹道枪(炮)的膛压测量。且每次试验前或后都需要对系统进行标定，使用麻烦。

1.1.3 压电测压技术

压电式压力传感器是一种压电型传感器，它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量电测的目的。系统主要由压电式测压传感器、信号处理器、记录显示设备和压力标定机等组成。

压电式压力传感器以膜片式应用最广，具有质量小，频响能力高的特点(100 kHz以上)。

压电式测压法主要用于动态压力的测量，具有频响能力高，灵敏度高，动态测量精度高，电路体积微型化、测试较为方便等特点。目前被广泛应用于各种内弹道膛压测试系统中。

以上介绍的应变和压电测压技术均属于引线电测法中的应变和压电测压技术，和铜柱(球)测压技术构成目前国内最主要的膛压测试方法。

1.2 放入式电子测压系统

此系统是20世纪90年代初由中北大学开发的一种膛压测量设备，后经不断完善与发展。系统主要由放入式电子测压器和计算机两部分组成[3-4]。

射击前将放入式电子测压器放于药筒底部。射击过程中火药燃气压力作用在压电式压力传感器上，压电式压力传感器将压力的变化转变为电荷的变化，电荷放大器输出的模拟信号经模/数转换器转换为数字信号后存入存储器中。射击结束后，将放入式电子测压器连接到计算机上，读出其存储的压力测试信号。

放入式电子测压器既有与铜柱法相当的体积小、无引出线、使用方便的特点。又有与引线电测法相当的测试精度高和可记录膛压-时间曲线的能力，并可重复使用。它是一种理想的火炮膛内燃气压力测量设备。

国内放入式电子测压系统所采用的压电式压力传感器在微型化方面与国外有差距，现已向基于电容式应变计的压力传感器发展，这使得测压器结构上更为紧凑且能避免零点飘移现象；电子测压系统也更趋微型化，目前,0～600 MPa量程的测压器最小体积可达21cm3[5-8]。

1.3 多路瞬态信号内弹道测试系统

近年来涉及弹载设备的内弹道相关参数的测试试验越来越复杂，已不再满足于靠单一膛内压力指标测试间接研究弹载设备动力学响应，而是开始发展弹上测试技术直接测定膛内弹丸及弹载设备的相关运动指标如三轴加速度等来研究膛内发射乃至全弹道过程对弹载设备的影响[9-13]。测试系统向集成化、复合化的全弹道多指标参数测量方向发展。

1.3.1 膛内多路瞬态信号硬线测试弹上系统[14]

南京理工大学孔德仁项目组提出的一种用于解决膛内异常现象探测问题的基于PCM硬线传输技术的膛内多参数测试方法。主要研制出适合对火炮膛压单元、加速度单元和火药颗粒对弹底作用力3个物理参量进行测试的复合压电传感器。通过在有限的弹丸尾部空间安装传感器及电路，对膛压单元、加速度单元和火药颗粒对弹底作用力3个物理参量进行硬线测试。

该系统作为一种弹上测试系统，能更直接的反映出弹丸及弹上部件的受力和运动状态。但由于采用的是在弹底安装多路测试系统，较之传统的旋入式或药筒底部放入式的单一指标测试系统而言，技术要复杂，技术成熟度也低于前二者。另外该系统的测试数据存贮于弹上设备中，在弹丸完整回收后才可以读取数据。因此，测试弹丸的无损回收是一个很关键的环节。

1.3.2 基于VXI虚拟仪器总线的内弹道测试系统[15]

某研究所在内弹道测试项目中提出了一种基于VXI虚拟仪器总线的内弹道综合测试系统。整个内弹道测试系统由VXI-1010主机箱、系统控制器(AGLIENT E8491B)、VXI-1114高速并行数据采集模块、笔记本计算机、测速和测压传感器构成。

该系统除了能测量多个内弹道参数外，还将VXIbus和虚拟仪器技术平台运用到内弹道测试试验中。与传统测试仪器比较，基于VXIbus的虚拟仪器开发平台在性能、测量精度、数据处理、扩展性、开发时间、无缝集成以及性价比等方面有着绝对优势，体现出了用软件代替测试硬件的内弹道测试技术发展新趋势。

1.3.3 基于DSP的多通道全弹道弹载数据记录仪

国内某大学在火炮发射和弹丸飞行相关动态测试领域做了大量工作。最新研制的基于DSP的多通道弹载数据记录仪是面向弹丸内弹道发射和外弹道飞行全过程的弹上多路瞬态信号测试系统[16]。

系统在DSP控制下能够实现20路模拟信号、10路TTL信号及一路232信号的实时采样，且可面向发射和飞行过程的动态参数测试。全弹道数据采集能力有显著提升。系统产生的数据保存在FLASH存储器中并在回收后再发送至PC机处理，这表明此系统在应用过程中仍然需无损回收。特别是当需要一次性采集内、外弹道及终点弹道全过程的弹丸动态参数时，如何实现测试系统的性能完好，测试数据的无损回收，相当关键。目前国内此类系统为实现终点弹道过程(如爆炸抛撒和靶板侵彻过程)中的动态信号测试，采取对弹载测试系统实施缓冲和保护措施，带来了测试数据(如加速度)失真问题[17]。

2 国外火炮膛压测试技术研究现状

自19世纪60年代诺贝尔利用铜柱测压器测膛内火药气体最大压力以来，随着技术的发展在单一膛压指标的测量方面先后出现了引线电测法测压、内置式电子测压等方法。近年来，奥地利HPI公司在内置式电子测压仪器的微型化方面更达到了新的水平，研制出的 B251 型内置式膛压测试仪器量程为 600 MPa，体积仅为 22 cm3。

相对于单一膛压指标测试技术的最新发展，国外在多指标全弹道测试方面尤其是在国内技术成熟度尚不高的弹上多路信号综合测试技术的发展与应用更值得关注。

2.1 神剑155 mm增程弹弹上综合测试系统

此系统为美武器研发工程中心研发，由改进过的M864型155 mm炮弹弹体、带钢制尾翼的弹底部分和12通道的遥测单元组成(9个用于压力传感器，3个用于加速度计)测试弹，具备同时测量发射过程中的弹底压力、三轴加速度、速度等多个弹丸力学状态参数的能力，主要用于对155 mm神剑增程弹发射火炮特性和弹上制导子系统进行测试研究。用于弹底压力测量的9个压力传感器分别设置于含有尾翼的弹底部分的不同位置处，其中尾锥部4个，尾翼槽内4个，弹尾部正中央1个。而测量三轴加速度的加速计则安装在遥测单元内部。在用该测试弹进行的5发实弹试验中，采用ARRT-116遥测装置均成功捕获到弹丸所有测试数据，包括弹底压力、加速度、速度和位移数据[18]。

在上述基础上，美武器研究发展工程中心进一步调整了压力和加速度传感器在弹体中的位置和数量。测试用的传感器设置位置不再局限于弹底，对弹载设备运动状态参数的测试适应性更强[19-20]。

相对于国内正在发展中的弹底测试系统而言，此系统测试信号是在出炮口后由天线发射回来由遥感装置接收获取，而不是通过回收靶道回收弹丸和测试系统而获取的，故不存在回收靶道的建设问题。

2.2 弹载内弹道环境综合测试仪器

为更好地了解大口径火炮系统内弹道性能，美国陆军研究实验室开发了弹载综合测试仪器来获取弹丸在内弹道过程中的弹道特征参量数据[21]。该弹载综合测试仪器实际是一个集成有压力、温度、加速度传感器测试仪器及数据传输天线等于一体的综合测试仪器系统。此仪器安装于弹底部，可对近40 ms时间段的数据进行采集和储存。出炮口后，前方弹丸与之分离，露出天线部分，将测试数据发回地面接收站。该装置可与不同口径的测试弹组合，除可对内弹道发射环境参数进行测试外，也可对全弹道飞行中的参数进行测试，测试功能趋于多样化和复合化。体现了当前内弹道测试系统向综合化全弹道方向发展的趋势。

3 总体评价

综合对国内外单一指标的膛压测试技术和多指标的内弹道综合测试系统发展现状的分析。不难发现：

1)目前内弹道发射环境测试技术国内仍以单一内弹道指标——膛压测试技术为主。最传统的铜柱测压方法仍有应用，但最终会被淘汰。而弹性变形电测法中，则以旋入式压电测压法应用最为普遍，技术最为成熟。相比以上方法，放入式电子测压系统具有明显优势，仍将是今后一段时间发展的重点。

2)内弹道发射环境多指标综合测试技术在国内尚处起步发展阶段。特别是弹底多路瞬态信号内弹道综合测试系统目前国内发展及应用情况与国外有差距。相比于目前仅以测膛压的单一内弹道测试系统，弹底多路瞬态信号内弹道综合测试系统更符合对弹丸和弹载设备本身膛内运动状态进行试验研究的需要，应予重点发展。

4 结束语

基于以上分析，对面向新型炮兵弹药弹载光电设备膛内动力学响应问题研究的内弹道测试技术提出如下建议：

1)弹载光电设备过载问题的试验研究应以发展类似美军弹上综合测试系统的多路瞬态信号内弹道测试技术为方向。同时获得弹底压力和弹上加速度测试数据可直接反映弹载光电设备内弹道发射阶段的受力状态和运动状态，且两者数据可互相验证，增加了试验的可靠性。

2)若还需要研究经历内弹道发射过程后的弹载设备最终状态，则建议采用将测试信息先存贮后回收读取的多路瞬态信号综合测试系统技术。如何设计好相应的弹丸回收靶道使弹载设备及弹上测试系统保持内弹道过程后的最终状态而不受后续弹道过程的影响是实现此测试技术的一个重要的环节。

3)若需对新型炮兵弹药全弹道过程中的弹上动态参数进行测试，则需要发展适应全弹道力学环境要求的弹上综合测试系统(如弹载数据记录仪)以及相应的测试数据无线传输和接收技术。

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