我国火炮膛压塑性测压的计量发展研究

杨丽侠

(西安近代化学研究所，陕西，西安710065)

0 引言

塑性变形测压法使用方便，只需一个塑性测压器件(塑性敏感元件、测压器);操作简单，可不破坏被试武器;数据稳定可靠且经济，因此，仍是我国乃至世界各国火炮膛压检验的主要手段。目前我国大部分的火炮武器均采用塑性测压器材测量膛内火药燃气的峰值压力，其测试结果被用来评定火炮装药、弹丸及引信等产品的弹道性能，也作为科研、生产特别是产品交验环节的重要依据。因此，研究塑性测压技术的计量发展，获得准确可靠的膛内峰值压力，实现准确的量值传递和计量保障，并与国际压力基准接轨，既方便兵器技术交流和产品进出口等，也对常规兵器的研究和发展具有十分重要的意义。

1 实施动态校准是塑性测压的发展方向

用塑性测压法测量火炮膛内的峰值压力，直接测量的是敏感元件(铜球、铜柱)的变形量或压后高度，因此，使用之前必须先测出敏感元件塑性变形量和压力之间的对应关系，编制压力换算表，再进行校准。塑性测压法根据敏感元件校准方法的不同，又分为静态校准和动态(准动态)校准，校准原理示意图分别见图1 和图2。

静态校准是在杠杆式力机上对敏感元件进行加载试验，得到不同力与铜柱压后高或变形量之间的对应关系，根据所使用测压器的活塞面积，将力值折算成对应压力值，获得压力值与压后高或变形量的对应关系，进行静态压力对照表的编制。

动态(准动态)校准是在落锤液压校准装置(简称落锤装置)上进行试验，利用落锤装置中的造压油缸产生半正弦压力源，类似火炮膛压的P －t 曲线，由4 路压电传感器、电荷放大器及数据采集系统组成标准压力测试系统，测试压力峰值的平均值作为标准压力Pm，在压力源相同位置上安装的塑性测压敏感元件接受相同的压力而产生塑性变形△h 或h，变形量与所承受压力之间通过数学处理编制压力对照表，实现对测压敏感元件的压力校准。高、低温试验箱用于对测压敏感元件进行高、低温校准，修正温度的影响。

膛压电测技术的发展，使人们发现利用静态校准的铜柱铜球等塑性敏感元件，对快速变化的动态膛压存在一定的动态系统误差，静态校准方法所测膛压存在严重的动态测量误差，一般比“真值”要低5% ～30%，因此，国内外都在研究新的校准方法和校准手段［1－4］，国际膛压塑性测压正在从静态校准向动态校准演变，美、英、北约集团等率先采用电测法测压，用接近真值的动态校准的敏感元件测压代替静态校准的塑性测压，到了20 世纪90 年代初，英、美和北约等已建立了塑性测压的校准体系，并将其标准化［5－7］。以电测法作为约定真值的比对式动态校准方法，可实现塑性测压法与电测法测试压力峰值的互转，并可通过压电传感器溯源到ISO 国际压力基准。因此，动态校准已被美、英、北约等西方国家普遍采用，是国际膛压检测校准技术的发展方向。

图1 静态校准原理示意图

图2 动态校准原理示意图

2 国内现状分析

2.1 塑性测压静动态校准方法并存，铜柱及测压器品种繁杂，压力数据无可比性

长期以来，我国沿袭前苏联的塑性测压静态校准方法，针对不同的武器系统使用不同规格的铜柱作为敏感元件，导致现行大部分的武器系统均采用静态校准铜柱进行产品交验，柱形铜柱、锥形铜柱多达十种，铜柱测压器也品种繁多［8－11］。然而，随着电测技术和国际塑性测压动态校准技术的发展，静态校准方法阻碍了我国高性能火炮的设计和研制，制约了兵器产品的进出口。为了仿研美国型号武器，迫使我国进口并仿研了美国的铜球和测压器，实施动态校准，因此，形成了以静态校准为主，静态校准和动态校准并存的局面，导致同一压力源下出现多种不同的测量结果，膛压数据无可比性，表1 为我国典型火炮装药交验用测压器材及校准方法。

表1 我国典型火炮装药交验用测压器材及校准方法

2.2 动态校准尚未建立计量标准，且高膛压火炮无动态校准的测压器材可用

我国实施动态校准的测压器材仅为仿研美国的铜球和测压器，其稳定的测压范围为100 ～500 MPa，用于以仿研为主的火炮武器，铜球和测压器没有计量标准及量传手段和方法;随着身管武器向高膛压高初速的方向发展，为增加威力和射程，越来越多的武器系统采用高能发射装药，我国制式火炮弹药产品的交验已从膛压峰值为300 MPa 左右提高到450 ～600 MPa，高膛压武器系统的峰压最高可达690 MPa，如125 mm坦克炮等，武器性能提升伴随着膛压提高，而我国无动态校准高压测压器材，现行的部分高膛压武器又回到静态校准的铜柱，如4 mm ×8 mm 静校铜柱和38 cm3测压器，其测压范围为300 ～600 MPa。武器膛压越高，动静差问题越突出，影响了火炮产品的研制和生产。

3 塑性测压的计量发展思路

针对塑性测压校准技术的发展趋势及我国火炮膛压塑性测压器材的技术现状，探讨塑性测压器材及校准技术的发展思路。

3.1 研究测压范围为20 ～700 MPa、小型化、规格单一化的铜柱及测压器

1)敏感元件实施动态校准是塑性测压的发展趋势，我国南京理工大学朱明武教授已成功研究了落锤校准装置，用于对仿研铜球进行动态校准，火炸药计量一级站［12］也建立了高精度的动态校准装置，测试系统的不确定度为0.5%，我国塑性测压实施动态校准已有了一定的技术基础。

2)简化铜柱规格、减小测压器的体积，可通过优化铜柱的直径、长径比、质量等，调节测压器的活塞面积及配合间隙等扩大测压范围，可以解决我国上述火炮膛压塑性测压的数据无法比较的问题。表1 为北约组织各成员的塑性测压器［5］，可以看到，北约各成员国使用较少的铜柱或铜球规格，实现较宽的测压范围。我国学者［3］也对此进行了理论分析，采用现代设计方法针对φ4 ×8，φ3.5 ×8.75 两种型号的铜柱进行分析，并缩少测压活塞面积为0.1cm2，可扩大压力范围达20 ～800 MPa，使测压器小型化，体积＜15 cm3，火炮初步试验有一定的可行性。因此，应尽快研究定型我国自主创新的塑性测压动态校准器材，以统一塑性测压的量值。

表1 北约组织的塑性测压器

3.2 建立塑性测压动态校准的计量标准，形成溯源和量值传递体系

3.2.1 鉴选标准测压器件，建立标准压力对照表

1)通过精选铜材、优化铜柱加工工艺，多批次铜柱加工等措施，使用压力机加载试验、落锤校准试验，研究铜柱热处理温度、工艺条件等对铜柱的变形量及一致性的影响，研究铜柱表面强度、坚强性、变形规律及影响因素等，鉴选标准批铜柱。

2)建立高压模拟装置，获得火炮膛内－t 曲线的全过程压力环境，通过火药燃气作为压力源考核测压器的抗烧蚀性、密封性、初温变化，特别是高低温环境下测压器的动态测压性能，防止测压器在高温高压下火药气体泄入本体，低温下活塞不被“抱死”等，将塑性测压器与电测值进行比对，鉴选动态测压性能优良的测压器为标准级测压器。

3)对标准铜柱及测压器，研究定值分段范围、预压值等，并在测压范围内选取9 ～11 个压力点下进行落锤校准试验，进行3 ～5 次的系列重复试验，采用多项式回归分析，建立变形量与压力的数学模型，编制20℃、脉宽为6 ms 下的动态校准标准压力对照表，对一种规格的铜柱(球)和测压器只编制1 套(2 ～3个)标准压力对照表;该方法代替我国长期以来的十几种测压铜柱和大大小小的测压器及仿美的铜球和测压器等所需的多种且每批编一次表的繁乱的状况，解决了现有静态校准的系统误差，可确定并提高塑性测压动态校准体系的标准测量不确定度，便于计量标准更新、拓宽和计量管理，可与国际膛压塑性测压的校准技术发展趋势接轨。

4)温度和压力－时间曲线的脉宽是影响铜柱变形量的主要因素，在不同压力下每摄氏度引起的误差约为0.1% ～0.2%，当测压时环境温度与编表校准时环境温度相差数十度时，铜柱测压将产生5% ～10%的测量误差;当脉宽在2 ～14 ms 范围变化时，与脉宽为6 ms 时编表值相比，将产生－3% ～+6%的测量误差，在脉宽小于6 ms 时，误差为负，在脉宽大于6 ms 时，误差为正。为尽可能覆盖我国火炮系统膛压曲线的环境温度和脉宽范围，提高塑性测压精度，通过落锤装置改变温度和脉宽，研建标准铜柱动态压力对照表高低温和脉宽修正模型。

3.2.2 形成动态校准的溯源和量值传递体系

1)研建敏感元件量值传递的校准装置，如落锤装置造压油缸改造、模拟炮等，研究量值传递方法和判据，考核被试批和标准批之间的差异，以确定不同批次的铜球铜柱和测压器的性能和等级，考核可分敏感元件和测压器两类。

2)使用标准的敏感元件(铜球、铜柱)、测压器及建立的标准压力对照表对敏感元件进行量值传递，同种铜线原材料下同种规格的铜柱铜球不再编表，经考核合格后，直接使用标准压力对照表;考核使用动态校准的半正弦形落锤装置，与标准批比对校准，以比较不同批次敏感元件与标准批塑性变形的差异，确定标准压力对照表的适应性，对敏感元件进行分级，如标准、合格及不合格等。

3)对于测压器具的动态性能考核，使用高压(达700 MPa)动态模拟炮装置，将被考核测压器与高级别测压器放置在火药燃气药室的同一截面，进行比对式动态校准，根据考核试验结果，确定测压器的等级。该方法对塑性测压器材进行日常性能考核和分级，无须在药室身管开电测孔，可降低塑性测压器材生产考核的成本，操作方便，并与现行静态校准体系的测压器考核接轨［13－14］，可实施性强。

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