弹丸卡膛姿态测试系统设计与实现

张　睿，陈卫国，刘　闯

(1. 73111部队装备部，福建 厦门　361025； 2.陆军军官学院，合肥　230031)



弹丸卡膛姿态测试系统设计与实现

张睿1，陈卫国2，刘闯2

(1. 73111部队装备部，福建 厦门361025； 2.陆军军官学院，合肥230031)

摘要：针对弹丸卡膛姿态对火炮射击精度的影响，分析了弹丸卡膛姿态测试的基本原理，设计了由位敏探测器、光学镜头组、抗过载激光器、信号电路等组成的弹丸卡膛姿态测试系统，并进行了系统试验验证，试验结果表明该测试系统具有较高的精度、重复率和线性。

关键词：弹丸卡膛姿态；机械设计；试验验证

本文引用格式：张睿，陈卫国，刘闯.弹丸卡膛姿态测试系统设计与实现[J].兵器装备工程学报，2016(1):27-30.

Citation format:ZHANG Rui, CHEN Wei-guo, LIU Chuang.Design and Implementation of Projectile Attitude Testing System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(1):27-30.

弹丸卡膛姿态是指弹丸卡膛过程中，弹丸轴线和身管轴线夹角的变化，是卡膛位移或时间的函数。火炮初始偏差和炮口初始扰动是造成弹丸落点散布的主要因素，而卡膛姿态则是影响炮口初始扰动的主要原因，弹丸卡膛姿态异常将会对弹药装填的安全性和射击精度产生重大影响[1-3]。因此研究弹丸卡膛姿态是保证弹丸装填过程和装填后在高低射角变化时不掉弹(装填安全性)的保证。

弹丸的惯性卡膛过程属于瞬态冲击动力学问题，而且卡膛过程中弹带与坡膛发生接触变形又涉及弹塑性接触力学性能，这就加大了对卡膛过程进行研究的难度[4-5]。目前，关于弹丸卡膛过程的研究报道尚不多见。由于卡膛过程持续时间短且发生在炮膛内，给测量带来很大的困难。目前，对弹丸在装填到位时应具有的运动参数还缺乏标准化的研究和实验数据。由于这些基础性研究数据的缺乏，使得在进行输弹系统设计时无科学依据可循，设计品质受到极大制约，而且对火炮整体性能产生负面影响。

综上所述，弹丸卡膛姿态的测试对于提高人工装填水平和大口径火炮装填系统研制、设计、生产和装机调试也具有重要的指导意义。

1卡膛姿态测试原理

在弹丸卡膛过程中，由于弹丸与药室壁的碰撞，轴向运动速度及重力等的作用，姿态在不断变化，基于这种情况，选用PSD来获取姿态信息是比较理想的。

PSD是半导体光电位置敏感器件，基本结构是PN结，工作原理是基于横向光电效应。当光点照射到PSD表面某一点时，由于内光电效应，PSD的信号电极将有相应的电流输出，面阵PSD的输出为

(1)

其中：L为PSD中心到信号电极的距离；X为入射光点距y轴的距离；Y为入射光点距x轴的距离；Px，Py为入射光点二维位置信号。

根据式(1)可得

(2)

设弹丸摆动中心为弹丸弹带起始部，当弹丸的型号一定时，其结构及尺寸都是一定的。假设卡膛位移已知，卡膛位移与姿态角之间有下列关系

(3)

姿态方位角α计算式为

(4)

2卡膛姿态测试系统方案设计

卡膛姿态测试系统主要功能是在大口径火炮装填过程中，对卡膛姿态进行测试、采集和处理。主要由位敏探测器、光学镜头组、抗过载激光器、信号电路等组成。测试系统组成如图1所示。

图1　卡膛姿态测试系统结构示意图

3系统机械部件设计

3.1光电探测器件的选型

卡膛过程中弹丸运动姿态测试条件非常苛刻，对测量精度和测试响应速度都要求很高。为准确获取弹载激光发射装置发出的激光光束位置信息，必须选用响应时间短(μs级)、分辨率高(μm级)的光电探测器件。

通过对不同光电探测器件的性能进行分析和比较，在本测试系统中选取位敏探测器作为激光光束位置信号检测器件。位敏探测器的主要性能参数有：受光面积、光谱响应范围、位置检测误差、位置分辨率、线性度等。

综合光敏面尺寸、响应时间、测量精度以及性价比等因素，系统选择了瑞典SiTek公司的某型二维位敏探测器，该探测器的指标如表1所示。

表1　位敏探测器典型指标

3.2激光光路设计

由于激光位置探测单元的位敏探测器光敏面尺寸只有20 mm×20 mm，同时考虑到位敏探测器的线性区域大约占光敏面尺寸的65%左右，因此，为了保证测试系统的精度，要求采取合适的会聚光路，将测试激光源发出的光束的变化范围压缩到13 mm×13 mm。整个激光光学分系统主要由透镜组、滤光镜、像屏、成像镜头等部件组成，光学分系统组成如图2所示。

图2　成像透镜组的结构

3.3定心机构设计

定心机构由轴杆、旋柄、套筒、套筒支撑、定心装置、滚轮以及弹簧组成。其中定心装置由上伞盘、下伞盘、伞骨构成，伞骨围绕轴杆连接上、下伞盘，随着下伞盘中的销轴再伞骨内导槽的前后移动，伞骨张角不断变化，如图3所示。

图3　卡膛姿态测试系统定心机构示意图

为了保证测试系统总体测量和重复精度，定心装置伞骨采用6点支承，在伞骨顶点安装6个滚轮，滚轮与炮膛做滚动摩擦，这样伞骨可同时随着炮膛内径尺寸变化而变化。它能始终与身管轴线保证重合，这样才能保证测量精度和重复精度。

在进行姿态测试时，沿身管轴线利用定心装置伞骨前端滚轮将定心结构塞入身管内部，通过旋转旋柄，推进套筒前进，从而使两定心机构相互靠近，使得滚轮与膛壁紧密接触，从而达到定心夹紧的目的。其中套筒支撑起到降低轴杆扰动的作用，有利于提高定位精度。

3.4弹丸引信改造部分设计

弹丸引信改造部分包括激光器、引信体和触头。激光器安装于模拟引信内部并固定，在引信外端固定一触头，以便于触动光栅测量头,其结构如图4所示。

图4　引信改造示意图

4激光信号处理模块设计

位敏传感器直接输出微弱的电流信号，通常必须先通过电流/电压变换器将电流信号转变成电压信号，再对这些电信号进行加、减、乘、除运算处理才能得到光斑的入射位置。

系统在选择高速高精度位敏探测器件同时，为保证系统高速可靠，利用模拟器件进行运算，利用数据采集卡进行数据采集的方案实现激光光斑位置探测。信号处理模块电路如图5所示。

图5　二维PSD信号处理电路

5卡膛姿态测试系统试验验证

为了验证系统的精度，对系统进行标定后，进行静态精度和分辨率试验。

将激光器固定在高精度位移平台上，调整位移平台，使激光器输出激光水平。调整接收系统，使激光照射到接收系统前端光学会聚透镜中心，接收系统轴线与激光垂直。打开激光器，保持激光器不动，采集信号。

将弹载激光器固定在位移平台上，调整位移平台，使激光器输出激光水平；调整接收系统，使激光照射到接收系统前端光学会聚透镜中心，接收系统轴线与激光垂直。打开激光器，分别采集激光器不动和激光器在精密平台上移动以固定位移后的信号，采集的信号如图6、图7和图8所示。

图6　位移平台移动可重复性的实验结果

图7　位移平台移动分辨率实验结果

图8　位移平台移动稳定性实验结果

由上述图6～图8可以得出，系统的可重复性可以达到0.1%以上，分辨率能够达到0.01 mm以上和系统具有比较好的稳定性。

6结论

在分析卡膛姿态测试基本原理的基础上，采用模块化设计理论，设计了由位敏探测器、光学镜头组、抗过载激光器、信号电路等组成的卡膛姿态测试系统，通过系统标定试验、静态精度和分辨率试验对系统进行了验证，试验结果表明系统的重复性达到0.1%、分辨率达到0.01 mm，同时系统具有较高的稳定性。

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(责任编辑周江川)

【装备理论与装备技术】

Design and Implementation of Projectile Attitude Testing System

ZHANG Rui1, CHEN Wei-guo2, LIU Chuang2

(1.The No.73111stTroop of PLA, Xiamen 361025, China; 2.Army Academy, Hefei 230031, China)

Abstract:The projectile attitude has important implications for cannon firing accuracy. This paper studied the basic principles of projectile attitude testing system, designed projectile attitude testing system composed by position-sensitive detectors, optical lens group, anti-overloaded laser, and signal circuits and so on. After testing the system, the experimental results show that it has high precision, repetition rate and linear.

Key words:projectile attitude; machine design; experimental verification

文章编号：1006-0707(2016)01-0027-04

中图分类号：TJ3

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.006

作者简介：张睿(1965—)，男，硕士，高级工程师，主要从事火炮装备维修保障及信息化研究。

收稿日期：2015-07-04；修回日期：2015-07-23