弹尾弹射式侵彻数据回收系统设计原理及试验研究*

马慧明,张 亚,李世中

(1 中北大学机电工程学院,太原 030051;2 中北大学信息与通信工程学院,太原 030051)

弹尾弹射式侵彻数据回收系统设计原理及试验研究*

马慧明1,2,张 亚1,李世中1

(1 中北大学机电工程学院,太原 030051;2 中北大学信息与通信工程学院,太原 030051)

针对侵彻试验弹回收难、侵彻数据硬回收效率低的问题,提出一种基于弹尾弹射方式的有线传输数据回收的方法,进行了包括弹射装置、火药气体动密封装置、导线释放装置、存储装置和测试装置在内的试验弹侵彻数据回收试验系统原理设计,并制作了样机。静态和动态实验结果表明,该系统可以将弹体内测试装置中的试验数据传输到弹体外的存储装置中,从而实现侵彻数据的回收。

侵彻数据;弹尾;弹射;硬回收;有线传输;动密封

0 引言

为了获得侵彻目标时的各种高冲击过载试验数据[1-5],目前常采用硬回收法[6-10],即利用动态存储测试技术将试验数据存放在存储器中,然后回收试验弹,取出存储器读取其中的数据,完成数据回收。但高冲击过载侵彻环境恶劣,存在很多不确定因素,寻找试验弹费时费力,而且很多情况下,因为试验弹在侵彻目标后跑偏飞出预定拦截区域,或者钻地太深而无法找到,所以试验数据也无法回收,造成了人力和财力的很大浪费。还有另外一种无线传输数据[11-13]回收法,是利用无线传输技术,将弹体中的试验数据实时传输给地面接收装置,从而达到数据回收的目的。但是,在高冲击过载的恶劣条件下,传输信号易受干扰,传输不稳定,而且很多场合不适合无线实时传输,如侵彻弹钻入地下后无线信号就会消失,因此无线传输的难度很大,同时在侵彻弹狭小的弹体空间内增加发射装置,发射功率不能太大,也限制其传输距离。因此,这种方法目前还较少采用。综合考虑以上两种方法的局限性,文中提出一种利用有线传输的侵彻试验数据回收法,不需要回收试验弹,只需回收由弹尾弹射出的侵彻数据存储装置后读取数据,即可实现数据回收。

1 基本工作原理

弹尾弹射式有线传输回收系统如图1所示。其基本工作原理为:点火发射后,火药燃烧推动弹体脱离弹壳,弹体碰击目标后,弹射装置将存储装置和密封装置推出弹射通道,存储装置与测试装置通过导线连接,导线释放装置随着存储装置的弹射不断释放导线,使存储装置与测试装置保持有线连接,这样测试装置中的数据就通过导线不断传输至存储装置中并保存,导线释放到一定程度会自行拉断,数据传输结束。由于存储装置在弹体侵入目标时就已经释放出来,停留在侵彻体外,因此,找到存储装置就可以读取数据,而不必去寻找弹体。存储装置放在一个密闭的弹射筒内,并且要由弹射装置将其从弹体尾部的弹射通道弹出,所以存储装置相当于一个活机体,为了避免发射时高温高压火药气体对通道内装置的冲击和烧蚀,弹射通道不能采用固定式密封,而只能采用动密封方法。同时,如果空间足够还可以在存储装置中设置发射天线,直接将数据以无线的形式发射出去,但还需要考虑如弹射装置的弹射力、天线电源、发射功率等诸多问题。

图1 弹尾弹射有线传输回收系统原理图

2 各装置设计原理

2.1 弹射及密封装置

2.1.1 弹射装置

弹尾弹射式回收方法的关键就是在弹体进入侵彻体之前将存储装置弹射出弹体,应用自动控制技术来控制存储装置的弹出,一方面增加了机构的复杂性,另一方面由于侵彻弹弹道长度的不同致使弹出时机不好控制,所以采用机械式弹射方法。机械式弹射可利用后坐惯性力和离心力实现膛内解保,也可利用前冲惯性力在弹体碰击目标时解保,这里为了避免内弹道火药气体烧蚀和外弹道拖曳过程对存储装置和数据传输线的破坏采用了碰击目标时解保的方式。因此,弹射装置也是一个保险机构,它既要保证勤务和膛内发射时,存储装置的可靠保险即存储装置不能提前释放,弹出弹射通道,又要保证在弹体碰击目标的瞬间,可靠解除保险,使存储装置迅速弹出弹体。弹射装置靠钢珠[14]锁止存储装置,靠弹体碰击目标时的前冲惯性力解除保险,从而靠弹簧将存储装置弹出。因弹体的前冲惯性力很大,而在有限的弹体空间内,弹射弹簧[15]的尺寸和抗力都不可能设计得太大,因此要保证弹簧的瞬发度,使存储装置在弹体与目标接触的一瞬间就解除保险,这样才有可能在前冲惯性力超过弹射弹簧有限的抗力之前将存储装置弹出弹体。弹射装置如图2所示。

2.1.2 密封装置

由于存储装置要从弹体尾部弹出,所以不能采用固定式的螺纹或法兰密封,只能采用动密封方法。为了克服发射时高温高压火药气体的冲击和烧蚀,动密封装置的结构设计至关重要,其材料强度和密封性必须要满足要求,避免火药气体进入弹射通道烧蚀破坏后续电路、导线和相关机构。这里采用迷宫式动密封[16-18],密封盖采用楔形结构,该结构能使密封盖在受到火药气体压力作用时紧紧压合在密封体上[19-21],起到良好的气密作用,从而增强其密封性能,如图3所示。密封体与弹体螺纹连接,密封盖盖在密封体上,并且与弹射筒螺纹连接,与弹射筒一起被保险和弹射。图3(b)中凹槽设置金属密封圈,也可以增强密封效果。

图2 弹射装置

图3 动密封装置

2.2 导线释放装置

为了取得一定量的数据,需要使数据传输时间相对长一些,这样就要有足够长度的传输导线,以保证导线拉断之前取得这些数据。足够长度的导线要放在弹体有限的空间内,必须缠绕起来,为了保证导线在存储装置弹射和释放的过程中不因拉力过大而缠结和被拉断,就需要导线释放装置使导线顺利可靠释放。由于空间限制,所需导线又比较长,这里采用空心缠线结构,缠绕方向与旋转弹的旋转方向相反,为了防止散线,在缠好的线团外涂上一层粘合剂,并在出口处套上软导管以避免导线缠结[22-24]。放线时,导线由里向外一圈一圈释放,必要时可与导线平行设置一条细钢丝线,与导线一起缠绕,以增强导线的抗拉强度,钢丝线和导线同时与存储装置固定连接,由钢丝线承受初始弹射拉力和拖曳过程中的拉力,而测试装置只与导线连接,不与钢丝线连接,以便于在导线拖曳行程结束后自行拉断,不至于因钢丝线拉不断而将存储装置拉进侵彻体中无法找到。导线装配如图4所示。

图4 导线装配

2.3 测试及存储装置

文中为了验证有线传输回收法的可行性和数据传输的正确性,实验样机中的测试装置未采用传感器实时测试数据,而是在其中预存几组数据,弹体侵彻目标后存储装置开始弹出,这时启动测试装置将其中预存的数据向存储装置传输,这样就模拟了传感器测试系统的数据传输。回收存储装置后读取其中的数据,如果存储装置中的数据与预存在测试装置中的数据一致,则表明该方法可行,数据传输正确,就可以应用到实际的参数测试中。

图5 存储装置

存储装置需要考虑冲击过载的破坏,所以对其电路要进行隔离缓冲保护[25-27],其结构如图5所示。测试装置的隔离缓冲保护原理与存储装置完全相同。由于供电电池与存储装置灌封在弹射筒中,为了保持电池电量,平时电源是断开的,只有在试验前才启动电源开关进行供电。数据传输的启动是在存储装置与测试装置之间设置一条启动导线,当弹射筒弹出弹体的一瞬间,该启动导线被拉断,测试装置接收到发送数据命令开始向存储装置发送数据,直至传输导线被拉断,停止数据传输。

3 实验验证

3.1 静态实验结果

静态实验是跌落实验,主要验证弹尾弹射式回收法样机系统在没有火药压力作用下的弹射功能和数据传输功能。为了保证回收系统样机准确跌落到靶板和便于观察,采用了自制的带有观察窗的试验管,样机从管内2 m高处向铸铁板跌落,冲击过载为100g左右,实验结果如图6所示,由图可知,系统在冲击过载达到100g左右时,实现了可靠存储装置的可靠弹出和不断线功能。预存数据为80,81,82,83,84,06,实验后读取存储器中的数据结果如图7所示,由图可知,从存储装置中读出的数据与预设的数据一致,说明实现了数据传输功能,而且数据传输正确。

图6 静态实验结果

图7 静态实验数据

3.2 动态实验结果

动态实验是实弹实验,主要验证在炮弹射击和碰击目标等恶劣条件下的密封、弹射、数据传输功能等关键技术是否可以实现。通过对密实沙土靶射击,侵彻过载为300g左右,侵彻深度1.5 m,实验结果如图8所示,由实验可知,系统在冲击过载达到300g以前已经将存储装置可靠弹出数据回收系统,说明其瞬发度能满足实验要求,实验弹弹射孔和存储装置完整,说明密封效果良好,实现了膛内发射时的密封和碰击目标时的弹射功能。预存数据为40,41,42,43,44,06,实验后读取存储器中的数据,如图9所示,所得数据与预存数据相同,所以也实现了数据回收功能。

图8 动态实验结果

图9 动态实验数据

4 结论

文中针对侵彻目标时冲击过载数据硬回收的缺陷,提出了有线传输回收的方法,并设计了相关实验系统,经过实验验证,该系统可以实现数据回收功能,可以用于侵彻弹数据的回收。该方法可避免费时费力的挖弹工作和找不到弹体不能回收数据的不便,根据该数据回收方法设计的独特的回收机构,解决了高温高压火药气体作用下的动密封问题,同时有线传输保证了数据传输的可靠性,避免了无线数据传输易受干扰和传输不连续的缺点。后续研究还需考虑弹体侵彻钢筋混凝土目标时的可靠弹射,实际测试数据传输时的信号衰减、误码率等问题,进一步还可以扩展存储装置弹出到地面上的无线传输数据功能,那么存储装置也可以不必回收。

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Design Theory and Experimental Study on Recovery System of Penetration Data Based on Ejection Mode From Projectile Tail

MA Huiming1,2,ZHANG Ya1,LI Shizhong1

(1 School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China; 2 School of Information and Communication Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Since recovery of test projectile and penetration data is difficult and inefficient, a data recovery method based on wired transmission by the ejection way from projectile tail was put forward. The design theory on experiment system of data recovery for projectile was introduced, which included the device of ejection, dynamic seal of explosive gas, weir release, storage and test, and the prototype was made in these theories. The static and dynamic experiment results show that the method and penetration data recovery system can transmit data from the test device inside projectile to storage device outside projectile, and realize recovery of penetration data.

penetration data; projectile tail; ejection; hard recovery; wired transmission; dynamic seal

2015-12-30

马慧明(1978-),男,山西孝义人,讲师,博士研究生,研究方向:目标信息探测与识别技术研究。

TJ410.6

A