任意射角弹丸卡膛姿态测试原理及其应用

王宝元 ， 李玉林 ， 陈志坚， 高小科

(1. 西北机电工程研究所， 陕西 咸阳 712099； 2. 齐齐哈尔北方机器有限责任公司， 黑龙江 齐齐哈尔 161000；3. 解放军边防学院， 陕西 西安 710108)



任意射角弹丸卡膛姿态测试原理及其应用

王宝元1， 李玉林2， 陈志坚3， 高小科1

(1. 西北机电工程研究所， 陕西 咸阳 712099； 2. 齐齐哈尔北方机器有限责任公司， 黑龙江 齐齐哈尔 161000；3. 解放军边防学院， 陕西 西安 710108)

摘要:为了解决火炮任意射角弹丸卡膛姿态高精度、 高可靠性测试关键技术， 基于PSD激光成像测试原理， 提出了弹丸卡膛姿态测试方法. 以反映弹轴姿态角的激光器固定在弹头、 探测器固连到炮口以接收弹头激光信号、 并同时测试身管弯曲变形以修正测试结果. 研制了弹丸卡膛姿态测试系统， 实现了火炮任意射角弹丸卡膛姿态测试， 完成了某火炮弹丸卡膛姿态规律实验研究. 结果表明， 所选火炮弹丸卡膛姿态规律表现为高低以低头输弹、 左右基本呈现对称输弹、 弹丸前定心部接触膛线后摆动约1周后卡膛， 卡膛姿态角度最大值均小于5′. 提出的测试方法和研制的测试系统通过了实际火炮工程应用验证， 满足工程应用要求.

关键词:火炮； 弹丸； 卡膛姿态； 激光成像； 射角

火炮射击前， 其弹丸依靠供输弹机构或人工装填方式推弹入膛， 然后击发， 弹丸在高压、 高速燃气流作用下发射出膛， 飞向预定目标. 由于弹丸上膛过程的随机性， 因而造成一组卡膛姿态的随机性， 使得每发弹丸之间的卡膛姿态出现分散性. 弹丸卡膛姿态是影响火炮射击密集度的主要因素之一， 一组弹丸卡膛姿态分散性若大于某一值， 可能会使火炮射击密集度不能达到战技指标要求， 严重影响火炮关键性能. 弹丸卡膛姿态测试也是检验其供输弹机构功能正确与否的重要手段. 正确、 快速和高精度测试弹丸卡膛姿态对火炮射击密集度误差源分析、 快速定位影响密集度关键因素、 最终提高火炮射击密集度性能具有重要意义. 因此， 弹丸卡膛姿态角度测试一直是火炮研制人员和火炮使用人员十分关心的研究课题之一， 也是火炮武器研制和使用过程迫切需要解决的关键测试方法之一[1].

火炮密集度射击试验常在大射角下进行， 大射角条件下弹丸卡膛姿态角度测试更具有实际意义. 但是， 由于弹丸输弹过程具有身管遮蔽、 火炮高低射角大、 强冲击、 弹丸快速运动和弹丸行程大等特点， 所以， 任意射角条件下弹丸卡膛姿态测试一直没有合适的测试方法. 身管遮蔽时， 从身管外部不便于获得弹丸姿态信息. 火炮大射角装填弹丸时， 炮口位置很高， 测试信号接收困难. 强冲击环境下， 对传感器抗振动冲击性能带来很高要求， 传感器在此环境下工作的可靠性受到挑战. 弹丸快速运动和弹丸行程大等特点， 对测试系统信号线的布置带来困难.

我国在火炮型号研制时， 常常会出现射击密集度不达标问题[2]. 目前， 人们分析火炮射击密集度不达标原因时， 总是将弹丸卡膛姿态角度作为一个重要影响因素之一. 但由于没有理想的弹丸卡膛姿态测试方法， 不能给出精确、 可靠的弹丸卡膛姿态角度实验测试数据， 也就不能建立起弹丸卡膛姿态角度与射击密集度的对应关系， 直接影响火炮型号研制进度， 影响火炮关键性能快速提高.

针对弹丸卡膛姿态特性， 科研人员已开展了研究. 文献[3]利用显式动力学有限元数值模拟方法对新型155mm火炮弹带惯性卡膛过程进行了分析研究. 文献[4]采用动力学仿真方式分析了火炮输弹过程对弹丸卡膛一致性的影响. 文献[5]基于弹塑性有限元接触理论对弹丸惯性卡膛过程进行了理论分析， 建立了弹丸惯性卡膛过程的有限元模型. 文献[6]建立了弹丸卡膛的动力学模型， 定量分析了卡膛速度、 卡膛阻力、 弹带挤压变形、 阻尼系数等对弹丸卡膛一致性的影响. 文献[7]研究了火炮自动装填机构工作的可靠性及其测试方法， 设计了输弹参数测试系统， 测试参数包括输弹行程、 射角、 输弹速度、 卡膛阻力. 文献[8]对输弹机构在静止状态和运动状态进行了受力分析， 并采用激光位移传感器开展了输弹机推弹导槽振动位移测试. 上述文献均未涉及弹丸卡膛姿态角度测试实验研究内容. 文献[9]开展了某火炮自动装填机构参数测试技术研究， 在弹头固定激光器， 在炮口前方适当位置布置方格线屏幕， 激光器照射该屏幕， 用300 帧/s准高速摄像机记录屏幕上激光光点位置， 以此得到弹丸卡膛姿态角度. 该方法存在测试精度较低、 不便于高射角测试等缺陷.

本文提出一种任意射角弹丸卡膛姿态测试技术， 描述了其测试原理， 研制了测试系统， 给出了测试步骤， 并成功解决了某火炮弹丸卡膛姿态测试关键技术， 揭示了所研究的实际火炮输弹过程和卡膛过程弹丸姿态规律.

1测试原理

本文提出了火炮任意射角条件下的弹丸卡膛姿态PSD(PositionSensitiveDetector)激光成像测试原理， 形成了弹丸卡膛姿态测试方法. 本方法分为两步， 第一步， 研制弹丸卡膛姿态测试系统， 第二步， 建立弹丸卡膛姿态测试方法. 图 1 是火炮任意射角弹丸卡膛姿态测试方法示意图.

图 1　火炮任意射角弹丸卡膛姿态测试方法示意图Fig.1　Schematic of measuring method of projectile band bayonet-chamber posture under fire angle of arbitrary

弹丸卡膛姿态测试系统由激光器、 像屏、 探测器、 支架、 数据采集模块、 数据输出模块等组成. 激光器采用独立电源， 不依赖外界而能连续供电， 避免了弹丸高速上膛时外界电源线难于布置的矛盾. 激光器依靠紧固件， 将其固连到弹头引信位置， 激光器与弹头无相对运动， 这样， 激光器的姿态就代表了弹丸的运动姿态. 两维PSD是探测器的敏感元件， 探测器采取了滤光技术， 消除背景光干扰设计， 提高了测试精度. 其做法是激光波长选为650nm， 滤光片通过波长范围为640～660nm. 在实验室环境下， 当背景光变化3 万勒克斯时， 角度误差小于2%. 弹丸卡膛姿态测试系统具有抗强冲击能力， 在输弹过程和弹丸高速撞击膛线时能可靠工作. 数据输出模块具有数据处理功能和数据输出功能.弹丸卡膛姿态测试时， 身管高低射角调整到给定角度γ. 首先将激光器固定在弹头上， 采用同轴度调节机构， 调整激光器姿态， 使激光束与弹丸轴线一致， 固定激光器. 接着， 将像屏和探测器依靠支架固连到炮口， 像屏靠近炮口， 并处在炮口与探测器之间. 炮口、 像屏、 探测器和支架之间无相对运动. 探测器通过信号线与数据采集模块相连， 而数据采集模块也通过另一条信号线与数据输出模块相连. 然后， 在供输弹机构作用下推弹上膛， 弹丸上的弹带被卡在身管膛线起始段， 同时， 激光器持续发射激光束. 该激光束沿身管轴线方向传输到炮口外面的像屏上， 像屏上就出现了代表弹丸姿态角度偏移量的激光光点. 在不考虑身管弯曲变形及理想直圆管情况下， 若弹丸姿态方向角度为零， 则像屏上出现的激光光点位于像屏中心； 若弹丸姿态角度不为零， 则像屏上出现的激光光点位置将偏离像屏中心一位移量. 通过透镜成像原理， 可以使像屏上的激光光点投射到PSD位置探测器上. 弹丸卡膛姿态角度分为方向角度和高低角度. 测试方向角度时， 设像屏上激光光点瞬时位置偏离像屏中心位移量为x， 弹丸弹带到像屏之间的距离为l， 则弹丸卡膛姿态方向角度为

(1)

(2)

规定PSD中心与炮口截面中心重合. 像屏上激光光点位置要依靠PSD位置敏感元件、 以电压信号形式输出、 并通过标定才能得到. 数据采集模块采集PSD位置敏感元件输出电压， 而数据输出模块对数据采集模块得到的电压信号经过数据处理， 就得到了弹丸卡膛姿态角度， 通过数据输出模块屏幕显示测试结果， 实现弹丸卡膛姿态角度输出.

由于弹丸卡膛姿态具有两维特性， 所以， 采用两维PSD敏感元件的探测器就实现了弹丸卡膛姿态角度α和β的测试. 实际测试时， 还要对重力引起身管弯曲变形带来的系统误差进行修正.

该方法能给出弹丸卡膛动态过程测试曲线、 姿态角度幅值和弹丸卡膛结束时刻姿态角度幅值， 形成了任意射角γ弹丸卡膛姿态测试方法. 由于测试系统具有抗背景光功能， 显著提高了测试精度， 弹丸卡膛姿态角度精度为0.1′， 角度量程为±30′， 测试系统频响为50kHz. 采用精度为0.03′的经纬仪进行角度精度标定. 激光器固定在经纬仪上， 其照射像屏， 由探测器输出电信号. 当经纬仪输入角度0.1′时， 弹丸卡膛姿态测试系统能输出角度0.1′.

2工程应用

经过实验测试， 得到了弹丸卡膛姿态测试结果. 表 1 给出了其中的5发弹丸卡膛姿态测试数据， 图 2 是输弹过程弹丸姿态角度典型测试曲线， 图 3 是卡膛过程弹丸姿态角度典型测试曲线， 图 4 是33发弹丸卡膛姿态角度分布规律.

表 1　弹丸卡膛姿态测试结果

图 2　输弹卡膛全过程典型测试曲线Fig.2　Measuring curves of posture angle at feeding projectile

在图 3(b) 中， AB为弹丸低头输弹； B点为前定心部下半圆撞击坡膛； C点为前定心部上半圆前棱撞击身管根部膛线； D点为前定心部撞击内膛下部膛线； E点为弹带卡膛.

图 3　弹丸卡膛过程姿态角度典型测试曲线Fig.3　Measuring curves of posture angle for projectile band bayonet-chamber

图 4　弹丸卡膛姿态角度测试值分布规律Fig.4　Distributing regulation of measuring data of projectile band bayonet-chamber posture

测试结果表明：① 弹丸输弹过程表现出的规律为：方向基本呈现左右对称输弹； 高低以弹丸低头输弹. ② 弹丸前后定心部进入膛线过程角度变化规律为：方向以弹头从身管轴线偏右一侧入膛， 卡膛后弹丸轴线与身管轴线基本一致； 高低以弹丸低头输弹， 弹丸前定心部下表面首先撞击药室坡膛下表面、 然后在坡膛下表面约束下仰头使弹丸前定心部上部撞击身管上部膛线一次后再振荡一次即可卡膛. ③ 弹丸卡膛姿态角度大部分分布在1′之内(方向)和1′～3′之间(高低)， 弹丸卡膛姿态角度最大值均小于5′. ④ 从弹丸前定心部入膛到弹丸卡膛全过程， 弹丸摆动周期为一个周期左右， 频率在50Hz之内. ⑤ 经过检测， 输弹卡膛前后， 弹头安装的激光器轴线与弹丸轴线同轴度始终一致， 未发生变化.

3结论

采用PSD激光成像测试原理， 提出以反映弹轴姿态角的激光器固定在弹头、 探测器固连到炮口以接收弹头激光信号、 并同时测试身管弯曲变形量以精确化弹丸卡膛姿态的方法， 实现了火炮任意射角弹丸卡膛姿态测试. 完成了某火炮弹丸卡膛姿态规律实验研究， 揭示了该火炮弹丸卡膛姿态规律.

参考文献:

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文章编号：1673-3193(2016)04-0386-05

收稿日期：2015-12-30

作者简介：王宝元(1959-)， 男， 研高工， 硕士， 主要从事机械结构动力学和测试技术的研究.

中图分类号:TJ306

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.04.012

Principle and Its Application of Projectile Band Bayonet-ChamberPostureMeasuringUnderFireAngleofArbitrary

WANG Bao-yuan1， LI Yu-lin2， CHEN Zhi-jian3， GAO Xiao-ke1

(1. Northwest Institute of Mechanical and Electrical Engineering, Xianyang 712099, China；2.QiqiharNorthMachineryCorporationLimited,Qiqihar161000,China；3.BorderDefenceAcademyofPLA,Xi’an710108,China)

Abstract:To solve the key technology of high precision and high reliability test under fire angle of arbitrary, a projectile band bayonet-chamber posture measuring method was proposed based on position sensitive detector laser imaging test principle. The laser and detector were fixed on the nose of projectile and on the muzzle respectively, and the bayonet-chamber posture angle was measured by this system, in which the bending of barrel was measured to correct the results. Projectile band bayonet-chamber posture test system was developed to measure the projectile band bayonet-chamber posture under the arbitrary angle of fire. It can be seen from the test results that, in the process of ammunition ramming, the projectile is crouching in the elevation and symmetry in the azimuth. The front bourrelet of projectile is bayonet-chambered after the contact with rifling with one circle swing, and the maximal angle of bayonet-chamber posture is less than 5′. The test method and the test system developed have been testified in the gun engineering practice, satisfying the requirements of engineering application.

Key words:gun； projectile； bayonet-chamber posture； laser imaging； fire angle