火炮膛内多测试装置同步测试方法

刘小龙 裴东兴 李新娥 祗会强

摘 要：目前火炮膛内压力测试都是通过在膛内固定位置安放测试仪器来获得各定点压力数据，由于各测试装置的触发时间不一致，获得的各位置膛压数据相互之间没有统一的时间基准，因此该文开展火炮膛内压力场分布测试方法的研究。对传统的放入式电子测压仪的顶部端盖结构和触发方式进行改进，以火炮发射时产生的光信号为测试装置同步外触发信号，实现火炮膛内多测试装置同步测试。通过ANSYS仿真软件对测试仪端盖进行静态载荷分析和密闭空间内火药燃烧压力场的动态变化进行仿真，为研究火炮膛内压力分布规律及进行多点同步实测试验提供技术支持。

关键词：膛內压力场；放入式电子测压仪；ANSYS；同步触发测试仪

文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2017）12-0130-05

Abstract： At present， the chamber pressure test aims to obtain the fixed point pressure data by placing test equipment at the fixed position in the chamber. Because the triggering time of each test equipment is inconsistent， the obtained chamber pressure data at all positions have no unified time benchmark， so it is necessary to investigate the test method for pressure field distribution in chamber. Therefore， in this paper， improves the structure and triggering method of the top end cover of the traditional put-in electronic dynamometer is improved and the external trigger signal is synchronized by taking the optical signal generated by the gun firing as test equipment to realize the simultaneous testing of the multiple test equipment in the chamber. The static load analysis for the tester end cover is carried out and the dynamic change of the combustion pressure field of gunpowder in the confined space is simulated via ANSYS simulation software， which also provides technical support for pressure distribution law in chamber and multi-point synchronous measurements and test.

Keywords： bore pressure field； internal electronic pressure gage； ANSYS； synchronous trigger

0 引 言

火炮发射时，火药燃烧瞬间产生大量的高温燃气，进而在狭小空间内形成高动态压力，即为火炮膛压[1]。在此过程中，火炮膛内各位置的压力时刻在变，综合发射过程每一时刻膛内各位置的压力数据就构成了火炮膛内压力场的分布信息。火炮膛内压力场分布信息对火炮发射技术研究和装置性能改进有重要意义。例如，引信技术研究在意的是弹丸弹底压力信息；发射技术研究更关注弹底压力与膛底压力之间的联系与差别[2]。目前火炮膛压测试方法有3种：铜柱、铜球测压法，引线式测压法及放入式电测压法[3]。铜柱、铜球测压法只能获得膛压峰值，引线式测压法和放入式电测压法都可获得膛内固定位置的压力曲线，但引线式测压法对火炮发射装置的结构影响较大，放入式电测法对发射环境影响小，测试精度高。由上述可知，要获得发射过程中每一时刻各位置的压力数据，可用多个相同的放入式测试仪安放在膛内的关键部位，采用同一外触发信号，来获取各测试位置的压力信息。

本文提出火炮膛内多测试装置同步测试方法，以火炮膛内底火药燃烧产生的光信号为外触发信号，通过光纤与各测试仪相连以使多个测试仪同步触发，实现火炮膛内多测试装置同步测试。

1 膛内多测试装置同步触发原理

火炮发射的整个过程时间非常短，普通的放入式电子测压仪利用作用于传感器上火药气体压力值的大小来实现测试装置的内触发，当在膛内放置多个测试装置时，由于膛内压力的动态变化，多个测试装置不可能实现同时内触发[4]。由于火药燃烧产生的光信号传递至膛内任意位置的时间要比压力值变化对应时间短得多，这就为实现膛内多个测试仪同步测试提供一个新的思路。对放入式电子测压仪的端盖结构和触发方式进行重新设计和改进，并通过光纤传递外触发信号实现火炮膛内多测试装置同步测试，同步测试原理如图1所示。

2 同步测试方法合理性分析

现有的放入式电子测压仪能准确测得火炮膛内关键位置的压力数据，同步测试方法只需考虑多个同步测试装置触发阶段对应的延时是否满足实际测试需求。火炮膛内光信号以光纤为媒介传播的时间为纳秒级；光电转换部分选用的性能较好的光敏元件对应的动态响应时间小于100 ns；电信号在PCB电路板上传播时间也在100 ns以内。电子测压仪状态转换是在MSP430单片机控制下进行，中断控制器的时钟与测压仪主时钟同为8 MHz[5]，则状态转换时间：

tresponse=■×m

其中m为系统响应时对应执行的时钟周期数，该情况下，m=6，fMCLK=8 MHz，通过公式可以求得对应状态转换时间为0.75 μs。由以上分析可以得到外触发对应的时间延迟总和小于1 μs，则基于光触发同步测试装置对应的延时在微秒级别。

在火炮膛压测试技术中，膛压信号频带一般取0～5 kHz，对应的膛压信号在毫秒级别[6]。由上述分析可以得到膛内多测试装置同步测试方法具有合理性。

3 同步触发测试仪设计与分析

3.1 同步触发测试仪

单个同步触发测试仪以放入式电子测压仪的结构为基础，由壳体传感器、护膛环、电池、非接触式接口、内部电路等组成，并新增加了光窗、光敏元件、光纤等元件。同步触发测试仪外部是由18Ni马氏体时效钢材料制作的高强度保护壳体[7]，在恶劣环境下对内部测试电路起到保护作用，同时也是壳体一体化的电容传感器的一极[8]。同步触发测试仪顶部端盖嵌入高强度光窗并与光纤连接，光纤由测试仪的光窗外部延伸至药筒底部的底火药处，其总体结构如图2所示。

同步触发测试仪工作流程为：火炮膛内火药开始燃烧，通过光纤接收其燃烧产生的光信号，并传递至光窗，测试仪内部光敏元件透过光窗接收到光信号，通过电路的转换及放大处理，将信号传递至处理器，处理器做出相应响应，开始采集存储膛内对应位置的膛压信息，随着环境的恶化光纤将被烧毁（每次测试各测试仪都会安装新的光纤）。

3.2 测试仪顶盖设计与仿真

火炮膛内恶劣的发射环境对同步触发测试仪含有光窗的顶部端盖要求非常严格，在保证测试仪密封性和光窗透光性的条件下，结合装置整体尺寸及所选材料等因素，设计了图3所示的测试仪顶盖结构。

同步触发测试仪顶盖由两种材料构成：光窗选用高性能防爆玻璃[9]，其余部分与壳体一起选用18Ni马氏体时效钢材料。两种材料对应参数如表1、表2所示。

由实测火炮膛压数据，火炮膛压峰值应小于600 MPa[10]，则同步触发测试仪的测量范围选择0～600 MPa，利用ANSYS仿真软件对同步触发测试仪顶部端盖进行仿真，选取在最大压力600 MPa情况进行恒定载荷静态分析，端盖整体在600 MPa时的应力云图如图4所示。

可知在测试仪顶部端盖螺纹末端的退刀槽位置应力达到最大值1 690 MPa，光窗所受应力值为594 MPa。由表1、表2中的参数可知，18Ni马氏体时效钢材料的屈服极限为2 000 MPa，耐高温防爆玻璃的抗压强度为1 150 MPa，在受到600 MPa应力时，两种材料所受应力均在承受范围之内，由此可得在实际测试中，测试仪顶部端盖将满足测试需求。

4 火炮膛内压力场分布仿真与分析

4.1 仿真模型建立

由于火炮药室和身管都为不规则结构且发射环境复杂，则只对弹丸未被挤进膛线且膛内体积基本不变时的非自由场火药燃烧产生的压力场分布进行仿真分析。

在弹丸未被压力挤进膛线时，其对应膛内空间建立的模型可等效为规则圆柱形密闭容器。假设膛内宽为14 cm，长为20 cm，身管壁厚2 cm，位于容器一端的火药尺寸为3 cm×3 cm，其模型示意如图5所示。

仿真过程中，数值模拟采用的火药、空气、身管等材料及理论公式都通过调用软件中不同的关键字和设置相关参数来完成。

4.2 仿真结果分析

所建模型的静态分布如图6所示，取出模型内A、B、C、D、E、F、G点，作为特征点来观察各点在仿真过程中动态压力值的变化。其中A与火药同端且距离火药的位置较近，B点位于身管壁中间位置，C点距离火药最远，D、E、F、G均位于模型的中轴线上，D与G与火药同端且离火药最近。

设置对模型仿真的时间长度2 800 μs，25 μs为一个输出时间节点。则导出数值模拟仿真的4个时刻压力云图如图7所示。可知火药在开始燃烧的瞬间，中心形成压力波并以渐进式传播，压力波到达模型另一端后发生反射，并贴着模型壁反向扩散，随着火药燃烧加剧，经反射后的压力波与新产生的压力开始混合叠加，模型内部各位置受到的压力由各方向不同大小的压力汇聚叠加而成，当火药燃烧结束，模型内部各点所受压力也将趋于平稳。

以上各压力云图为某时刻模型内部火药燃烧的整体分布情况，要了解各位置的动态压力变化信息，则需要对不同位置进行单独分析。对图6中的A、B、C、D、E、F、G点所受压力进行分析，观察各点在整个仿真过程的P-t曲线。各特征点压力动态变化曲线如图8所示。

由图8（a）可得A点、B点、C点中，压力最先传至A点且A点上升时间最快，同时也具有最大的峰值压力。B点和C点与A点相比压力到达时间均滞后，B点的最大峰值要低于C点的最大峰值。

由图8（b）可得在火药燃烧瞬间D点和G点都会有较小的峰值出现，两点P-t曲线的轮廓基本一致，模型中心位置E点的压力幅值在整个过程中不会发生太大的波动，相对较稳定。

由图8（c）可得所选取的特征点中A点具有最大的峰值压力，其次是F点，两点对应的P-t曲线轮廓基本一致。各点曲线在0.5ms之后大都趋于平稳，

通过对所建立火药燃烧仿真模型分析可得：仿真结果呈现了火炮膛内火药燃烧过程中所形成压力的传播过程及分布，能够方便地获取实测试验中无法测得的膛内任意位置的压力数据。建立的模型与实际火炮炮膛对比，A点与F点分别对应火炮的膛底和弹底位置，G、D、E、F点分别对应膛内中轴线上距离膛底渐远的位置，仿真得出的各位置的动态压力信息将为研究火炮膛内压力分布规律及进行多点同步实测试验提供技术支持，也为多测试仪安放数量和位置选取提供理论依据。

5 结束语

本文提出火炮膛内多测试装置同步测试方法，对其测试原理及合理性进行分析；设计了同步触发测试仪的顶部端盖，并对其进行强度仿真分析，验证其在实际测试条件下的合理性；利用仿真软件对膛内火药气体压力分布进行分析，为研究火炮膛内压力分布规律及进行多点同步实测试验提供技术支持。火炮膛内多测试装置同步测试方法将为火炮膛内多点压力同步测试及压力场分布的研究提供新的方法与方向。

参考文献

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（编辑：李妮）