郭春龍，雷 彬，李治源，羅又天

（軍械工程學院 彈藥工程系，河北 石家莊 050003）

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭條件下，由于高新技術的發(fā)展，反裝甲武器及其他形式的攻擊趨于高效和復雜化，無論從種類、射距和空間范圍都對裝甲形成了全方位、立體的攻擊。隨著智能化反坦克彈藥的不斷發(fā)展，裝甲車輛在戰(zhàn)場上受到的威脅日趨嚴重，因此裝甲防護在現(xiàn)代武器系統(tǒng)中的作用日趨重要［1－3］。線圈感應式平板攔截器是目前實現(xiàn)超高速主動防護的有效方式之一。作為線圈感應式平板攔截器的動力機構的平面螺旋線圈電磁發(fā)射裝置，在試驗研究過程中，無論是分析發(fā)射裝置的發(fā)射效率，還是分析運動防護板的速度歷程，首先要解決的問題就是對防護板速度的測量［4－5］。防護板速度的測量方法主要有兩種：第一種是采用高速攝像機拍攝整個發(fā)射過程，然后逐幀慢放，確定各個時刻的位置，進而得到運動防護板的實時速度歷程；第二種方法是將多點光柵測速裝置安裝在防護板運動路徑上，利用光柵信號確定不同時刻防護板所在位置，進而得到防護板的速度歷程。第一種測速方法可實現(xiàn)對防護板運動速度的連續(xù)測量，但高速攝像機造價高昂；第二種測量方法可實現(xiàn)對防護板速度的多點采集，但極易受到電磁干擾，影響試驗數(shù)據(jù)的準確性。鑒于以上測量方法存在的不足，筆者提出了一種結構簡單、精度較高、造價低的速度測量裝置——多層錫箔靶測速系統(tǒng)。

1 測速系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 測速系統(tǒng)組成

如圖1所示，測速系統(tǒng)主要由示波器、直流電源、緩沖隔離板以及由防護板與運動探針組成的運動機構和由絕緣隔離板與錫箔片組成的測速靶等部分組成。

1.2 測速系統(tǒng)工作原理

以四層錫箔片測速靶為例說明測速系統(tǒng)的工作原理。試驗開始時，閉合開關，電容器開始放電，左側示波器CH1通道采集Rogowski線圈中的感應電流波形，并認為電容器開始放電時刻為t＝0時刻；t＝t1時刻，運動防護板所受到的電磁力大于其靜摩擦力并開始運動，運動探針與錫箔片A 接觸，右側示波器通道CH1采集到帶有上升沿的電壓信號，而時間t1正是防護板的響應時間，此后運動防護板在電磁力作用下繼續(xù)向指定方向運動，運動探針相繼刺穿錫箔片B、錫箔片C、錫箔片D，相鄰兩個錫箔片的觸發(fā)延時即是防護板在錫箔片間隔距離上的運動時間，相鄰錫箔片的距離與運動時間的比值就是防護板在這一距離間隔的平均速度，將多個平均速度點進行擬合，即近似認為這一擬合曲線為防護板加速過程中的速度歷程曲線。

2 試驗平臺集成

試驗平臺主要由平面螺旋線圈電磁發(fā)射裝置、脈沖功率源、控制系統(tǒng)和測速系統(tǒng)等幾部分組成，試驗裝置外觀如圖2所示。

2.1 電磁發(fā)射裝置

平面螺旋線圈電磁發(fā)射裝置由平面螺旋線圈、線圈加固外殼、防護板、底座和接線柱等組成。因新型電磁防護系統(tǒng)采用扁平結構，因此在本試驗中平面線圈繞制成跑道形平面螺旋結構，而沒有采用傳統(tǒng)的圓形平面螺旋結構，線圈加固外殼材料為45＃鋼。線圈及加固外殼實物如圖3所示，線圈參數(shù)如表1所示。線圈繞制結構為跑道形，線圈材料為紫銅。防護板采用復合結構，靠近線圈一側材料為鋁，厚度為4mm，起防護功能的另一側材料為鎢合金鋼，厚度為2.5mm，防護板總厚度為6mm，防護板總質(zhì)量為0.86kg。

表1 線圈結構及材料參數(shù)

2.2 脈沖功率源

電磁發(fā)射裝置由單個功率源模塊提供能量。功率源模塊由電容器組、續(xù)流二極管和可控開關等組成。電磁發(fā)射裝置各部分電路等效參數(shù)如表2所示，驅(qū)動方式為單極性驅(qū)動。

表2 電磁發(fā)射裝置主要參數(shù)

2.3 測速系統(tǒng)

測速系統(tǒng)按以下原則進行設計：

1）在錫箔層數(shù)確定前進行了仿真分析，結合在以往試驗中積累的經(jīng)驗，確定加速距離為2～4cm，加速時間小于1ms，以確定錫箔片的層數(shù)和錫箔片之間的距離。

2）在錫箔片組裝前，對錫箔片的厚度進行了測量，使各層錫箔片的厚度偏差小于0.1%，對各層錫箔片之間的隔離絕緣板也進行了類似的處理，測速靶參數(shù)如表3所示，測速靶結構裝配圖如圖4所示。

表3 測速靶參數(shù)

從錫箔片上所采集的信號由采樣頻率為100 MHz的示波器采集，時間的離散化會引起錫箔片之間速度估計的誤差。在測速系統(tǒng)中，半周期的采樣時間誤差累計到一個采樣周期后Δτ＝10ns。由于錫箔片之間的距離也具有一定的不確定性，所以采用一定的機械裝置對絕緣隔離板進行固定，以使得錫箔片之間距離的誤差控制Δl＝0.1mm 以內(nèi)。錫箔片之間的平均速度v按下式進行計算：

式中：l為錫箔片之間的距離；τ為表示運動探針通過相鄰錫箔片的時間。由文獻可知，速度誤差Δv可表示為

如果彈丸的運動速度為50m／s，相鄰錫箔片之間的距離為4mm，持續(xù)時間為τ＝20μs，速度的相對誤差Δv／v＝2.55%。這一誤差可以認為是由測速系統(tǒng)自身引起的誤差。

3 試驗結果分析

為了檢驗所設計的測速裝置的可行性和穩(wěn)定性，進行了防護板發(fā)射可行性試驗和穩(wěn)定性試驗。

3.1 可行性試驗

試驗中Rogowski線圈采集的感應電流信號如圖5所示（1V 相當于200kA），錫箔片上采集的響應電壓信號如圖6所示。

通過對各層錫箔片上的響應電壓信號進行采集，就可以獲得如圖6所示的各層錫箔的響應時間tA、tB、tC、tD，用錫箔片之間的距離l除以各相鄰層錫箔層的響應時間差tAB，tBC，tCD，即可獲得刺穿相鄰錫箔片A、B、C、D之間的平均速度。4層錫箔片時，速度歷程曲線如圖7所示。如圖5所示，放電的前半個上升沿周期約為0.435ms，峰值電流為25kA，如圖7最大速度為52.8m／s。

可見，采用多層錫箔靶對防護板運動速度進行測量是可行的，只要設置的錫箔層數(shù)越多，錫箔層之間距離越近，所能得到的速度歷程曲線就越接近真實防護板加速過程中速度的變化曲線。

3.2 穩(wěn)定性試驗

共進行了10 次試驗來檢驗測速系統(tǒng)的穩(wěn)定性，試驗所采集的每兩片錫箔片之間的平均速度和由其計算擬合的總的平均速度曲線如圖8所示。從圖8可以看到，距運動探針近的相鄰錫箔片的平均速度離散程度要低于遠離運動探針的相鄰錫箔片，這一現(xiàn)象是由各相鄰錫箔片的累積誤差產(chǎn)生的。

以錫箔片B和C 之間的速度為例對測速系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行分析。錫箔片B 和C 的平均速度為51.68 m／s，均方差σBC＝2.361 m／s，最小速度為50.1m／s，最大速度為52.8m／s，BC均方差和平均速度的百分比為4.57%。同理，AB 之間的均方差與平均速度的百分比為3.17%，CD 之間的均方差與平均速度的百分比為5.11%。誤差小于8%，滿足設計要求。

4 結論

筆者設計了一種結構簡單的測速系統(tǒng)，實現(xiàn)了對防護板速度的實時測量，并通過4層錫箔測速靶對某功率源和結構參數(shù)條件下發(fā)射過程中防護板的運動速度進行了測量。試驗結果表明，采用多層錫箔靶對防護板的速度進行測量是可行的，并且其誤差滿足設計要求。

改測試方法的缺陷是：

1）錫箔片層數(shù)在只有4層的情況下，無法對整個加速過程進行準確描述，應根據(jù)試驗要求，適當增加錫箔片的層數(shù)，采集更多的速度點，但增加過多的錫箔層會給測試結果帶來更大的誤差，這一誤差是由相鄰錫箔層的測量誤差的累計引起的。

2）從誤差分析可以看出，由多層錫箔靶測速系統(tǒng)自身引起的測量誤差為2.55%，與高速攝像測速系統(tǒng)和光柵測速系統(tǒng)相比，誤差較大，且其在總誤差中所占比重較大，但作為一種簡易的測速系統(tǒng)，在對精度要求不是很高的試驗中，還是具有一定的應用價值的。

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