高 瑞， 曹 馨， 杜文斌， 李世立， 焦 波

(西北機(jī)電工程研究所， 陜西 咸陽(yáng) 712099)

大口徑火炮彈丸卡膛速度測(cè)試方法研究

高 瑞， 曹 馨， 杜文斌， 李世立， 焦 波

(西北機(jī)電工程研究所， 陜西 咸陽(yáng) 712099)

本文介紹了幾種大口徑火炮彈丸卡膛速度的實(shí)用測(cè)試方法， 包括鋼絲測(cè)速儀測(cè)量法、 激光測(cè)振儀測(cè)量法及高速攝像測(cè)量法等3種方法. 分別介紹了這3種方法的測(cè)量原理、 測(cè)量方法及測(cè)量注意事項(xiàng). 通過(guò)對(duì)3種方法的測(cè)試結(jié)果對(duì)比， 分析各方法的差異， 指出差異形成的原因. 測(cè)試與分析結(jié)果表明： 激光測(cè)振儀法數(shù)據(jù)最可靠、 誤差最小.

彈丸卡膛速度； 鋼絲測(cè)速儀； 激光測(cè)振儀； 大口徑火炮

0 引 言

大口徑火炮彈丸裝填到位一致性對(duì)火炮的射擊精度有較大影響[1-2]. 卡膛速度對(duì)彈丸的裝填一致性有較大影響， 進(jìn)而影響彈丸在膛內(nèi)的運(yùn)動(dòng)性能及火炮的射擊精度[3]. 因而卡膛速度是彈丸裝填的重要參數(shù)， 也是自動(dòng)供輸彈系統(tǒng)的一項(xiàng)重要設(shè)計(jì)指標(biāo). 大口徑火炮彈丸通常由人力或輸彈器推送入膛， 彈丸入膛后一般靠慣性卡膛. 彈丸卡膛是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程， 彈丸在推彈力的作用下以一定的速度與身管坡膛發(fā)生碰撞， 彈帶發(fā)生塑性變形， 在彈帶與坡膛之間形成殘余塑性接觸力和摩擦力， 彈丸在這些力共同作用下可靠停留在膛內(nèi). 彈丸卡膛速度即彈帶與身管坡膛接觸瞬間的速度. 卡膛速度對(duì)卡膛過(guò)程中彈帶與坡膛的作用力、 彈帶卡膛過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變以及卡膛行程有直接的影響， 從而影響到藥室容積的變化. 彈丸裝填不到位是火炮身管內(nèi)膛形成橢圓形燒蝕磨損的主要原因之一[4]. 同時(shí)彈丸裝填不到位是炮口制退器燒蝕的主要原因， 且還會(huì)引起彈道諸元的變化[5].

彈丸卡膛速度可以通過(guò)理論計(jì)算的方式來(lái)估計(jì)， 也可通過(guò)實(shí)測(cè)方法得到， 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更具實(shí)際指導(dǎo)意義. 彈丸卡膛速度參數(shù)測(cè)試文獻(xiàn)報(bào)道較少， 筆者在實(shí)際測(cè)試工作中曾采用鋼絲測(cè)速儀測(cè)試法、 激光測(cè)振儀測(cè)試法以及高速攝像測(cè)試法等方法. 由于測(cè)試原理不同， 以上方法各有優(yōu)劣， 本文通過(guò)對(duì)3種測(cè)試方法的對(duì)比， 分析各方法長(zhǎng)處與不足.

1 測(cè)試原理

1.1 鋼絲測(cè)速儀法

鋼絲測(cè)速儀是將鋼絲纏繞在與測(cè)速電機(jī)同軸的鋼絲軸上， 通過(guò)拉動(dòng)鋼絲來(lái)帶動(dòng)測(cè)速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng). 測(cè)速電機(jī)輸出電壓與轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系， 而轉(zhuǎn)速又與鋼絲位移和速度成線性關(guān)系. 由此， 可用來(lái)測(cè)試一些構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的位移或速度參數(shù). 其原理如圖 1 所示.

在彈丸卡膛速度的測(cè)試中， 鋼絲測(cè)速儀固定在供彈機(jī)尾部隨供彈機(jī)運(yùn)動(dòng)， 鋼絲通過(guò)螺釘固定于彈丸底部， 彈丸在供彈機(jī)的作用下拽著鋼絲向膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)， 如圖 2 所示.

圖 1 鋼絲測(cè)速儀原理示意圖Fig.1 The principle of wire-steel velocimeter

圖 2 鋼絲測(cè)速儀法測(cè)卡膛速度示意圖Fig.2 The schematic of the wire-steel velocimeter method

這種測(cè)試方式屬接觸式測(cè)試， 固定于彈丸底部的鋼絲隨彈丸一起運(yùn)動(dòng). 鋼絲測(cè)速儀的性能對(duì)測(cè)試結(jié)果有一定影響， 包括鋼絲及測(cè)速儀轉(zhuǎn)動(dòng)的順暢性. 鋼絲測(cè)速儀內(nèi)部卷簧的剛度系數(shù)要適中， 彈簧過(guò)硬會(huì)明顯加大鋼絲的拉伸阻力， 給供電機(jī)構(gòu)引入較大負(fù)載； 而彈簧過(guò)軟則可能出現(xiàn)當(dāng)彈丸卡膛到位時(shí)， 鋼絲軸繼續(xù)慣性旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致出現(xiàn)虛假速度信號(hào). 因此， 要匹配好卷簧剛度及卷簧的預(yù)緊圈數(shù)， 使得鋼絲的拉伸力控制在2.268～4.536 kg之間.

1.2 激光測(cè)振儀法

激光測(cè)振儀的典型組成如圖 3 所示， 它主要由激光干涉儀、 信號(hào)采集、 處理電路、 波形輸出等環(huán)節(jié)組成， 使用激光多普勒效應(yīng)和激光干涉方法， 實(shí)現(xiàn)物體表面運(yùn)動(dòng)速度、 加速度和位移的非接觸測(cè)量， 以模擬或數(shù)字方式給出測(cè)量結(jié)果. 其中， 激光干涉儀將運(yùn)動(dòng)物體表面速度信息通過(guò)激光多普勒效應(yīng)轉(zhuǎn)換成光頻率變化信息， 經(jīng)干涉光路至光電轉(zhuǎn)換器件， 變成頻率隨速度成比例變化的調(diào)頻信號(hào)； 信號(hào)采集、 處理電路用于實(shí)現(xiàn)該調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)， 給出其速度、 位移及加速度的波形測(cè)量數(shù)據(jù)； 波形輸出部分通常用D/A轉(zhuǎn)換電路以模擬的方式輸出， 也可以數(shù)字化的方式直接輸出波形測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果[6].

圖 3 激光測(cè)振儀典型框圖Fig.3 The principle of the laser vibrometer method

測(cè)試中， 在彈丸底部粘貼一激光反射膜. 激光測(cè)振儀發(fā)射一束激光， 通過(guò)反射鏡照射在反射膜上. 通過(guò)分析反射回的激光束的多普勒效果， 得出彈丸的運(yùn)動(dòng)速度. 測(cè)試系統(tǒng)如圖 4 所示.

圖 4 激光測(cè)振儀法測(cè)卡膛速度示意圖Fig.4 The schematic of the laser vibrometer method

激光測(cè)振儀測(cè)試彈丸的卡膛速度是一種非接觸式測(cè)試. 彈丸增加的僅是一小片反光膜， 對(duì)彈丸質(zhì)量的影響可以忽略不計(jì). 這種測(cè)試方式理論上是一種非常理想的測(cè)試方式， 但實(shí)際測(cè)試中也存在一些需要注意的問(wèn)題. 首先， 彈丸底部不是一個(gè)理想平面(尤其是底凹彈)， 且面積很小， 粘貼的反光膜也就不能過(guò)大； 其次， 光路的調(diào)整比較困難. 因?yàn)閷?shí)際測(cè)試中受供彈角度及測(cè)試空間的限制， 激光測(cè)振儀不可能都直接照射反光膜， 多數(shù)情況下是通過(guò)反射鏡反射到反光膜上的. 因此， 要保證激光按照照射光路原路返回， 需要調(diào)整好反射鏡， 否則在彈丸的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中， 光點(diǎn)在某個(gè)時(shí)段會(huì)偏出反光膜， 造成該時(shí)段數(shù)據(jù)丟失.

此外由激光測(cè)振儀的多普勒速度測(cè)試機(jī)理可知， 當(dāng)被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向與激光束的照射方向不平行時(shí)， 會(huì)引入測(cè)試誤差. 因此， 在測(cè)試過(guò)程中， 反復(fù)調(diào)整激光束的照射位置與角度， 最終達(dá)到了如下的配合效果： 當(dāng)彈丸在距離卡膛到位點(diǎn)500 mm行程范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)， 相應(yīng)的激光束的光斑在橫向移動(dòng)位移應(yīng)不大于5 mm(包括水平與垂直兩個(gè)方向)， 這樣就保證了由激光測(cè)振儀的擺放位置所引入的誤差≤0.01%.

最后要注意的是彈丸的整個(gè)卡膛行程約2 m， 激光測(cè)振儀的光斑會(huì)因聚焦范圍所限而出現(xiàn)發(fā)散， 從而影響到信噪比. 因此需要在實(shí)驗(yàn)前聚焦調(diào)整時(shí)， 將最佳聚焦點(diǎn)定位在距離卡膛到位點(diǎn)約300 mm～400 mm 的位置上， 以盡可能覆蓋彈丸的運(yùn)動(dòng)行程.

1.3 高速攝像法

高速攝像技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的高科技成像技術(shù)， 該技術(shù)所測(cè)信息最接近被攝對(duì)象的真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)， 能直觀而形象地反映出高速運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)空特性， 高速攝像系統(tǒng)主要由高速攝像機(jī)、 光學(xué)鏡頭、 固定臺(tái)架、 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及圖像跟蹤系統(tǒng)等部分組成[7]. 待測(cè)對(duì)象、 光學(xué)鏡頭以及高速攝像機(jī)之間的光學(xué)成像關(guān)系可由圖 5 描述. 通過(guò)高速攝像機(jī)拍攝物體運(yùn)動(dòng)視頻， 利用高速攝像處理軟件分析所拍視頻， 從而得出物體的運(yùn)動(dòng)參數(shù).

圖 5 高速攝像成像關(guān)系示意圖Fig.5 The schematic diagram of high-speed photography imaging

圖 6 高速攝像法測(cè)卡膛速度示意圖Fig.6 The schematic of the high-speed photography method

在彈丸卡膛速度測(cè)試中， 由于在彈丸進(jìn)膛以后高速攝像機(jī)無(wú)法拍攝到畫(huà)面， 因此高射攝像機(jī)無(wú)法直接拍攝彈丸， 只能通過(guò)間接手段對(duì)其測(cè)試， 例如將高速攝像機(jī)放在供彈機(jī)側(cè)面， 拍攝供彈機(jī)供彈鏈條的運(yùn)動(dòng)， 具體測(cè)試系統(tǒng)如圖 6 所示.

高速攝像法測(cè)試也是一種非接觸式測(cè)試， 對(duì)供彈機(jī)供彈不造成任何影響， 只要能拍攝到運(yùn)動(dòng)畫(huà)面， 就能得到相應(yīng)的數(shù)據(jù). 但也有其不足之處. 首先這種測(cè)試不是直接測(cè)試彈丸速度， 而是通過(guò)測(cè)試供彈鏈條的運(yùn)動(dòng)間接得出彈丸的供彈速度， 因而所得測(cè)試結(jié)果跟實(shí)際測(cè)試有一定的誤差； 其次， 由于供彈機(jī)的鏈條也是跟隨彈丸一起進(jìn)入膛內(nèi)， 無(wú)法完整跟蹤鏈條上某點(diǎn)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程， 只能在彈丸卡膛瞬間之前一段做跟蹤， 得出也只是鏈條該段過(guò)程的運(yùn)動(dòng)速度. 當(dāng)然， 從理論上講， 只要拍攝全程鏈條的運(yùn)動(dòng)， 就能得出鏈條的整個(gè)運(yùn)動(dòng)速度. 另外， 高速攝像法測(cè)試對(duì)光線要求比較高， 在實(shí)際測(cè)試中需要良好的光照條件.

另外， 此前曾有測(cè)試人員采用測(cè)試供彈機(jī)鏈條盒齒輪轉(zhuǎn)速來(lái)間接換算成供彈速度， 這種間接測(cè)試方式的精度取決于齒輪轉(zhuǎn)速的測(cè)試精度.

2 測(cè)試結(jié)果與分析

采用3種方法對(duì)同一狀態(tài)下彈丸上膛過(guò)程進(jìn)行測(cè)試， 得到彈丸上膛過(guò)程中的卡膛速度參數(shù). 對(duì)比鋼絲測(cè)速儀法和高速攝像法與激光測(cè)振儀法所得卡膛速度的相對(duì)關(guān)系. 測(cè)試結(jié)果如圖 7 和表 1 所示.

圖 7 彈丸卡膛速度曲線Fig.7 The projectile velocity curves of three methods

本文采用的激光測(cè)振儀經(jīng)中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所依據(jù)國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范——《激光測(cè)振儀校準(zhǔn)規(guī)范》校準(zhǔn)， 精度為0.6%. 激光測(cè)振儀法是一種非接觸式直接測(cè)量方法， 光路平行度是保證激光測(cè)振儀測(cè)試精度的關(guān)鍵， 本文采用激光測(cè)振儀進(jìn)行彈丸卡膛速度測(cè)試時(shí)， 彈丸行程為500 mm時(shí)， 照射在彈丸底部中心位置的激光斑的橫向偏移量小于2 mm， 由光路不平行引入的誤差為0.000 8%. 本文激光測(cè)振儀法的測(cè)試數(shù)據(jù)合成誤差為0.6%. 鋼絲測(cè)速儀雖然也是直接測(cè)試法， 但是由于其測(cè)試原理所限， 鋼絲對(duì)彈丸有拉拽作用； 高速攝像法通過(guò)拍攝輸彈鏈條進(jìn)行間接測(cè)試.

由于激光測(cè)振儀經(jīng)長(zhǎng)城計(jì)量研究所依據(jù)國(guó)家計(jì)量規(guī)范嚴(yán)格校準(zhǔn)， 其測(cè)試結(jié)果最為權(quán)威可靠， 因此以激光測(cè)振儀法所得數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)， 將其余兩種方法所得的數(shù)據(jù)與之對(duì)比， 分析每一種方法得到的彈丸卡膛速度. 由測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出， 鋼絲測(cè)速儀法誤差較高速攝像法大.

3 結(jié) 論

1) 激光測(cè)振儀測(cè)試方式所得測(cè)試結(jié)果最為理想， 誤差最小. 但是在實(shí)際應(yīng)用中， 激光測(cè)振儀測(cè)試方式受測(cè)試環(huán)境的影響(例如供彈機(jī)結(jié)構(gòu))， 對(duì)光路有遮擋， 需要增加反射鏡(甚至是多個(gè)反射鏡)， 調(diào)整光路比較耗時(shí).

2) 鋼絲測(cè)速儀安裝簡(jiǎn)便， 但對(duì)彈丸有明顯的拖拽阻力. 鋼絲測(cè)速儀測(cè)試對(duì)供彈機(jī)供彈速度的影響最大， 誤差也較大.

3) 高速攝像法測(cè)試由于是間接測(cè)試， 鏈條及鏈條與彈丸之間存在間隙， 所測(cè)得速度數(shù)據(jù)也有一定的誤差. 由于其搭建最為靈活， 在滿足工程測(cè)試應(yīng)用的基礎(chǔ)上， 測(cè)試最為方便快捷.

[1] 趙森， 錢(qián) 勇. 自行火炮半自動(dòng)裝填機(jī)構(gòu)輸彈問(wèn)題研究[J]. 兵工學(xué)報(bào)， 2005， 26(5)： 592-594. Zhao Sen, Qian Yong. Ammunition ramming of semi-auto-matic loading device of the self-propelled gun[J]. Acta Armamentaril, 2005, 26( 5) ： 592-594. (in Chinese)

[2] 石海軍， 錢(qián)林方. 火炮卡膛一致性問(wèn)題研究[J]. 彈道學(xué)報(bào)， 2012， 24(4)： 77-81. Shi Haijun, Qian Linfang. Research on consistency of bayonet-chamber of gun[J]. Journal of Ballistics, 2012, 24(4)： 77-81.(in Chinese)

[3] 陸明， 薄玉成， 王惠源， 等. 某臂式輸彈機(jī)卡膛精度與卡膛力研究[J]. 兵器材料科學(xué)與工程， 2014, 37(4)： 91-94. Lu Ming, Bo Yucheng, Wang Huiyuan,et al. Precision and force of bayonet chamber of a semi automatic rammer[J]. Ordnance Material Science and Engineering, 2014, 37(4)： 91-94.(in Chinese)

[4] 張振山， 吳永峰. 炮管內(nèi)膛燒蝕磨損現(xiàn)象的分析[J]. 裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)， 2003， 17( 2) ： 67-70. Zhang Zhenshan, Wu Yongfeng. Analysis of rubbing abrasion and erosion on the barrel bore[J]. Journal of Academy of Armored Force Engineering, 2003, 17(2)： 67-70.(in Chinese)

[5] 張喜發(fā)， 盧興華. 火炮燒蝕內(nèi)彈道學(xué)[M]. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社， 2001.

[6] 劉杰坤， 馬修水. 激光多普勒測(cè)振儀研究綜述[J]. 激光雜志， 2014， 35(12)： 1-5. Liu Jiekun, Ma Xiushui. Review of laser doppler vibrometer[J]. Laser Journal, 2014, 35(12)： 1-5. ( in Chinese)

[7] 徐銳， 楊國(guó)來(lái). 高速攝影技術(shù)在火炮運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中的測(cè)試誤差研究[J]. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2015, 39(5)： 523-530. Xu Rui, Yang Guolai. Error analysis of high speed photography in measuring kinematic parameter of artillery[J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology, 2015, 39(5)： 523-530. ( in Chinese)

Measurement Methods for Projectile’s Bayonet Velocity of Large Caliber Gun

GAO Rui, CAO Xin, DU Wenbin, LI Shili, JIAO Bo

(Nothwest Institute of Mechanical and Electrical Engineering, Xianyang 712099, China)

This paper introduces some practical methods to measure the projectile’s bayonet velocity of large caliber gun. They’re based on three different transducers or devices, such as wire-steel velocimeter, laser vibrometer, and high-speed photography. The principles and measuring results of these methods are presented. By comparing the results of the three methods, the differences of each method were analyzed, and the causes of the differences were pointed out.

projectile’s bayonet velocity; wire-steel velocimeter; Laser vibrometer; large caliber gun

2016-11-21

高 瑞(1981-)， 男， 工程師， 主要從事火炮測(cè)試技術(shù)的研究.

1671-7449(2017)04-0364-05

TJ306

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.04.015