赵煜华，闫光虎，梁 磊，刘 毅，严文荣，肖 霞

(西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

现代火炮面临高初速、大威力的作战需求，随着各种高能发射药、高能量密度装药技术在现代高性能火炮中的应用，弹丸在膛内发射过程中面临高压、高温、高过载的恶劣环境，尤其是弹丸所受到的膛内过载过大或者过小都有可能影响引信机构在发射过程中的可靠性，进而影响火炮发射过程的安全性。因此，测试弹丸在膛内的过载对于引信设计、强度校核、故障分析而言是重要的试验依据，是研究火炮发射安全性的一项重要研究内容[1]。由于身管的遮蔽，使得膛内弹丸的运动过载等参数的测量成为研究弹丸发射动力学过程中的一个测试难题。当前测量弹丸膛内过载的主要方法有：1)采用弹载传感器直接测试法[2-8]，该方法需要修正加速度效应对传感器测试精度的影响，且由于高速弹丸的无损回收难度大，单次试验后传感器往往损坏，试验成本高昂。2)通过测试膛内压力换算弹丸过载[9-10]，该方法需要对基于膛内压力换算的弹丸引信过载数据进行处理和修正，计算过程复杂且比直接测试法精度低。本文针对现有弹丸膛内过载测试方法存在测试精度低、测试过程复杂且成本高昂等问题，提出了采用微波干涉仪的火炮发射过程弹丸膛内过载测试方法[11]。

1 微波干涉仪

微波干涉仪的工作原理如图1所示。图1中，被测物体(弹丸)运动过程中，微波干涉仪内的微波信号发生器及天线持续进行微波信号的发射与接收。发射出的信号经过反射板反射进身管；当弹丸前端面接触微波信号后，又将其反射至反射板，继而由反射板再次反射给微波干涉仪；微波干涉仪将接收到的微波信号进行混频滤波后，得到含有弹丸运动信息的微波干涉信号，即一组多普勒信号。

图1 微波干涉仪的工作原理Fig.1 Principle of microwave interferometer

通过对所测微波干涉信号进行分析，测得对应的频率，根据多普勒原理完成弹丸速度计算，得到弹丸运动速度时间曲线，进而处理出弹丸所受过载曲线。

2 基于微波干涉仪的弹丸膛内过载测试系统及方法

基于微波干涉仪的弹丸膛内过载测试方法，其测试系统如图2所示。

图2 弹丸膛内过载测试系统图Fig.2 Sketch of projectile’s overload testing system

将火炮、压力传感器、数据采集处理系统、光电测速靶、反射板放置于图2中所述位置。反射板的材质采用锡箔纸，用支架固定在炮口前方。将微波干涉仪架设于炮口侧后方，微波干涉仪与身管的夹角约为20°～30°之间，将微波干涉仪前端面中心与反射板中心及身管轴线调整在同一水平线，调节反射板与微波干涉仪的角度，使微波干涉仪发出的信号能经反射板反射进入身管。将数据采集处理系统和微波干涉仪连接至同步触发器，使得两部设备测试的数据在时间轴上同步。在火炮射击试验中，微波干涉仪测试弹丸在膛内运动中反射的微波信号，并根据多普勒原理计算弹丸速度，计算公式如下：

(1)

式(1)中，f1为微波干涉仪发射系统的微波频率，Hz；f2为经弹丸反射后微波干涉仪接收系统接收到的微波频率，Hz；λ0为微波干涉仪发出微波的波长，m；v为弹丸在膛内的运动速度，m·s-1。

对得到的弹丸膛内速度时间曲线(v-t)进行微分处理后可得到弹丸膛内过载时间曲线。

3 实验验证

基于30 mm高压滑膛炮开展了弹丸膛内过载测试试验，弹重为200 g，装药量185 g，行程2 085 mm，次要功系数为1.05。试验中采用瑞士Kistler公司的6213B型压电压力传感器、奥地利德维创公司的DEWE-2010型数据采集仪进行压力测试，采用中北大学研制的IM-W95型微波干涉仪(波长为3 mm、频率为95 GHz)进行弹丸膛内运动参数测试，采用中北大学研制的同步触发系统(同步精度1 μs)对压力测试系统和微波干涉仪进行时间上同步触发，采用光电测速靶测试弹丸炮口初速。试验中测试的内弹道结果如表1所示。

表1 内弹道试验结果

由于光电测速靶测得的初速为炮口前方10 m处的速度(即V10)，需采用如下公式进行初速修正：

ΔV=[(i43×d2/m)×103×Xcp/ΔD(Vcp)]×10

(2)

式(2)中，i43为弹形系数，取4.0；d为弹径，取0.03 m；m为弹重，kg；Xcp为测速靶距炮口距离，10 m；ΔD(Vcp)为相应初速修正系数，依据GJB2179-94《炮用发射药与装药内弹道试验方法》此处为60。

将上述参数代入公式(2)计算可得，ΔV=30 m·s-1，即修正到炮口的弹丸初速为1 377.3 m·s-1。

微波干涉仪测试获得的弹丸膛内运动多普勒信号如图3所示。

图3 弹丸膛内运动多普勒信号Fig.3 Doppler signal curve of projectile’s movement in bore

将图3所示的弹丸膛内运动多普勒信号进行处理，获得的弹丸在膛内运动的速度时间曲线、位移时间曲线，如图4所示。

图4 L-t曲线和V-t曲线Fig.4 L-t and V-t curves

由图4可知，弹丸出炮口时间约为2.96 ms，弹丸行程约为2 085 mm，出炮口的速度约为1 380.3 m·s-1，相对于光电测速靶修正到炮口的初速测试误差约为0.22%，表明微波干涉仪测试具有较高的测试精度。

测试的膛底压力pt、坡膛压力p0、炮口压力pg曲线如图5所示。由图5膛底pt和炮口pg压力曲线综合分析可知，弹丸出炮口时间大约为2.965 ms，与其相比微波干涉仪测试获得的出炮口时间测试误差为0.17%。

对图4所示的弹丸速度曲线进行微分计算可得到弹丸的膛内过载随时间变化曲线，并与采用图5中的膛底压力数据按照文献[9]中的方法计算的膛内过载曲线作对比，如下图6所示。

图5 膛内p-t曲线Fig.5 p-t curves in bore

图6 弹丸膛内过载曲线Fig.6 Overload curves of projectile in bore

从图6可以看出，基于压力测试及内弹道理论计算出的火炮膛内过载最大值为90 393g，对应的时间约为1.43 ms，该时刻的膛底压力值为371.58 MPa，为膛底压力曲线的最大值。结合文献[9]和图6结果可知，基于压力测试计算的膛内过载曲线依赖于测试的膛底压力曲线，其变化趋势与膛底压力曲线一致；且由于在计算过程中用到了拉格朗日假设，认为弹后空间的混合气体密度均匀分布。在该假设基础上推导出的弹后空间压力分布与火炮膛内实际火药燃气压力分布存在差异，因而基于该方法获得的弹丸膛内过载曲线与实际值存在一定误差。综合表1和图4、图5中的数据可知，基于微波干涉仪测试获得的弹丸炮口速度与光电测速靶修正到炮口的初速测试误差约为0.22%，与基于压电压力测试的弹丸膛内运动时间测试误差为0.17%，表明微波干涉仪获得的弹丸在膛内的运动参数接近弹丸在膛内的实际运动状态，因而由微波干涉仪测试获得的V-t曲线微分获得的弹丸膛内过载曲线相较于基于压力测试计算的膛内过载曲线而言，准确度更高，更接近弹丸在膛内运动过程中实际受到的过载。从图6可以看出基于微波干涉仪测试法获得的弹丸膛内过载为86 733g，对应时间约为1.37 ms，比基于压力测试计算获得的最大过载时间提前0.6 ms，最大过载值小3 660g，且在过载曲线上升段(0.205～1.223 ms)，微波干涉仪测试的弹丸膛内过载值均要高于压力测试计算值。试验结果表明，基于微波干涉仪测试获得的膛内过载数据可以为弹丸设计、引信及制导弹药的电子元器件的抗过载研究等提供了更为准确和可靠的基础数据支撑。

采用本文建立的弹丸膛内过载测试方法，在弹丸内部放入被试样品如推进剂药柱等，采用软回收装置对射击后的弹丸进行无损回收，并对承受高过载冲击后的被试样品进行性能检测，可获得被试样品的抗过载性能数据。因而本文建立的弹丸膛内过载测试方法也可为火炸药的抗过载研究提供加载测试及验证技术手段。

4 结论

本文提出了基于微波干涉仪的火炮发射过程弹丸膛内过载测试方法。该方法采用微波干涉仪对弹丸膛内运动的微波多普勒信号进行分析处理获得弹丸膛内过载。试验结果表明，本文提出的弹丸膛内过载测试方法精度较高，且成本低廉、测试过程简单，实现了无损测试；本文建立的弹丸膛内过载测试方法，能有效获得弹丸在火炮发射过程中的过载数据，可为引信及制导弹药的电子元器件抗过载设计提供更为准确和可靠的基础数据支撑，也为火炸药等的抗过载研究提供了加载测试技术手段。