汪國(guó)勝,藥凌宇2,魏來(lái)生2,樸燕2,顧亮1
(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院,北京100081;2.中國(guó)北方車輛研究所,北京100072)
某型坦克底盤線振動(dòng)對(duì)行進(jìn)間射擊精度影響機(jī)理研究
汪國(guó)勝1,2,藥凌宇2,魏來(lái)生2,樸燕2,顧亮1
(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院,北京100081;2.中國(guó)北方車輛研究所,北京100072)
針對(duì)某型坦克高速行進(jìn)間射擊精度較低的問(wèn)題,從底盤線振動(dòng)的角度分析了炮彈出膛的橫向速度、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)成像質(zhì)量、乘員觀瞄操縱效能三方面的影響因素,并結(jié)合實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)逐一研究了每個(gè)因素對(duì)射擊精度的影響。研究結(jié)果表明:底盤線振動(dòng)引起的橫向射擊偏差較小,不足以引起射擊精度的大幅降低;底盤線振動(dòng)雖然對(duì)瞄準(zhǔn)鏡成像質(zhì)量雖然有一定的影響,但基本不會(huì)影響觀瞄效果;而由于乘員乘坐位置線振動(dòng)較大,乘員的乘坐舒適性較差,使其難以精確操縱瞄準(zhǔn)設(shè)備,從而影響觀瞄效果。因此,車輛底盤線振動(dòng)對(duì)坦克裝甲車輛射擊精度的影響主要表現(xiàn)在對(duì)乘員乘坐舒適性的影響上,乘員舒適性較差是限制行進(jìn)間射擊精度的重要原因。
兵器科學(xué)與技術(shù);行進(jìn)間射擊精度;乘坐舒適性;底盤線振動(dòng);坦克裝甲車輛
影響坦克行進(jìn)間射擊精度的因素有很多[1-3]。底盤振動(dòng)是其中一個(gè)重要的因素。由于坦克裝甲車輛在實(shí)施行進(jìn)間射擊時(shí),車載武器系統(tǒng)與瞄準(zhǔn)系統(tǒng)不可避免地隨車輛底盤發(fā)生隨機(jī)振動(dòng),在某型坦克對(duì)目標(biāo)距離2 000 m固定目標(biāo)實(shí)施行進(jìn)間射擊的試驗(yàn)(針對(duì)某型炮彈)表明:當(dāng)路況較差或車速較高時(shí),命中率會(huì)顯著下降。試驗(yàn)研究與車輛乘員主觀反映均表明:車速提高引起的命中率降低主要是由于底盤振動(dòng)增大導(dǎo)致的,這說(shuō)明底盤振動(dòng)是影響行進(jìn)間射擊命中率的主要原因之一。底盤振動(dòng)對(duì)射擊精度的影響主要表面在兩個(gè)方面[4]:底盤角振動(dòng)和底盤線振動(dòng)。多年來(lái),國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)底盤角振動(dòng)進(jìn)行了大量的研究,國(guó)內(nèi)也設(shè)計(jì)了相應(yīng)的陀螺裝置于瞄準(zhǔn)鏡與火炮穩(wěn)定系統(tǒng)中,很大程度上彌補(bǔ)了底盤角振動(dòng)造成的角振動(dòng)誤差[5-6],提高了射擊精度。但陀螺只對(duì)角振動(dòng)敏感,而對(duì)線振動(dòng)不敏感,瞄準(zhǔn)鏡及火炮穩(wěn)定系統(tǒng)對(duì)由坦克底盤線振動(dòng)引起的射擊誤差無(wú)力補(bǔ)償。坦克底盤線振動(dòng)對(duì)行進(jìn)間射擊精度的影響表現(xiàn)在哪些方面,影響機(jī)理是怎樣,多年來(lái)相關(guān)研究較少。本文主要結(jié)合某型坦克實(shí)車行駛振動(dòng)數(shù)據(jù),研究坦克底盤線性振動(dòng)對(duì)火炮射擊精度的影響。
通過(guò)綜合分析發(fā)現(xiàn),坦克裝甲車輛底盤線振動(dòng)對(duì)火炮行進(jìn)間射擊精度的影響主要表現(xiàn)在3個(gè)方面:
1)容易引起炮彈出膛的橫向速度[4,7]。由于火炮是通過(guò)耳軸安裝于炮塔上的,在行進(jìn)間射擊過(guò)程中,耳軸不可避免地隨著車體做上下垂直振動(dòng)與前后、左右水平振動(dòng),如果車體線振動(dòng)過(guò)大,必然會(huì)引起一定的炮彈出膛橫向速度;
2)降低瞄準(zhǔn)系統(tǒng)成像質(zhì)量[8-10]。坦克裝甲車輛乘員觀瞄裝置主要是車炮長(zhǎng)瞄準(zhǔn)鏡,這些瞄準(zhǔn)裝置是固定于炮塔上的,而炮塔是通過(guò)炮塔座圈安裝于車體上的。同樣,如果坦克底盤垂直振動(dòng)或水平振動(dòng)較大,必然影響瞄準(zhǔn)鏡的成像質(zhì)量,從而會(huì)引起車炮長(zhǎng)瞄準(zhǔn)精度降低,最終影響射擊精度。
3)影響乘員觀瞄操縱效能[8]。一次完整的擊發(fā)過(guò)程包含搜索、瞄準(zhǔn)、鎖定、擊發(fā)等過(guò)程。這個(gè)過(guò)程中,車炮長(zhǎng)必須親自操縱操縱臺(tái)上的相應(yīng)裝備或按鈕才能完成,需要車輛乘員的切身參與,是一個(gè)人機(jī)結(jié)合的過(guò)程。大量實(shí)車試驗(yàn)表明:如果長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)較大,也會(huì)引起乘員疲勞程度增加,注意力下降,最終引起射擊精度降低;更重要的是,如果兩個(gè)位置振動(dòng)增加到乘員難以坐穩(wěn)的程度時(shí),其必須要靠扶緊操縱臺(tái)把手才能穩(wěn)住身軀,此時(shí)乘員就難以實(shí)施搜索、瞄準(zhǔn)、鎖定、擊發(fā)等精確的觀瞄操作。所以,線振動(dòng)引起的乘員觀瞄操作效能下降也可能是引起行進(jìn)間射擊精度下降的一個(gè)重要原因。
上述3個(gè)方面對(duì)行進(jìn)間射擊精度影響程度需結(jié)合實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析。
從振動(dòng)傳遞路徑可知:火炮是通過(guò)耳軸安裝在炮塔上的,耳軸位置線振動(dòng)基本代表了火炮的線振動(dòng),瞄準(zhǔn)鏡殼體上的振動(dòng)體現(xiàn)了瞄準(zhǔn)鏡的線振動(dòng);座椅位置振動(dòng)大小與操縱臺(tái)位置振動(dòng)大小是同步變化的,所以座椅位置振動(dòng)大小基本代表了乘員觀瞄操縱效能。除此之外,還有車體質(zhì)心位置(或質(zhì)心在底甲板上的垂直投影位置),該位置雖然不直接影響射擊精度,但對(duì)于特定的車輛,該位置線性振動(dòng)直接反映了整車的線振動(dòng)。所以實(shí)車測(cè)試并分析耳軸、瞄準(zhǔn)鏡、座椅、質(zhì)心在底甲板上的垂直投影等4個(gè)位置振動(dòng)數(shù)據(jù),就基本能判定上述3方面線振動(dòng)對(duì)射擊精度的影響。
野外振動(dòng)試驗(yàn)按15 km/h、20 km/h、25 km/h、30 km/h、35 km/h車速在典型的中等起伏砂土路面上(路面等級(jí)相當(dāng)于E級(jí)路面)進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明:在相同路段的越野路面上,履帶車輛底盤線振動(dòng)與角振動(dòng)基本隨著車速的增加而增加。因篇幅限制,本文僅列出在射擊精度大幅降低的速度檔(30 km/h)條件下相關(guān)位置的振動(dòng)加速度,具體如表1所示。數(shù)據(jù)處理方法與車輛x軸、y軸、z軸3個(gè)加速度方向定義參見(jiàn)文獻(xiàn)[7].
車體質(zhì)心在底甲板上投影處x軸與z軸方向加速度、瞄準(zhǔn)鏡與炮長(zhǎng)座椅兩個(gè)位置z軸方向加速度信號(hào)如圖1~圖4所示。從瞄準(zhǔn)鏡z軸方向振動(dòng)加速度信號(hào)的功率譜密度來(lái)看,除了1~2 Hz之間有一個(gè)低頻峰值外(主要由懸掛系統(tǒng)一階振型產(chǎn)生),瞄準(zhǔn)鏡位置振動(dòng)以50 Hz以上高頻振動(dòng)為主;耳軸位置振動(dòng)頻帶基本與瞄準(zhǔn)鏡相似。從瞄準(zhǔn)鏡、炮長(zhǎng)座椅兩個(gè)位置z軸方向加速度幅值分布密度曲線來(lái)看,振動(dòng)加速度幅值基本呈正態(tài)隨機(jī)分布,坦克車輛底盤線振動(dòng)對(duì)行進(jìn)間射擊精度的影響以高頻隨機(jī)振動(dòng)為主。另外從表1中與圖2、圖3中還看到,車輛質(zhì)心在底甲板上投影處的垂直向振動(dòng)較大,但經(jīng)過(guò)炮塔的衰減,瞄準(zhǔn)鏡位置振動(dòng)加速度均方根值減小到質(zhì)心位置的1/3左右,耳軸位置振動(dòng)減小得更多。
表1 坦克相關(guān)位置線振動(dòng)統(tǒng)計(jì)值Tab.1 Statistical data of linear vibration at relative positions of tank
圖1 車體質(zhì)心投影處x軸方向振動(dòng)信號(hào)Fig.1 Vibration signals(x)at tank chassis’center of gravity
圖2 車體質(zhì)心投影處z軸方向振動(dòng)信號(hào)Fig.2 Vibration signals(z)at tank chassis’center of gravity
如表1和圖1所示車體質(zhì)心x軸方向振動(dòng)信號(hào)可見(jiàn),車體質(zhì)心x軸、y軸、z軸3個(gè)方向振動(dòng)中,水平x軸方向振動(dòng)幅值最大。這是由于車輛在起伏路面上高速行駛時(shí)車輛起伏顛簸及駕駛員為防止出現(xiàn)大幅的振動(dòng),而采取緊急制動(dòng)措施導(dǎo)致車輛行駛速度發(fā)生大幅變化,引起安裝在車體底甲板上質(zhì)心投影附近處輸彈機(jī)等部件與車體發(fā)生慣性沖擊造成的。這種瞬態(tài)沖擊雖然較大,但是其加速度均方根值仍小于垂直向加速度均方根值。
由于車輛縱向振動(dòng)速度相對(duì)炮彈飛行速度要小得多,車輛縱向振動(dòng)對(duì)火炮射擊偏差的影響可以忽略不計(jì)。相關(guān)研究表明,但車輛底盤橫向(y軸、z軸)線振動(dòng)速度會(huì)在炮彈出膛時(shí)引起橫向初速[4,7],這會(huì)產(chǎn)生一定的射擊偏差。線振動(dòng)速度引起的射擊偏差可用(1)式表達(dá):
式中:f0為計(jì)算線振動(dòng)速度的截止頻率,一般取f0= 250 Hz;Ga(f)為加速度功率譜密度函數(shù)。
按照(2)式求得的車體質(zhì)心在底甲板上投影處及耳軸根部x軸、y軸、z軸3個(gè)方向振動(dòng)線速度均方根值如表1所示。以該試驗(yàn)樣車所用某型炮彈在行進(jìn)間對(duì)直瞄有效距離D=2 000 m的目標(biāo)進(jìn)行射擊時(shí),炮彈飛行時(shí)間約為tf=1.15 s,按照隨機(jī)函數(shù)分布的3.29σ規(guī)律[11]可知,在99.9%的概率下,垂直向最大的射擊偏差不會(huì)超過(guò)
計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)小于2.3 m×4.6 m目標(biāo)靶尺寸,由此可見(jiàn),在對(duì)D=2 000 m固定靶目標(biāo)實(shí)施行進(jìn)間射擊時(shí),該型坦克底盤線振動(dòng)速度引起的射擊偏差基本導(dǎo)致脫靶的概率較小,從而可知,其底盤線振動(dòng)速度不是影響其行進(jìn)間射擊精度的主要因素。
圖3 瞄準(zhǔn)鏡位置z軸方向振動(dòng)信號(hào)Fig.3 Vibration signals(z)at the position of sighting telescope
圖4 炮長(zhǎng)座椅z軸方向振動(dòng)信號(hào)Fig.4 Vibration signals(z)at the position of gunner’s seat
國(guó)際上,一般均采用調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)來(lái)定量表示瞄準(zhǔn)系統(tǒng)或攝像系統(tǒng)的成像質(zhì)量。MTF也叫頻率反差函數(shù),它是說(shuō)明景物或圖像的反差與空間頻率關(guān)系的一種函數(shù)。所以,它包含了衡量圖像質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的兩個(gè)最基本且可測(cè)量的量:空間頻率和圖像對(duì)比度,它能反映成像系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)不同空間頻率的頻譜傳遞特性。目標(biāo)運(yùn)動(dòng)或儀器運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)圖像MTF的下降,其實(shí)質(zhì)是成像介質(zhì)響應(yīng)速度有限所致[10]。
瞄準(zhǔn)鏡實(shí)際上是一個(gè)開(kāi)普列式的望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)。假設(shè)物鏡的焦距為fo,目鏡的焦距為fe,則瞄準(zhǔn)鏡的倍率為
由于坦克用瞄準(zhǔn)鏡實(shí)際上由一組物鏡與一組目鏡組成,對(duì)于試驗(yàn)坦克炮長(zhǎng)瞄準(zhǔn)鏡,其倍率Γ變化范圍為6~10.對(duì)于裝載有瞄準(zhǔn)鏡的車輛平臺(tái),x軸、y軸、z軸3個(gè)方向線振動(dòng)均對(duì)乘員觀瞄的圖像質(zhì)量產(chǎn)生影響,但相關(guān)研究表明,盡管瞄準(zhǔn)鏡位置光軸向(x軸)振動(dòng)較大,但是由于測(cè)量距離較瞄準(zhǔn)鏡的焦距要大得多,軸向振動(dòng)對(duì)成像質(zhì)量的影響較y軸、z軸兩個(gè)方向要小得多[11-12]。為此,線振動(dòng)對(duì)瞄準(zhǔn)鏡成像質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)在光軸垂直面上,即y軸、z軸兩個(gè)方向上,尤其是z軸方向上振動(dòng)幅度較大。假設(shè)瞄準(zhǔn)鏡相對(duì)目標(biāo)的橫向運(yùn)動(dòng)(振動(dòng))位移均方根值為sm,目標(biāo)距離為D,則由于橫向振動(dòng)引起對(duì)應(yīng)的像移均方根值為
sm可通過(guò)在頻域內(nèi)對(duì)加速度功率譜密度函數(shù)積分估計(jì)求得,如垂直向位移smz可通過(guò)(6)式[9]估計(jì):
按照上述方法,對(duì)瞄準(zhǔn)鏡x軸、y軸、z軸3個(gè)方向線振動(dòng)位移均方根值進(jìn)行了估計(jì),具體值見(jiàn)表1.
假設(shè)瞄準(zhǔn)鏡是一個(gè)理想的光學(xué)系統(tǒng),則在高頻隨機(jī)振動(dòng)下的瞄準(zhǔn)鏡圖像MTF可由(7)式[10]表示:
式中:n為空間頻率。對(duì)于瞄準(zhǔn)鏡,其成像的接受單元是人眼,人眼的視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞單元直徑約為2~4 μm[13],可取其平均值計(jì)算,此時(shí)人眼能識(shí)別的圖像空間截止頻率
對(duì)于試驗(yàn)樣車瞄準(zhǔn)鏡,目鏡焦距fe=25 mm,D=2 000 m時(shí),倍率取最大值Γ=10.由表1可見(jiàn),z軸方向隨機(jī)振動(dòng)的幅值最大(smz=0.005 8 m),同樣按照隨機(jī)函數(shù)分布的3.29σ規(guī)律可知,其將以99.9% 的概率保證幅值極值不超過(guò) smzmax= 19.1 mm,這基本覆蓋了表1中所測(cè)量到的振動(dòng)位移幅值的范圍。為了檢驗(yàn)車輛線振動(dòng)對(duì)不同距離目標(biāo)成像質(zhì)量的影響,做出如圖5所示的不同目標(biāo)距離條件下的瞄準(zhǔn)鏡MTF曲線。
由于人眼對(duì)應(yīng)的 MTF函數(shù)視覺(jué)閾值為MTFmin=0.026[13].由圖5可見(jiàn),在相同振動(dòng)水平下,圖像清晰度隨著目標(biāo)距離的拉近而不斷降低;人眼通過(guò)瞄準(zhǔn)鏡觀瞄2 000 m遠(yuǎn)以外的目標(biāo)時(shí),其清晰度是可以保證的,但在觀瞄1 500 m以內(nèi)的目標(biāo)時(shí),人眼觀瞄的圖像清晰度將受到影響。根據(jù)(6)式計(jì)算可得500 m(此時(shí)對(duì)應(yīng)的倍率Γ≈6)條件下對(duì)應(yīng)的觀瞄分辨率閾值約為75 lp/mm,可知分辨率尚可,雖然圖像有些模糊,但是目標(biāo)輪廓完全可分辨。由此可見(jiàn),該型坦克底盤線振動(dòng)基本不會(huì)影響乘員觀瞄圖像質(zhì)量,這一試驗(yàn)結(jié)果跟炮手現(xiàn)場(chǎng)的反映是非常一致的。
圖5 瞄準(zhǔn)鏡垂直向振動(dòng)MTF曲線Fig.5 MTF curves of vertical vibration on sighting telescope
目前,國(guó)際上與國(guó)內(nèi)裝甲車輛行業(yè)一般采用ISO2631—1:1997(E)[7,14]中1/3倍頻程方法評(píng)價(jià)車輛乘員的振動(dòng)舒適性,對(duì)于車炮長(zhǎng),其面臨的振動(dòng)環(huán)境比汽車更為惡劣,而由于其要進(jìn)行精確的瞄準(zhǔn)與擊發(fā)操作,操作精度要求較一般的車輛駕駛員要求更高。為考察車輛線振動(dòng)對(duì)乘員乘坐舒適性的影響,以炮長(zhǎng)為例,對(duì)該型坦克炮長(zhǎng)座椅位置x軸、y軸、z軸3個(gè)方向加權(quán)振動(dòng)加速度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,相關(guān)結(jié)果也見(jiàn)表1.
相關(guān)研究表明,當(dāng)垂直向加權(quán)加速度達(dá)到0.5 m/s2時(shí),人就感覺(jué)到相當(dāng)不舒適了[11]。由表1可見(jiàn),炮長(zhǎng)座椅垂直向(z軸)加權(quán)加速度較大,這說(shuō)明影響乘員振動(dòng)舒適性的主要是垂直振動(dòng);多個(gè)型號(hào)坦克野外振動(dòng)試驗(yàn)表明,當(dāng)垂直向加權(quán)加速度達(dá)到0.65~0.70 m/s2時(shí),人在座椅上已難以坐穩(wěn),這時(shí)需雙手緊扶操縱臺(tái)把手才能穩(wěn)住身軀,這對(duì)于經(jīng)過(guò)專業(yè)訓(xùn)練的炮手等乘員,其要想進(jìn)行連貫的搜索、瞄準(zhǔn)、鎖定、擊發(fā)等精確操作已經(jīng)很困難了。由表1還可見(jiàn),在中等起伏路面上以略高于行進(jìn)間射擊車速的速度行駛時(shí),炮長(zhǎng)座椅位置垂直加權(quán)加速度已接近0.70 m/s2的上限,已超出乘員精確操縱瞄準(zhǔn)設(shè)備的舒適性范圍;炮長(zhǎng)座椅x軸、y軸兩個(gè)方向加權(quán)加速度值比垂直方向加權(quán)加速度小一些,但也已分別達(dá)到0.26 m/s2、0.387 m/s2.由于水平向振動(dòng)對(duì)垂直坐姿的乘員乘坐舒適性的影響系數(shù)是垂直向振動(dòng)影響系數(shù)的1.4倍[7,14],這種影響也足以引起乘員身軀在x軸、y軸兩個(gè)方向上晃動(dòng),這將使得炮長(zhǎng)眼睛不能穩(wěn)定地抵在瞄準(zhǔn)鏡護(hù)額上,難以進(jìn)行精準(zhǔn)的搜索、瞄準(zhǔn)操作,使操作精度與操作效能大幅下降并最終影響行進(jìn)間射擊精度與行進(jìn)間射擊車速,這種現(xiàn)象與實(shí)車射擊時(shí)炮手反映是完全一致的。由此可見(jiàn),該型坦克底盤線振動(dòng)對(duì)行進(jìn)間射擊精度與射擊車速的影響較大,是影響裝甲車輛的重要因素,其影響主要體現(xiàn)在乘員乘坐舒適性上,較大的線振動(dòng)會(huì)使乘員操瞄精度與操縱效能下降,最終導(dǎo)致行進(jìn)間射擊精度下降。
某型坦克野外振動(dòng)試驗(yàn)與研究表明,底盤線振動(dòng)引起的橫向射擊偏差較小,不足以引起其射擊精度的大幅下降;底盤線振動(dòng)對(duì)瞄準(zhǔn)鏡成像質(zhì)量雖然有一定的影響,但基本不會(huì)影響其乘員觀瞄目標(biāo)的效果;而由于乘員乘坐位置線振動(dòng)較大,乘員的乘坐舒適性與穩(wěn)定性較差,使其難以精確操縱、瞄準(zhǔn)設(shè)備,從而影響操瞄精度與操縱效能,最終導(dǎo)致行進(jìn)間射擊精度的下降,這正是該型坦克底盤線振動(dòng)對(duì)行進(jìn)間射擊車速的影響限制機(jī)理。因此,底盤線振動(dòng)是影響其行進(jìn)間射擊車速的重要因素,需要大力克服。
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Research on the Influence of Linear Vibration of a Tank Chassis on On-the-move Shooting Accuracy
WANG Guo-sheng1,2,YAO Ling-yu2,WEI Lai-sheng2,PIAO Yan2,GU Liang1
(1.School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2.China North Vehicle Research Institute,Beijing 100072,China)
Three factors leading to the lower shooting accuracy for a tank moving at a high speed are analyzed based on the linear vibration of its chassis.The efects of the factors on the shooting accuracy are studied from the real test data.The research result shows that the lateral shooting deviation caused by the linear vibration of chassis is too small to reduce the shooting accuracy significantly.Although the linear vibration of chassis has some impact on the imaging quality of sighting telescope,it basically does not affect the sighting effect.Since the linear vibration of crew seat is larger and its ride comfort is poor,it is hard for the crew in the tank to precisely manipulate the sighting telescope,and then the sighting effect would be affected.Therefore,the influence of the linear vibration of tank chassis on the shooting accuracy is mainly through its impact on the ride comfort,and the ride comfort is an important reason of affecting on-the-move shooting accuracy.
ordnance science and technology;on-the-move shooting accuracy;ride comfort;linear vibration of chassis;tank and armored vehicle
TJ81
A
1000-1093(2016)03-0541-06
10.3969/j.issn.1000-1093.2016.03.021
2015-08-20
國(guó)防“973”計(jì)劃項(xiàng)目(61337305)
汪國(guó)勝(1971—),男,研究員。E-mail:wgsheng321449@163.com