李士彥，蔡德詠

(中國(guó)人民解放軍72465部隊(duì), 濟(jì)南 250022)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，高炮武器系統(tǒng)是抗擊中空、低空和超低空目標(biāo)的主戰(zhàn)兵器。對(duì)中小口徑高炮來(lái)說(shuō)，射彈炮口初速變化對(duì)高炮射擊精度具有較大影響[1-2]。當(dāng)高炮受使用環(huán)境影響使其初速發(fā)生明顯偏差時(shí)，若火控計(jì)算機(jī)輸出的射擊諸元不隨之進(jìn)行校正，必然導(dǎo)致射彈偏離目標(biāo)，從而大大降低高炮的射擊準(zhǔn)確度[3-4]。為提升高炮的射擊精度，需要進(jìn)行初速閉環(huán)校射以修正射彈初速偏差對(duì)彈目偏差量的影響，修正的前提是能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量射彈初速。通過(guò)對(duì)高炮加裝炮口初速測(cè)試裝置，精確檢測(cè)炮口射擊彈丸的初速量值，以此修正高炮的射向和賦予其精確的火力射擊諸元，能夠很大程度的提高高炮對(duì)空作戰(zhàn)的毀傷效能，具有顯著的軍事經(jīng)濟(jì)效益[5-7]。電磁感應(yīng)法經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)是一種既簡(jiǎn)易、可靠又精確、經(jīng)濟(jì)的測(cè)量彈丸初速的方法。它特別適合裝配于炮口處對(duì)高炮發(fā)射的彈丸進(jìn)行初速測(cè)量[8-9]。

本文為實(shí)現(xiàn)炮口初速的準(zhǔn)確測(cè)量，采用雙測(cè)速線圈區(qū)截測(cè)時(shí)法，研究了初速測(cè)試裝置工作原理，綜合應(yīng)用電磁感應(yīng)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)控制與信號(hào)處理等技術(shù)，研制了由炮口裝置和信息處理裝置組成的炮口初速測(cè)試裝置，并進(jìn)行了耐高溫、耐高壓檢驗(yàn)和實(shí)彈射擊測(cè)試試驗(yàn)，驗(yàn)證了測(cè)試裝置的性能，為推廣應(yīng)用高炮炮口初速測(cè)試裝置提供了技術(shù)參考。

1 工作原理

本文采用雙測(cè)速線圈區(qū)截測(cè)時(shí)法實(shí)現(xiàn)炮口初速測(cè)量，初速測(cè)試裝置的工作原理框圖如圖1。

圖1 炮口初速測(cè)試裝置的工作原理框圖

裝置采用窄脈沖勵(lì)磁、窄線圈結(jié)構(gòu)，生成強(qiáng)磁場(chǎng)窄磁隙，使高速飛經(jīng)測(cè)速線圈的彈丸能夠?qū)Υ艌?chǎng)形成有效擾動(dòng)，進(jìn)而感應(yīng)電磁信號(hào)；采用寬帶儀表放大器、高通濾波器對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行放大濾波；采用信號(hào)分離器對(duì)混繞在一起的兩個(gè)初速信號(hào)進(jìn)行分離；采用高精度比較器對(duì)經(jīng)過(guò)分離的初速信號(hào)進(jìn)行方波整形，獲得理想的初速窄脈沖方波對(duì)；采用雙測(cè)速線圈區(qū)截測(cè)時(shí)法實(shí)現(xiàn)炮口初速測(cè)量的關(guān)鍵是高精度測(cè)試有兩個(gè)測(cè)速窄脈沖方波之間的時(shí)間；采用了DSP+FPGA數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，根據(jù)兩個(gè)測(cè)速線圈之間的電中心距離，快速、精確地計(jì)算炮口初速[10-11]。依據(jù)測(cè)定的彈丸初速進(jìn)行彈丸彈道軌跡的解算，修正高炮的射向和賦予其精確的火力射擊諸元，從而提高高炮對(duì)空作戰(zhàn)的毀傷效能。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

炮口初速測(cè)試裝置由炮口裝置和信息處理裝置兩部分組成，其中炮口初速測(cè)試裝置安裝于炮口制退器上，信息處理裝置安裝于高炮上部托架上，其使用的電源可以與火炮并網(wǎng)供電。

2.1 炮口裝置

炮口裝置由線圈、支撐架、護(hù)套、電纜接線器、護(hù)線管、聯(lián)接件等組成，如圖2所示。安裝于炮口部，與炮口制退器固化為一體，在盡可能小的直徑范圍內(nèi)保持與炮膛軸線的同軸度，測(cè)量裝置的機(jī)械定位與連接要保持強(qiáng)度和高精度的結(jié)合。線圈、支撐架、護(hù)套、電纜接線器等器件進(jìn)行組合功能測(cè)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)出炮口的彈丸進(jìn)行初速測(cè)量。主要完成對(duì)出炮口的彈丸進(jìn)行初速測(cè)量信號(hào)的數(shù)據(jù)采集功能。

圖2 炮口裝置

炮口裝置質(zhì)量越大，高炮轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就越大，對(duì)調(diào)炮精度將會(huì)產(chǎn)生影響，不利于攔截打擊高速飛行目標(biāo)。本文的炮口初速測(cè)量采用雙測(cè)速線圈區(qū)截測(cè)時(shí)法，需要將兩個(gè)測(cè)速線圈固定在炮口處安裝在支撐架上，采取簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)彈丸出炮口的速度測(cè)量，這種在高炮原配的炮口制退器上加裝測(cè)速裝置，在不明顯增加炮口部質(zhì)量的前提下，設(shè)計(jì)的一種集炮口制退、初速測(cè)量、引信裝定功能于一體的多功能炮口裝置，顯然是一種最優(yōu)化的方案，同時(shí)也是一種成本最低的設(shè)計(jì)加工方案。如果全新研究一種炮口初速測(cè)試裝置，將會(huì)帶來(lái)設(shè)計(jì)、制作、試驗(yàn)多環(huán)節(jié)的驗(yàn)證與技術(shù)鑒定，需要的鑒定試驗(yàn)周期和保障經(jīng)費(fèi)支撐需求大，不利于新技術(shù)在老裝備上的推廣應(yīng)用。因此，采用了在原炮口制退器前端增加一個(gè)質(zhì)量輕(質(zhì)量≤3 kg)、結(jié)構(gòu)緊湊(長(zhǎng)度≤150 mm±50 mm)初速測(cè)量裝置。該初速測(cè)量裝置采用三線圈組合結(jié)構(gòu)，縮短了炮口初速測(cè)試裝置總體長(zhǎng)度；采用碳纖維材料制作線圈骨架，使之具有耐火藥氣體中顆粒高速、高溫沖刷的磨損、耐高溫和輕量化性能；采用在線圈骨架外套鋼套并灌注高強(qiáng)度膠封裝，增加了線圈骨架強(qiáng)度，提高了使用壽命。

2.2 信息處理裝置

信息處理裝置由初速測(cè)量板、數(shù)據(jù)處理板、功率放大板、電源板、機(jī)箱等組成。主要完成對(duì)出炮口的彈丸通過(guò)炮口測(cè)量裝置的采集的信號(hào)進(jìn)行解算處理功能。機(jī)箱對(duì)外電氣接口采用航空插接件進(jìn)行信號(hào)線連接，提高信號(hào)采集與傳輸?shù)目煽啃?。電纜與火控計(jì)算機(jī)連接電路采用CAN總線傳輸，解決了數(shù)據(jù)采集的高速率傳輸。通過(guò)優(yōu)化總體方案，實(shí)現(xiàn)了小型化設(shè)計(jì)。信息處理裝置外形如圖3所示。

3 試驗(yàn)研究

在炮口測(cè)量裝置和信息處理裝置設(shè)計(jì)制作完成后，進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試及高低溫、濕度、沖擊、振動(dòng)等試驗(yàn)項(xiàng)目考核，產(chǎn)品性能指標(biāo)滿足規(guī)定要求，炮口初速測(cè)試裝置如圖4所示。將炮口測(cè)量裝置安裝至某型高炮炮口制退器上進(jìn)行彈道試驗(yàn)測(cè)試，產(chǎn)品耐高溫、耐高壓性能達(dá)到了設(shè)計(jì)規(guī)定的指標(biāo)。

圖3 信息處理裝置外形

圖4 炮口初速測(cè)試裝置

在此基礎(chǔ)上，炮口初速測(cè)試裝置又進(jìn)一步進(jìn)行了實(shí)彈射擊試驗(yàn)。對(duì)某型高炮的實(shí)彈射擊彈丸的炮口初速測(cè)量，以天幕靶測(cè)試結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)值，炮口初速測(cè)試裝置試驗(yàn)結(jié)果與天幕靶的測(cè)試結(jié)果如圖5所示。炮口初速測(cè)試裝置試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，炮口初速測(cè)量最大誤差為0.63%，設(shè)計(jì)要求為<0.8%，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖5 口初速測(cè)試裝置試驗(yàn)結(jié)果與天幕靶的測(cè)試結(jié)果

指標(biāo)參數(shù)結(jié)果裝置重量≤3 kg耐高溫>800 ℃耐高壓>60 MPa抗沖擊載荷>2 000 g炮口初速測(cè)量范圍800～1 100 m/s炮口初速測(cè)量誤差0.63%(滿足設(shè)計(jì)要求<0.8%)

4 結(jié)論

應(yīng)用了電磁感應(yīng)、數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)控制與信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高精度的測(cè)量炮口部對(duì)飛離的彈丸初速、編程、解算的信號(hào)處理功能。通過(guò)精確檢測(cè)炮口射擊彈丸的初速量值修正高炮的射向和賦予其精確的火力射擊諸元，能夠很大程度的提高高炮對(duì)空作戰(zhàn)的毀傷效能。