譚爭(zhēng)光，姚新濤，李海蓉

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

彈丸初速是武器系統(tǒng)中各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)中一個(gè)非常重要的參數(shù)，是衡量火炮特性、彈藥特性和彈道特性的重要指標(biāo)之一。而在火炮武器系統(tǒng)的研制過程中，初速作為火炮眾多射擊諸元的其中之一，對(duì)于火炮的射擊效果具有直接的影響[1-3]。

炮口初速測(cè)量裝置采用與炮口制退器一體化設(shè)計(jì)，直接安裝于身管前端，是利用兩個(gè)通電線圈來(lái)測(cè)量火炮膛口速度的測(cè)速裝置，其測(cè)速誤差直接影響著火炮的射擊效果。由于它的安裝位置會(huì)受火炮自身的振動(dòng)沖擊環(huán)境，以及火炮后坐速度等因素的影響；同時(shí)由于炮口初速測(cè)量裝置采用區(qū)截法進(jìn)行速度測(cè)量，其所測(cè)速度為兩線圈的幾何中心位置的速度，需通過基準(zhǔn)設(shè)備(天幕靶或初速雷達(dá))對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，換算成實(shí)際初速后供火炮火控系統(tǒng)使用，基準(zhǔn)設(shè)備的測(cè)試精度及其測(cè)試正確性將直接影響炮口初速測(cè)量裝置的測(cè)速精度。筆者將從這兩方面出發(fā)，開展炮口測(cè)速精度影響因素分析[4-10]。

1 炮口測(cè)速裝置原理介紹

如圖1所示為炮口初速測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖，它是將兩組相同材料、相同結(jié)構(gòu)、相同圈數(shù)的線圈內(nèi)嵌于炮口制退器中，制退器通過螺紋安裝于身管外部，并且身管軸線與兩組線圈的軸線同軸。

炮口初速測(cè)量裝置采用區(qū)截式測(cè)速原理，兩測(cè)速線圈之間的中心距離為L(zhǎng)保持不變，彈丸通過測(cè)速線圈時(shí)所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)時(shí)間間隔為t，可以得到彈丸經(jīng)過兩測(cè)速線圈中心c點(diǎn)的速度Vc：

Vc=L/t.

(1)

由于炮口初速測(cè)量裝置兩測(cè)速線圈中心c點(diǎn)的速度并不是實(shí)際的初速，不能直接用于火炮射擊諸元的解算。為了得到準(zhǔn)確的彈丸初速，實(shí)際應(yīng)用中，采用高精度天幕靶或高精度初速雷達(dá)同時(shí)測(cè)量該發(fā)彈丸初速，其測(cè)量值為vL，認(rèn)為vL為真值，則得到炮口初速測(cè)量裝置的標(biāo)定系數(shù)L0：

(2)

將式(1)帶入式(2)中，可得L0=vLt，因真值vL即為V0,即可得到炮口初速測(cè)量裝置在單發(fā)或連發(fā)射擊時(shí)彈丸初速V0：

V0=L0/t.

(3)

2 影響炮口初速精度的主要因素分析

由炮口初速測(cè)量裝置的測(cè)速原理可知，彈丸初速的測(cè)量精度主要由兩線圈距離L和彈丸通過線圈所用時(shí)間t決定。在實(shí)際工程應(yīng)用過程中，由于結(jié)構(gòu)的裝配誤差與電路系統(tǒng)的延遲及計(jì)時(shí)誤差，將導(dǎo)致線圈距離L和彈丸通過時(shí)間t與實(shí)際值存在偏差，造成初速測(cè)量不準(zhǔn)。但由此而引起的誤差屬于系統(tǒng)誤差，可通過初速標(biāo)定的方法對(duì)其進(jìn)行消除。除了上述所提到的系統(tǒng)誤差外，還存在由于火炮后坐速度偏差較大、轉(zhuǎn)管炮射速不穩(wěn)定、天幕靶測(cè)速系統(tǒng)不穩(wěn)定等因素影響，造成炮口測(cè)速的隨機(jī)誤差，最終影響測(cè)速精度。

2.1 火炮后坐速度偏差較大對(duì)測(cè)速精度的影響

由于炮口初速測(cè)量裝置安裝在火炮身管前端，當(dāng)彈丸出炮口時(shí)，與身管同時(shí)后坐。從理論上講，當(dāng)每發(fā)射彈后坐具有較大偏差時(shí)，必然導(dǎo)致初速的跳動(dòng)，從而影響其測(cè)速精度。筆者從某高炮單發(fā)及連發(fā)情況下后坐速度的變化情況來(lái)分析。單發(fā)射擊條件下身管后坐速度如表1所示，連發(fā)射擊條件下身管后坐速度如表2所示。

表1 單發(fā)射擊條件下身管后坐速度 單位：m·s-1

表2 連發(fā)射擊條件下身管后坐速度 單位：m·s-1

從表1可以看出單發(fā)射擊條件下，火炮身管后坐平均速度約為1.34 m/s；從表2可以看出連發(fā)射擊條件下，火炮身管后坐平均速度約為0.961 m/s，速度變化范圍為0.72～1.39 m/s.火炮身管后坐平均速度可通過初速標(biāo)定，得到初速測(cè)量裝置的標(biāo)定系數(shù)，將其作為系統(tǒng)誤差消除。

對(duì)于后坐速度的不一致性，特別是在連發(fā)射擊時(shí)火炮后坐速度的變化，將帶來(lái)測(cè)速的隨機(jī)誤差。以上述10連發(fā)為例，后坐速度變化范圍為0.72～1.39 m/s，而后坐平均速度為0.961 m/s，最大偏差為0.429 m/s，以標(biāo)準(zhǔn)初速為1 175 m/s進(jìn)行計(jì)算，由于后坐速度不一致所帶來(lái)的測(cè)速隨機(jī)誤差δ1為

(4)

2.2 轉(zhuǎn)管炮轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定對(duì)測(cè)速精度的影響

在進(jìn)行轉(zhuǎn)管炮炮口測(cè)速時(shí)，炮口初速測(cè)量裝置采用較大的測(cè)速線圈方式，可滿足轉(zhuǎn)管射擊的安全性要求，同時(shí)保證其與身管同時(shí)后坐。由于轉(zhuǎn)管自動(dòng)炮在進(jìn)行單發(fā)或連發(fā)射擊時(shí)，轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定將導(dǎo)致彈丸出炮口位置在允許范圍內(nèi)跳動(dòng)，從而引起測(cè)速線圈感應(yīng)信號(hào)幅值不一致，最終影響炮口測(cè)速精度。射速跳動(dòng)較大情況下，初速跳動(dòng)情況如表3所示。

表3 射速跳動(dòng)較大情況下，初速跳動(dòng)情況

表3數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，自動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)速為1 504 發(fā)/min，轉(zhuǎn)速范圍為767～2 309發(fā)/min；炮口裝置與天幕靶初速偏差范圍為-0.4～-9.9 m/s，初速平均偏差為-5.17 m/s.由于轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定所導(dǎo)致的初速平均偏差而造成的隨機(jī)測(cè)速誤差δ2為

(5)

2.3 火炮車體振動(dòng)對(duì)測(cè)速精度的影響

自行高炮在進(jìn)行單發(fā)射擊時(shí)，車體的振動(dòng)不大，對(duì)天幕靶測(cè)速影響較?。欢谶M(jìn)行連發(fā)射擊時(shí)，身管具有一定范圍的高角量變化，從而改變兩套天幕靶之間的距離，從而導(dǎo)致天幕靶測(cè)速不準(zhǔn)。而炮口初速測(cè)量裝置以天幕靶為基準(zhǔn)進(jìn)行初速精度驗(yàn)收，兩者初速差將會(huì)具有明顯隨機(jī)誤差。

表4給出了車體具有剛性支撐和無(wú)剛性支撐條件下的兩組10連發(fā)數(shù)據(jù)。

表4 火炮有無(wú)剛性支撐天幕靶與炮口裝置數(shù)據(jù)對(duì)比 單位：m·s-1

續(xù)表4 單位：m·s-1

從表4數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在火炮具有剛性支撐的條件下，炮口裝置與天幕靶平均初速差值為-0.22 m/s，初速差值的分布范圍為-2.9～3.3 m/s；而火炮無(wú)剛性支撐的條件下，炮口裝置與天幕靶平均初速偏差為7.47 m/s，初速差值的分布范圍為0.4～17.1 m/s.由于火炮車體振動(dòng)所引起的天幕靶測(cè)速平均偏差，最終造成的測(cè)速隨機(jī)誤差δ3為

(6)

3 試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)處理方法探討

3.1 試驗(yàn)方法探討

根據(jù)上述分析，火炮后坐速度、轉(zhuǎn)管自動(dòng)炮轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定、火炮車體振動(dòng)等因素對(duì)炮口測(cè)速精度均有不同程度的影響，基于此，為了滿足炮口初速測(cè)量裝置對(duì)于測(cè)速精度驗(yàn)收的合理性與科學(xué)性，作如下規(guī)定：

1)確?；鹋诩夹g(shù)狀態(tài)，做到火炮后坐速度、轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等性能參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定。

2)為了避免連發(fā)狀態(tài)下后坐速度、車體振動(dòng)等因素的影響，測(cè)速精度考核時(shí)采用單發(fā)射擊方式。

3)為了確保測(cè)速基準(zhǔn)設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性，采用兩組天幕靶測(cè)同一點(diǎn)的方式進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 數(shù)據(jù)處理方法探討

3.2.1 天幕靶數(shù)據(jù)異常剔除方法

按GJB 2973A—2008的規(guī)定，采用兩套天幕靶測(cè)量第i發(fā)彈丸初速，一套擺在距炮口前方26、34 m處，測(cè)得30 m處初速v1i；另一套擺在距炮口前方25、35 m處，同樣測(cè)得30 m處初速v2i，其差值滿足式(7)時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)有效，否則剔除并補(bǔ)射。

|v1i-v2i|≤v1i×0.1%+v2i×0.1%.

(7)

天幕靶的測(cè)速精度為0.1%，式(7)適用于兩套天幕靶測(cè)量彈丸初速。

3.2.2 炮口初速測(cè)量裝置數(shù)據(jù)異常處理方法

(8)

表5 肖維涅判據(jù)

3.2.3 炮口初速測(cè)量裝置數(shù)據(jù)合格性檢驗(yàn)方法

炮口初速測(cè)量裝置數(shù)據(jù)合格性檢驗(yàn)方法是以精度較高的天幕靶作為其基準(zhǔn)設(shè)備，利用改進(jìn)的均方差公式(9)進(jìn)行數(shù)據(jù)合格性檢驗(yàn)判別。炮口初速測(cè)量裝置數(shù)據(jù)合格性檢驗(yàn)計(jì)算公式為

(9)

式中：δ為炮口初速測(cè)量裝置測(cè)速精度；n為數(shù)據(jù)處理樣本量(通常取n=10/20發(fā))；Ai為炮口初速測(cè)量裝置測(cè)量的第i發(fā)彈丸初速；Bi為天幕靶測(cè)量第i發(fā)彈丸初速。

取數(shù)據(jù)合格性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為η，若測(cè)速精度δ≤η，則判定數(shù)據(jù)為合格；否則，判定為不合格。根據(jù)系統(tǒng)要求，通常η取值為0.25%或0.5%.

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者分析了影響炮口初速測(cè)量裝置測(cè)速精度的諸多因素，包括火炮后坐速度、轉(zhuǎn)管自動(dòng)炮轉(zhuǎn)速、火炮車體穩(wěn)定性等，均在不同程度上給測(cè)速精度考核帶來(lái)了隨機(jī)誤差。針對(duì)此問題，筆者對(duì)測(cè)速精度考核進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)處理方法的研究與探討，形成了具有可操作性的約束條件，對(duì)產(chǎn)品研制或生產(chǎn)過程中，測(cè)速精度的驗(yàn)收具有一定參考價(jià)值。