射击工况火炮结构振动响应时间测试方法

摘要

本发明公开了一种射击工况火炮结构振动响应时间测试方法，它分为两步实施，第一步，振动响应信号获取。用激光位移传感器和加速度传感器测试火炮不同部件振动位移和振动加速度，用高速摄影同步测试弹丸出炮口时刻的时间；第二步，时间判断。根据振动位移和加速度测试结果，以高速摄影测试时间为基准，判断火炮不同部件振动位移和振动加速度响应信号相对于高速摄影时间出现的顺序，以给出火炮底盘在弹丸出炮口时刻是否已开始运动。它将澄清多年来人们固有的弹丸出炮口时刻大口径火炮底盘不发生运动的不正确观点，为火炮射击密集度误差源分析指明正确方向，它对射击密集度故障诊断、射击密集度关键技术攻关修改措施减少盲目性具有划时代意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种射击工况火炮结构振动响应时间测试方法，具体地讲，本发明涉及一种大口径火炮在地面密集度射击试验时的火炮结构振动响应时间测试方法。

背景技术

火炮武器在研制过程中，都要进行射弹散布(也就是射击密集度)性能试验。大口径火炮常进行最大射程地面密集度射击试验。弹丸地面射弹散布也就是火炮射击地面密集度，它是一组射弹散布围绕散布中心的密集程度，是火炮武器系统对目标命中效能的关键性战技指标，也是火炮武器系统效能和作战效能的重要基础性能参数。在现代化高新技术条件下，现代化炮兵战场上对抗的加剧，火炮武器系统的密集度具有十分重要的意义。显然，准确的炮火袭击，准确而快速地歼灭目标是对现代炮兵武器系统的最基本要求。目前，随着战争模式的变化，火炮对付的目标，其速度越来越快。要提高火炮的毁伤效果，提高其射击密集度是达到此目标的主要技术途径之一。在目标运动的未来位置，发射密集的弹丸或碎片，以此攻击运动目标。因此，与以往相比，现代战场对火炮武器系统射击密集度的要求更为突出，世界各国兵器研制部门和使用部门都在研究提高火炮武器系统射击密集度的理论和技术。

高技术条件下的现代战争对火炮武器的要求之一就是高精度、远射程、高机动性。为了提高火炮射程，人们将会采取制导炮弹、增加膛压和加长身管等措施。身管的加长和膛压的增加，直接的效果是火炮结构动力学特性恶化，炮口振动响应显著增加，射击密集度性能下降。为了在较短时间内发射密集的炮弹，人们寻求提高火炮射速的方法。火炮射速提高后，火炮振动加剧，又制约着火炮射击密集度性能的进一步提高。因为，振动响应是影响火炮射击密集度的主要因素，有时它成为首要因素。高机动性的实现，必然要求火炮武器重量轻。火炮重量和火炮射击密集度一直是共生的一对矛盾，一般情况下，火炮重量轻，则其射击密集度就变差。

在火炮武器系统的研制过程中，射击密集度问题一直困扰着火炮武器系统的快速发展，射击密集度指标往往不能达到战技指标要求，需要组织技术攻关，这样既增加了研制经费又拖长了研制周期，这些是制约火炮武器发展的瓶颈问题之一。因此，研究射击密集度问题，对促进我国火炮武器科技的快速发展，显著提高火炮武器性能具有决定性意义。

射击密集度和射击准确度一起组成了射击精度，射击密集度是随机误差，是多种参数微小变化引起的预先无法确定的误差，而射击准确度是系统误差，可以修正。如果射击密集度水平高或射弹散布小，则解决射击准确度就容易，产生的系统误差也容易修正。如果射击密集度水平很低，就不容易判断平均弹着点位置，不容易修正系统误差。因此，射击密集度是射击准确度的基础。

影响火炮射击密集度因素多种多样，概括起来，主要有火炮内、外弹道因素，火炮结构因素等。目前，开发火炮，根据作战任务的不同，一般重点集中在火炮结构的变形上，如牵引式火炮、履带式火炮、车载式火炮、轮式火炮等不同形式。经过多年的改进完善，火炮内外弹道性能已基本稳定，新型火炮型号研制时，其内外弹道参数直接采用，一般不作变动或修改。多年的火炮开发工程实践和理论分析表明，采用制式弹药开发的火炮，其射击密集度性能主要受炮口振动响应大小的影响。

随着现代战争形式的快速变化，自行火炮已成为世界主要军事大国重点发展的火炮武器。自行火炮结构一般由起落部分、回转部分和底盘部分等组成。身管是火炮起落部分的主要部件，而身管的最前端为炮口。多年的火炮工程实践和理论分析结果表明，采用制式弹药时，炮口振动响应是影响火炮射击密集度的首要因素，而火炮结构不同部件又对炮口振动响应影响程度不同。人们在多年的火炮型号研制过程中一直认为，由于大口径火炮底盘不仅质量大，而且远离炮口，因此认为，弹丸出炮口时刻，底盘没有振动响应。或者说，由于弹丸膛内运动时间非常短暂，只有十几毫秒，在如此短暂的时间内，火炮膛内高压、高速和高温燃气流引起的激励力不可能传到底盘结构上，自然地，弹丸出炮口时刻，底盘也就没有振动响应。

由于人们受上述观点的影响，在大口径火炮型号研制时，尤其在火炮射击密集度关键技术攻关时，总是将底盘影响因素排除在外，认为弹丸出炮口时刻，底盘没有运动。实际上，底盘结构动态特性对炮口振动、以及射击密集度有重要影响。但到目前为止，由于受测试技术的限制，人们还没有找到判断弹丸出炮口时刻底盘是否运动的方法，底盘没有运动观点将会误导火炮研制方法，有时候可能会使火炮射击密集度关键技术攻关走错方向。因此，迫切需要大口径火炮不同部件振动响应时间测试方法，为火炮研制和密集度攻关指明正确方向。

发明内容

为了验证底盘没有运动观点是否正确，本发明提出一种火炮不同部件振动响应时间测试方法。本发明方法用位移和加速度等两种振动响应传感器并分为两步实施。第一步，振动响应信号获取。用激光位移传感器和加速度传感器测试火炮不同部件振动位移和振动加速度，用高速摄影同步测试弹丸出炮口时刻的时间；第二步，时间判断。根据振动位移和加速度测试结果，以高速摄影测试时间为基准，判断火炮不同部件振动位移和振动加速度响应信号相对于高速摄影时间出现的顺序，以给出火炮底盘在弹丸出炮口时刻是否已开始运动。全部传感器要选择同工作原理和同型号，以消除测试系统带来的误差。

进行第一步振动响应信号获取时，振动响应部件选为火炮后坐部分、回转部分和底盘。测试振动响应前，首先固定传感器。火炮后坐部分后坐位移测试时，将激光位移传感器的探头固定在摇架上表面，在炮尾上表面固定一个反射板。火炮射击，炮尾相对于摇架发生后坐与复进运动。弹丸膛内运动期间，炮尾上的反射板相对于探头发生相对位移，该位移就代表了后坐部分后坐位移，后坐位移曲线起始变化点出现的时刻就代表后坐部分运动开始时刻。

回转部分位移测试时，将激光位移传感器的探头固定在回转部分上，在底盘上表面固定一个反射板。弹丸膛内运动期间，回转部分上的探头相对于底盘上表面的反射板发生相对位移，该位移就代表了回转部分相对于底盘的转动位移，转动位移曲线起始变化点出现的时刻就代表回转部分运动开始时刻。

底盘位移测试时，选择底盘上具有相对运动趋势的两个分部件作为测试对象，将激光位移传感器的探头固定在一个分部件上，在另一个分部件上固定一个反射板，或利用该部件上的固有平面作为反射板。弹丸膛内运动期间，底盘上两个分部件之间会发生相对位移，该位移就代表了底盘的运动状况，位移曲线起始变化点出现的时刻就代表底盘运动开始时刻。

在摇架、回转部分和底盘上合适位置固定一个加速度传感器，以此记录这些部件在弹丸膛内运动期间的加速度振动响应量，加速度曲线起始变化点出现的时刻就代表这些部件加速度响应开始时刻。

在火炮侧面的地面上布置一台高速数字摄影机，镜头对准炮口，以此记录弹丸出炮口时刻。用同一台数据采集模块同时记录全部位移信号、加速度信号和高速数字摄影机得到的弹丸出炮口时刻时间曲线。也可以用光电时间传感器记录弹丸出炮口时间。

进行第二步时间判断时，将上述得到的全部位移曲线、加速度曲线和高速摄影时间曲线展开在同一屏幕上，所有测试曲线具有相同时间坐标系，以便相互比较。首先，回放高速摄影图像，找出弹丸出炮口时间。然后，以高速摄影得到的时间曲线为基准，在高速摄影时间曲线上得出弹丸出炮口时刻，以及得出全部位移曲线和加速度曲线开始变化的起始时刻。如果该起始时刻发生在弹丸出炮口时刻之前，则表示弹丸出炮口前，相应部件已经运动或有振动响应；反之，如果该起始时刻发生在弹丸出炮口时刻之后，则表示弹丸出炮口前，相应部件没有运动或没有振动响应。

射击工况火炮结构振动响应时间测试方法具有显著优点。它找到了一种测试同一门火炮不同部件在射击工况下振动响应起始时间顺序方法，可以给出其振动响应起始时间顺序，为弹丸出炮口时刻火炮不同部件是否已发生运动提供可靠试验测试依据，尤其对于弹丸出炮口时刻判断火炮底盘是否已发生运动将提供准确测试数据。它将澄清多年来人们固有的弹丸出炮口时刻大口径火炮底盘不发生运动的不正确观点，为火炮射击密集度误差源分析指明正确方向，它对射击密集度故障诊断、射击密集度关键技术攻关修改措施减少盲目性具有划时代意义。

附图说明

图1是射击工况火炮结构振动响应时间测试方法示意图；

图2是火炮后坐部分后坐位移测试示意图；

图3是回转部分位移测试示意图；

图4是底盘位移测试示意图；

图5是测试系统原理框图；

图6是位移时间历程测试曲线示意图；

图7是加速度时间历程测试曲线示意图。

具体实施方式

以车载式大口径自行火炮为例说明本发明实施例具体方法。本发明方法分为两步，第一步，振动响应信号获取。用激光位移传感器和加速度传感器测试火炮不同部件振动位移和振动加速度，用高速摄影同步测试弹丸出炮口时刻的时间，也可以采用其它原理位移传感器代替激光位移传感器；第二步，时间判断。根据振动位移和加速度测试结果，以高速摄影测试时间为基准，判断火炮不同部件振动位移和振动加速度响应信号相对于高速摄影时间出现的顺序，以给出火炮底盘在弹丸出炮口时刻是否已开始运动。全部传感器要选择同工作原理和同型号，以消除测试系统带来的误差。

如图1所示，车载式大口径自行火炮主要分为三大部件，即起落部分、回转部分和底盘部分。炮口2，身管3，以及图2中的炮尾16和摇架17等构成火炮起落部分，其中，炮口2，身管3，炮尾16等又称为火炮后坐部分，火炮射击时，它相对于摇架17发生后坐与复进直线运动，在弹丸出炮口时刻，火炮后坐部分已沿摇架17导轨后坐一定距离。起落部分，上架14，及其图3示出的上架侧板18等构成火炮回转部分，其中，上架14能相对于车体15绕回转中心轴(即铅垂轴)发生相对转动，弹丸膛内运动期间，上架14相对于车体15有相对运动的趋势。上架侧板18是上架14的组成部分，它们之间固连。驻锄9和车体15等构成底盘，驻锄9中包括液压机构，它包括图4所示的液压缸19及其活塞20，弹丸膛内运动期间，液压缸19相对于活塞20有相对运动的趋势。图2、图3和图4中的虚线表示激光光路。

进行第一步振动响应信号获取时，振动响应部件选为火炮后坐部分、回转部分和底盘。测试振动响应前，首先固定传感器。如图2所示，火炮后坐部分后坐位移测试时，将激光位移传感器的探头5固定在摇架17上表面，在炮尾16上表面固定一个反射板7。火炮射击，炮尾16相对于摇架17发生后坐与复进运动。弹丸膛内运动期间，炮尾16上的反射板7相对于探头5发生相对位移，该位移就代表了后坐部分后坐位移，后坐位移曲线起始变化点出现的时刻就代表后坐部分运动开始时刻。

如图3所示，回转部分位移测试时，将激光位移传感器的探头13固定在回转部分上，也就是固定在上架侧板18上，在底盘上表面，也就是在车体15上表面固定一个反射板12。弹丸膛内运动期间，回转部分上的探头13相对于底盘上表面的反射板12发生相对位移，该位移就代表了回转部分相对于底盘的转动位移，转动位移曲线起始变化点出现的时刻就代表回转部分运动开始时刻。

底盘位移测试时，选择底盘上具有相对运动的两个分部件作为测试对象，即选择驻锄机构中的液压缸19和液压活塞20，将激光位移传感器的探头10固定在液压活塞20上，在液压缸19上固定一个反射板11，或利用液压缸19端面作为反射板。弹丸膛内运动期间，驻锄中液压缸19和液压活塞20之间会发生相对位移，该位移就代表了底盘的运动状况，位移曲线起始变化点出现的时刻就代表底盘运动开始时刻。

在摇架17上合适位置固定一个加速度传感器4，在回转部分合适位置固定一个加速度传感器6，在底盘上合适位置固定一个加速度传感器8，以此记录这些部件在弹丸膛内运动期间的加速度振动响应量，加速度曲线起始变化点出现的时刻就代表这些部件加速度响应开始时刻。

在火炮侧面的地面上布置一台高速数字摄影机1，镜头对准炮口2，以此记录弹丸出炮口时刻。用同一台数据采集模块同时记录全部位移信号、加速度信号和高速数字摄影机得到的弹丸出炮口时刻时间曲线。也可以用光电时间传感器记录弹丸出炮口时间。

进行第二步时间判断时，将上述得到的全部位移曲线、加速度曲线和高速摄影时间曲线展开在同一屏幕上。首先，回放高速摄影图像，找出弹丸出炮口时间。然后，以高速摄影得到的时间曲线x₀为基准，在高速摄影时间曲线上得出弹丸出炮口时刻t₀，以及得出全部位移曲线和加速度曲线开始变化的起始时刻。正如图5、图6和图7所示，火炮射击，同时得到后坐位移x₁、回转位移x₂、底盘位移x₃、摇架加速度a₁、上架加速度a₂、底盘加速度a₃、弹丸出炮口时间x₀等时间响应曲线，将上述全部曲线记录在同一数据采集模块中，使这些时间响应曲线展开在相同时间坐标系下，以便相互对比。得出每一条测试曲线幅值起始变化时刻所对应的时间，也就是，t₃是底盘位移x₃的起始变化时刻，而t₁，t₂，t₄，t₅，t₆与t₃类似，在图6中，如果该起始时刻发生在弹丸出炮口时刻之前，则表示弹丸出炮口前，相应部件已经运动或有振动响应；例如，t₃＜t₀，表示底盘位移x₃的起始变化时刻发生在弹丸出炮口时刻之前，弹丸出炮口前，底盘已经运动；反之，如果该起始时刻发生在弹丸出炮口时刻之后，则表示弹丸出炮口前，相应部件没有运动或没有振动响应。图6和图7中，表示时间坐标轴，和分别表示位移坐标轴和加速度坐标轴。