战斗部破片速度光幕靶测量方法研究

针对战斗部常规生产检验,提出了采用多个光幕靶、数据采集仪和位置标识器进行测速的方法。光幕靶探测破片穿过的时刻,数据采集仪记录波形并提取破片穿过光幕靶的时间,位置标识器可以识别破片飞行的方向角度,从而计算破片实际飞行的靶距。介绍了测速系统的组成,光幕靶设计以及测速系统的冲击与破片杀伤防护措施。采用战斗部静爆试验验证了所提方法,结果表明所提方法准确有效。给出了破片穿过光幕的瞬态波形。     

一维光幕测试旋转对称破片的动能

针对飞行破片动能测试,提出了一种采用光幕测试飞行破片动能的方法。该方法采用两台光幕靶测试飞过光幕的破片的速度,通过破片穿过光幕输出的波形提取体积信息,得到破片的穿靶质量,进而得到破片的动能。文中分析了光幕输出波形与破片体积关系的理论模型,采用3种典型的旋转对称形状物体仿真验证了理论模型,并研究了一种标定方法。实弹射击试验表明,所提方法可以测量旋转对称破片或弹丸的动能,测量精度满足靶场测试的要求。     

双缝光幕靶设计

针对动力源火工品速度测试，设计了一种双缝光幕靶，实现对低速运动的火工品零件测速。与常规的单缝光幕靶不同，文中设计的双缝光幕靶将2个发射和接收装置融进一个单体结构，形成2个光幕。2台双缝光幕靶安装在同一个带有滑轨的固定架上，靶距可以任意调节。设计的双缝光幕靶可以替代传统的铜片测速方法，有效地提高了测量精度和实现了测量自动化。经过实弹射击和火工品试验验证，设计的双缝光幕靶测试系统可靠，测试数据准确。     

一种抗光干扰光幕靶的设计与改进

提出一种抗光干扰光幕靶的设计方法。当光幕靶工作于近炮口距离时,炮口火光会影响光幕靶产生误触发信号,从而影响测试系统的准确度。设计利用了光电器件阵列对火光同时反映的特点,设计光电补偿部件及前置放大减法器,将火光引起的变化的光电流信号抵消掉。分析了设计原理,并用实弹射击的方法验证了电路设计的正确性。     

基于天幕靶的六光幕立靶测量原理

 为了能够同时测量弹丸在斜入射时的速度和着靶坐标,基于天幕靶的六光幕交汇立靶测量原理,利用6套天幕靶在空中形成6个探测光幕,当弹丸以一定的角度入射并依次穿过6个光幕时,由信号采集与处理系统测得弹丸穿过各个光幕的时间间隔,再根据各时间间隔值和系统结构参数,便可以求出弹丸的速度、弹道俯仰角、弹道方位角。给出了测量原理及公式,并对测量误差进行了分析,结果表明,该方法具有精度高且易于工程化的优点。     

基于爆炸火光光谱分析的大当量爆炸场破片速度测试方法研究

为了解决战斗部爆炸过程中,因爆炸物当量较大造成爆燃火球持续时间长,覆盖面积大,近场位置破片速度参数难于获取的问题,提出一种以激光光幕为有效传感区域的光电收发一体的测试方法。通过分析三种不同类型战斗部爆炸火光特征光谱分布可知,在0.3~1.0 μm波段内火光相对光强度较低。以此为依据,采用定距测时原理和原向反射技术,由固体激光器、菲涅尔透镜、窄带滤光器、高速光电传感器等关键光学元件构建破片速度参数获取的光学系统。系统光路收发一体,结构紧凑,窄带滤光片与激光光源配合使用避开火光光谱,有效抑制背景光的干扰。采用该系统进行了不同型号、当量的战斗部静爆破片速度参数测试现场实验,通过美国NI数据采集系统记录数据并对信号进行去噪和识别,成功获取了较高信噪比的波形信号。实验结果表明：本方案可完成爆心10~15 m附近破片速度的准确测试,最小可测破片尺寸为4 mm,获取破片速度可达1 200 m·s-1,与靶板测试结果对比可知捕获率优于95%。由于采用菲涅尔透镜形成矩形光幕,光幕上下的光强分布一致,水平方向光强均匀度达到80%以上,因此系统还可初步区分预制破片速度与尺寸的对应关系。     

一种大面积抗干扰高射频激光光幕靶设计

提出了一种能同时测量高射频火炮射击速度和密集度的大面积激光光幕靶设计方案。采用半导体激光脉冲调制、光电传感器列阵接收和单片机数字处理技术,不仅实现了光靶与计时系统一体化,而且有效地去除诸如炮口闪光、外界自然光及蚊虫等干扰,提高了测量的灵敏度、精度和可靠性。     

基于改进型六幕光幕靶的弹道测量技术研究

现有的六幕光幕靶测量系统实现了近距离弹丸速度、姿态以及着靶坐标的测量,而在实际工程应用中需要计算的是弹丸整个飞行过程中的速度、姿态以及远距离的落点坐标。针对现有系统工程部署中的不足,提出了双交叉结构的六幕光幕靶的设计原理。利用双交叉结构的六幕光幕靶的测量结果以及外弹道计算原理,通过四阶龙格-库塔方程建立了弹道测量模型,实现了弹丸飞行全过程的弹道测量和计算。通过使用弹道系数1.0的标准弹丸进行仿真实验和分析,计算出其射程和射高分别可以达到16 269m和3 672m,证明了其与实际的弹丸运动曲线相吻合,能够实际应用于工程部署。     

用于光幕测试的时刻信息提取方法研究

从理论上分析了弹尖、弹底、幕中、弹中触发方式和广义相关算法这五种时刻信息提取方法,建立了弹丸穿过光幕的几何计算模型。结合工程实现中的问题如光幕厚度、厚度的一致性、放大电路一致性以及电路噪声,分析比较了不同方法对这些参数的敏感性,采用理论模拟信号在MATLAB上进行了仿真。结果表明,采用幕中、弹中触发和广义相关算法,可以精确提取时刻信息,而不受这些参数的影响。从理论上阐述了光幕厚度与测试精度的关系,其结果可以指导光幕靶和天幕靶的工程设计。     

基于平面方程的六光幕精度靶工程化建模及精度分析

针对传统几何法在六光幕精度靶测量模型解算及精度分析中因取近似结构参数而引入误差的问题,提出了基于平面方程的精确解算及精度分析法.依据工程实际,构建了高通用性的六光幕精度靶工程化测量模型及误差传递模型,系统地仿真比较了两类六幕结构中靶距及靶距误差、斜幕角度及角度误差、光源和接收对准误差等多误差源对弹丸速度及着靶坐标测量结果的影响,获得了一系列探测靶面内的测量误差分布数据,并结合实际给出了一个可满足坐标测量误差小于3 mm,相对测速误差小于0.3%指标的工程设计实例.研究结果可为六光幕精度靶的工程化设计与精度评估提供可靠的理论基础及数据参考.     

原向反射式大面积三角形探测光幕灵敏度分布

分体式大靶面测试系统的探测光幕灵敏度直接影响飞行弹丸速度测量的精度。可在散布不大的情况下,使用反射膜与激光器代替矩形大面积测试系统中的人工光源,简化测试系统。对新建的三角形探测光幕的灵敏度进行了分析,综合考虑激光器在不同传播距离处的光强度衰减、空间的非均匀性分布及反射膜逆反射系数和镜头离轴效应等因素,采用数值仿真和实弹试验的方法,将同一弹径的弹丸穿过光幕不同位置时的灵敏度等效到同一基准点进行归一化分析。结果显示,镜头离轴效应对灵敏度影响最大,激光器空间非均匀性分布影响最小。在3.5 m×2 m(宽×高)的直角三角形探测光幕区域进行实弹试验,其结果与仿真结果一致,距镜头越近,灵敏度越高;反之越低。研究结果可为类似原向反射式大面积探测光幕的工程设计提供参考。     

红外光幕靶测速系统和精度分析

介绍了弹丸初速度测量的不同方法;讨论了红外光幕靶的测速原理;分析了该系统的测速误差;由实弹射击试验证明:红外光幕靶测速系统达到小于 0.1%的测速精度.     

弹丸激波在激光光幕靶测量中的影响分析

分析了弹丸在飞越激光光幕靶时弹丸激波对激光传播的影响。针对难于实际测量由激波形成的空气折射率分布问题,应用弹丸超音速绕流场的数值计算结果和折射定律,借助SolidWorks软件分析了激波内折射率为常数的情况下光线穿过激波时的折射和出射轨迹,并用模拟实验验证了其正确性。讨论了激波对激光光幕靶测量的影响,为光幕靶的设计与应用提供了依据。     

测速光幕靶用数字信号处理算法

针对光幕靶在使用中易受到蚊虫、冲击波和光电器件随机噪声干扰因而可靠性差的技术难题,提出一种测速光幕靶用数字信号处理算法。利用数据采集仪采集光幕靶输出的弹丸过靶信号,通过莱达因准则剔除偶发性干扰数据。通过阈值比较法判断出弹丸信号的时间范围后,利用4次高斯公式对一定时间范围内的采样数据进行曲线拟合,并准确计算出半峰值触发时刻点,实现低采样率下的高精度测量。研究的信号处理算法利用计算机进行仿真验证,其原理正确,计算效率高。配合XGK-2002型光幕靶进行实弹射击试验,测试数据表明:该算法可准确计算出各类弹丸信号的过幕时刻,极大地提高了光幕靶的稳定性和适用范围,测量相对误差不大于0.1%。研究的算法同样适用于一类动态特征信号的提取与计算。     

激光反射式光幕探测技术研究

针对现有天幕靶探测灵敏度低、易受天空亮度影响、夜间不能工作等问题,提出了一种基于激光反射的主动式光幕探测方案,该方案采用一字线结构光半导体激光器作为主动光源,采用光学镜头、狭缝光阑、滤光片和光电倍增管组成光路探测系统。当飞行弹丸穿越一字线结构光半导体激光器和光路探测系统共同组成的探测光幕时,弹体表面反射回的部分光线被光路探测系统接收,经光电探测器件光电转换,并经后续信号处理电路对光电探测器件产生的电信号进行处理,输出与飞行弹丸穿越探测光幕面时刻相对应的模拟信号和脉冲信号。对系统光能量进行分析和计算,并通过实弹试验测试,结果表明:系统能够在夜间正常使用,灵敏度达到200倍以上弹径。     

弹体材料性能对破片形成的影响

为了获得弹体材料性能对破片形成的影响规律,应用破片战斗部设计软件,数值计算了82钢、50SiMnVB钢、40CrMnSiB钢及30CrMnSiNi2A钢等4种材料形成破片的情况,得到了4种材料形成的破片的飞散角、初速及质量分布的变化规律,并进行了破片质量分布的实验研究。结果表明,不同合金钢材料对形成的破片飞散角与初速的影响不大,且沿弹体轴向方向的变化规律相同,其中破片飞散角沿弹轴方向先减小后增大,破片的最大初速出现在距起爆点约72.5%圆筒长度处;但是对破片质量分布情况的影响较大,随着材料极限抗拉强度的增加和断裂韧性的降低,弹体破碎程度升高,总破片数增加了39.3%。     

柱状装药预制破片缩比战斗部爆炸冲击波和破片的作用时序

针对柱状装药的周向预制破片战斗部,结合无量纲分析方法和爆炸驱动理论,确定了影响破片和冲击波相遇位置的关键参数,给出了由缩比战斗部推广预测原型战斗部爆炸产生的破片冲击波作用时序的方法。采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件进行数值模拟,对比验证了理论分析和数值试验结果,分析了战斗部缩比比例对冲击波和破片作用时序的影响。结果表明:缩比模型与原型战斗部爆炸产生的破片和冲击波的相遇位置之比和相遇时间之比主要取决于两模型的质量比,在不考虑破片速度衰减时,两模型中载荷相遇位置之比和相遇时间之比等于其质量比的0.33次方。受破片速度衰减影响,该方法仅适用于质量缩比不小于0.2的模型。     

椭圆截面战斗部爆炸驱动破片作用过程的数值模拟

为研究爆轰驱动下椭圆截面自然破片杀伤战斗部壳体的膨胀破裂过程以及壳体破片径向速度分布,建立了椭圆截面战斗部三维模型。通过AUTODYN-3D软件,采用Lagrange算法模拟爆轰驱动下椭圆截面自然破片战斗部壳体的膨胀断裂过程,研究了端面单点中心起爆方式下短长轴断裂时间差与短长轴比的关系,以及不同起爆点、不同短长轴比和不同装填比(即装药与壳体质量之比)对椭圆截面战斗部径向破片速度分布的影响。结果表明:与端面中心单点起爆、端面长轴双点偏心起爆和端面短长轴四点偏心起爆相比,端面短轴双点偏心起爆方式对椭圆截面战斗部壳体破片径向速度的增益效果最好。装填比一定时,短、长轴断裂时间以及短、长轴断裂时间差与短长轴比呈线性关系,战斗部壳体膨胀过程中截面形状的实时短长轴比与加载时间呈线性关系;随着短长轴比的增大,战斗部壳体破片径向速度增益逐渐减小。短长轴比一定,装填比小于1时,破片速度随方位角增大呈正弦趋势上升,且短、长轴方向破片速度差与装填比呈线性关系。     

用于毫米级弹丸速度测量的光电检测装置

 为了满足二级轻气炮毫米级弹丸的测速需求,研制了一套利用激光光幕测量毫米级弹丸飞行速度的测试系统。采用光阑限光、光谱滤光和低阻滤波等复合抗干扰技术,解决了从强背景光中捕获快速变化的弱光扰动信号的技术问题,获得了较高的信噪比。在二级轻气炮上进行了直径为4 mm的球形金属弹丸测速实验,结果表明该装置的测量结果与线圈测速法实时监测结果的不一致性小于2%,可以满足毫米级弹丸速度测量的要求。     

可变形定向破片战斗部在不同展开模式下的性能数值模拟

为使战斗部具有多种定向毁伤模式并实现一定程度上的可控毁伤,提出了一种扇形装药的可变形定向破片战斗部,该战斗部可实现轴向展开和侧向展开2种模式。采用AUTODYN软件进行破片场的数值模拟。首先,基于战斗部单元体分析获得了距离轴心25 mm处的最佳起爆点位置;其次,对整个战斗部进行分析,在轴向展开模式下分析了轴向展开角度对破片飞散速度、破片数目和破片空间分布的影响,发现轴向展开角在60°～75°范围内毁伤效果较佳;最后,在侧向展开模式下分析了整个战斗部的破片速度和破片空间分布情况,结果表明破片具有明显的定向飞散特性。