CN113701979B - 宽脉冲高g值加速度试验***和试验方法及应用 - Google Patents
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Abstract
宽脉冲高g值加速度试验***和试验方法及应用，属于冲击校准和试验技术领域，宽脉冲高g值加速度试验***包括宽脉冲高g值加速度脉冲发生器、全光纤干涉速度测量仪、弹体软回收装置，试验方法是由爆燃发射药快速燃烧产生的气体推动弹丸在短管炮内产生幅值20000~150000g、脉冲宽度1~5ms的激励加速度脉冲信号，为高g值加速度计的校准及弹载电子仪器的抗冲击性能研究提供试验装置和试验方法；该试验装置和方法技术性能先进，可应用于：高g值加速度计的溯源性校准、弹载电子仪器在高g值冲击环境下的存活性研究等。该试验装置的优点是能够准确获取弹丸在发射过程中的加速度，并实现了射弹在高速飞行条件下的微损伤回收。
Description
技术领域
本发明公开的宽脉冲高g值加速度试验***和方法，属冲击试验与校准技术领域，具体涉及的是一种宽脉冲高g值加速度试验***和试验方法以及该试验方法的应用。
背景技术
现代战争中，许多具有重要战略价值的军事目标都转移到地下，而且都采取了坚固的防护措施，所以侵彻或钻地等先进攻坚武器的作用越来越突出，成为各军事大国竞相研制的对象。对这类侵彻武器而言，通过智能引信对起爆时机进行选择是充分发挥武器的最大毁伤威力的关键。由于在侵彻过程中引信等关键部件要经历持续时间数毫秒、幅值数万g的高幅值加速度过载，而这个高过载可能会导致引信部件的失效，造成不可挽回的损失，因此迫切需要一套宽脉冲高g值的加速度模拟设备来考核各部件的工作状态和生存能力，尽早发现问题，并采取措施解决，从而提高部件的在恶劣环境下的可靠性。
典型的冲击加速度模拟试验装置主要有Hopkinson杆、马歇特锤、跌落试验台、气体炮等。Hopkinson杆作为高g值激励脉冲的发生装置已被广泛地应用，它以压缩空气作动力源，通过不同的气压产生不同的过载值，最高过载值可达200000g，过载值和结构性能的测试比较方便，操作过程简便易行，不足之处是脉冲持续时间短，100000g以上时脉宽仅有几十微秒。马歇特锤通过锤头撞击铁砧，产生冲击加速度，模拟弹丸在撞击目标时引信受到的过载环境力，此时加速度脉冲的幅值可达50000g，但脉冲宽度也只手几微秒。跌落试验台是将被测试件安装与试验台上，将台面提升到一定高度，使试件和试验台自由跌落在弹性或塑性的波形发生器上，它们受到一个近似半正弦的加速度脉冲，峰值加速度可达100000g，持续时间为十几微秒。气体炮是利用高压气体推动弹丸沿炮管加速运动，与安装有加速度计的模块发生碰撞，改变接触面的材料以产生不同的幅值和持续时间的信号，气体炮装置所产生的加速度脉冲幅值一般在50000~150000g之间，脉冲持续时间在几十到几百微秒。这些装置的特点是加速度脉冲幅值较大时，脉冲持续时间很难达到毫秒级，因此对于幅值超过100000g、脉宽达到毫秒级的加速度，目前还没有任何装置可以实现。
射弹在高速（>1000m/s）进入静水的时刻，弹体会瞬间碎裂。为了完整可靠的回收弹体，需要降低水的密度，即泡沫水。到目前为止，已有各种类型的软回收方法，其中最完善的是分段泡沫水回收方法，但其缺点是结构复杂、不同密度的泡沫水不易生产。
发明内容
本发明设计了一种宽脉冲高g值加速度试验***和方法，通过爆燃发射药快速燃烧产生的高压气体推动射弹，在短管炮内产生幅值20000~ 150000g、脉冲宽度1~5ms的激励加速度脉冲信号，为高g值加速度计的校准及弹载电子仪器的抗冲击性能研究提供试验装置和试验方法；该试验装置和方法技术性能先进，可应用于：高g值加速度计的溯源性校准、弹载电子仪器在高g值冲击环境下的存活性研究等。
为了解决现有的校准或实验***：无法产生宽脉冲激励，而窄脉冲又容易激起传感器的固有频率带来较大的校准误差；无法进行应用环境下的***级校准；无法对弹载电子仪器进行应用环境下的模拟实验，本发明提供一种宽脉冲高g值加速度试验***和方法。
本发明的技术方案包括宽脉冲高g值加速度试验***和方法以及该方法的应用。
一种宽脉冲高g值加速度模拟试验***，包括有：宽脉冲高g值加速度脉冲发生器、射弹加速度测量仪、弹体软回收装置，其特征在于所述的宽脉冲高g值加速度脉冲发生器是短管炮和模拟射弹；所述的射弹加速度测量仪是全光线速度干涉仪；所述的弹体软回收装置是多段式混合回收舱。
所述的短管炮内径为125mm或100mm，短管炮包括闭气加速段和排气加速段；闭气加速段管腔密闭，长度是10cm，排气加速段管壁开有泄压孔，长度是3m，预设排气孔的目的为了排出火药燃烧产生的高压气体，降低加速度脉冲下降沿的加速度幅值，减小射弹进入测试舱时的速度，降低回收难度；所述的模拟射弹，弹头呈120°锥角，并覆盖有高强度纤维材料，弹头顶部有平面，用于粘贴玻璃微珠原向反光片，内置弹载电子仪器（含被校加速度计），射弹总质量4~6kg。
所述射弹加速度测量仪，除全光纤速度干涉仪外，还包括其合作目标:位于加速度测量段轴线上的与轴线成45°角的反射镜、粘贴在射弹头部表面的反光片和超高速数据采集分析仪。反射镜通过支架安装在测速舱内，激光器（在全光纤速度干涉仪内）发出的光经反射镜后，偏转90°后入射到射弹头部的反光片，经反光片、反射镜后又回到干涉仪，与发射光产生干涉，由超高速数据采集分析仪采集干涉信号并解算出射弹的加速度。
所述弹体软回收装置，包括由气体阻尼、液气混合阻尼、液体阻尼、散体阻尼段和固体阻尼组成的多段式混合减速舱，其中气体阻尼为空气、液体阻尼为水、散体阻尼为细沙和锯末的混合物、固体阻尼为由橡胶和毛毡按层状结构组成的复合材料。所述的气体阻尼段、液气混合阻尼段、液体阻尼段设有进气阀或者进水阀；所述的散体阻尼段和固体阻尼段设有半圆管型舱盖，方便填装混合物和复合材料或取出射弹。
射弹在经过测速舱后，依次经过气体阻尼段、液气混合阻尼段、液体阻尼段、散体阻尼段，最后停留在固体阻尼段。多段式混合减速舱从左到右摩擦阻尼依次增大，保证射弹高速侵入时的阻力最小，低速时穿行是的阻尼变大，这样整个减速过程中弹载电子仪器受到的过载值不超过30000g，该过载由安装在射弹内部的弹载加速度测试仪全程记录。在气体阻尼段，通过改变气体阻尼段内气体的压力来改变气体的密度，进而改变射弹在该段的摩擦阻力；在液气混合阻尼段，可以通过调节空泡水的密度来改变射弹在该段的摩擦阻力，以适应不同发射速度的射弹的回收。
根据以上所述的宽脉冲高g值加速度模拟试验***，技术特点还有：
（1）宽脉冲高g值加速度模拟试验***由爆燃发射药（如***发射药）快速燃烧产生的高压气体推动射弹，产生幅值20000~150000g、脉冲宽度1~5ms的加速度信号，形成脉冲高g值加速度模拟试验***。
（2）对于质量4kg的射弹，可以产生150000g、1ms的最大幅值加速度脉冲，此时射弹的速度是1000m/s；对于质量6kg的射弹，可以产生20000g、5ms的最大脉宽加速度脉冲，此时射弹的速度是600m/s。
（3）该***可以产生分别是20000g、60000g、100000g、150000g的不同脉宽的激励加速度脉冲，以适应高g值加速度传感器的溯源性校准。
高g值冲击加速度模拟试验方法是采用宽脉冲高g值加速度模拟试验***，并通过改变短管炮内的发射药的种类和药量产生幅值20000~150000g、脉冲宽度1~5ms的激励加速度脉冲信号，并用全光线速度干涉仪及其合作目标反光片和反射镜、超高速数据采集分析仪来测量该加速度信号，形成一种宽脉冲高g值加速度模拟试验方法。
宽脉冲高g值加速度脉冲发生器、射弹加速度测量仪、弹体软回收装置，其特征在于所述的宽脉冲高g值加速度脉冲发生器是短管炮和模拟射弹；所述的射弹加速度测量仪是全光线速度干涉仪；所述的弹体软回收装置是多段式混合回收舱。
关于这种宽脉冲高g值加速度模拟试验方法的应用方法，技术特点在于：所述的宽脉冲高g值加速度模拟试验方法的应用方法是:
a.采用宽脉冲高g值加速度模拟试验***实现高g值加速度传感器宽脉冲下的溯源性校准；
b.采用宽脉冲高g值加速度模拟试验***实现弹载电子仪器（安装在射弹仪器舱内）高g值冲击环境下的存活性研究。
本发明具有以下优点：
1. 通过改变发射药的种类和药量，可以使本试验***产生不同幅值和不同脉宽的激励加速度脉冲；
2. 通过改变空泡水的密度，可以使本试验***能够回收气不同发射速度的射弹。
3.发明采用不同气压即不同密度的气体来代替低密度段的分段泡沫水，只需一只气压表即可监测气体压力，结构简单、操作方便。
附图说明
图1为宽脉冲高g值加速度模拟试验***的结构示意图；
图2为模拟射弹6的结构示意图；
图3为弹载加速度测试仪的结构示意图；
图中，1.击发机构，2.炮膛加固件，3.发射药，4.闭气加速段，5.弹载电子仪器，6.模拟射弹，7.原向反光片，8.干涉光路，9.泄压孔，10.排气加速段，11.超高速数据采集分析仪，12. 测速舱，13.反射镜，14.全光纤速度干涉仪，15.反射镜支架，16.进气阀A，17.气体阻尼段，18.进气阀B，19.进水阀B，20.液气混合阻尼段，21.进水阀A，22.液体阻尼段，23.散体阻尼段，24. 固体阻尼段，25.弹簧缓冲器，26.尾螺盖，27.射弹弹体，28.射弹仪器舱，29.射弹弹头，30.壳体，31.存储记录电路，32.缓冲构件，33.高g值加速度计。
具体实施方式
本发明的非限定实施例如下：
实施例：宽脉冲高g值加速度试验***和方法及试验方法的应用
该实施例为三部分，其一是宽脉冲高g值加速度试验***；其二是宽脉冲高g值加速度模拟试验方法；其三是宽脉冲高g值加速度试验方法的应用方法。
1. 宽脉冲高g值加速度模拟试验***
图1示出，宽脉冲高g值加速度试验***，包括有：高g值加速度脉冲发生器、射弹加速度测量仪、弹体软回收装置。
高g值加速度脉冲发生器由短管炮内爆燃发射药快速燃烧产生的高压气体推动射弹，产生幅值20000~150000g、脉冲宽度1~5ms的加速度信号，形成宽脉冲高g值加速度模拟试验***，并可实现弹体的微损伤回收。
该例采用的短管炮内径为125mm，短管炮由闭气加速段4和排气加速段10构成；闭气加速段4管腔密闭，长度10cm；排气加速段10长度3m，排气加速段10管壁开有泄压孔9，用以排出火药燃烧产生的高压气体，降低加速度脉冲下降沿的加速度幅值，减小模拟射弹6进入加速度测试舱12时的速度。
闭气加速段4内部设有发射药3、模拟射弹6，模拟射弹6内部装有弹载电子仪器5，模拟射弹6头部粘贴原向反光片7。
排气加速段10前面设置加速度测试舱12。测速舱12的管腔内设置反射镜13，反射镜13通过通支架15安装在测速舱12的轴线上，且与轴线成45°角。
该例采用的射弹加速度测量仪，包含全光纤速度干涉仪14、超高速数据采集分析仪11、位于加速度测试舱轴线上的与轴线成45°角的反射镜13、粘贴在射弹头部表面的原向反光片7、超高速数据采集分析仪11。
图2所示，该例采用的模拟射弹6，弹头29呈120°锥角，并覆盖有高强度纤维材料，弹头顶部有平面，用于粘贴玻璃微珠原向反光片7，射弹6的仪器舱内装有弹载电子仪器5，内置被校准的高g值加速度计33，射弹总质量4~6 kg。
图3所示，弹载电子仪器5包括弹载加速度测试仪、侵彻弹引信、各类弹上的惯导组合。
本发明对传感器进行校准时，只利用弹载加速度测试仪，用于提供比对信号。
所述弹载加速度测试仪包括测试仪壳体30、存储记录单元31、缓冲构件32、高g值加速度计33。弹载加速度测试仪内腔设置存储记录单元31、缓冲构件32、高g值加速度计33。
所述的存储记录单元31包括模拟适配电路、模数转换电路、存储电路和逻辑控制电路，高g值加速度计33的信号到模拟适配电路再到模数转换电路，数字化后存到存储电路，整个***的工作时序是由逻辑控制电路协调的。
该例采用的缓冲构件32是中国专利号202010078769.0中公开的高g值加速度缓冲装置。
射弹加速度测量仪位于射弹外面，利用的激光干涉原理；弹载加速度测试仪装在射弹内部。
射弹加速度测量仪的测量结果与弹载加速度测试仪的测量结果进行比较，形成校准。
设置在全光纤速度干涉仪14内的激光器发出的光经反射镜后，偏转90°后入射到射弹头部的原向反光片7，经反光片7、反射镜13后又回到干涉仪，与发射光产生干涉，由超高速数据采集分析仪11采集干涉信号。
该例采用的弹体软回收装置，包括由气体阻尼17、液气混合阻尼20、液体阻尼22、散体阻尼23和固体阻尼24组成的多段式混合减速舱；进气阀A 16用来调节气体阻尼缓冲段内气体的压力，进气阀B 18和进水阀B 19用来调节液气混合阻尼缓冲段内空泡水的密度，进水阀A 21用来给液体阻尼缓冲段22充水。
2. 宽脉冲高g值加速度模拟试验方法
该例的宽脉冲高g值加速度模拟试验方法的具体方案由图1、图2和图3联合示出。图1示出的是宽脉冲高g值加速度模拟试验方法实施所用的宽脉冲高g值加速度试验***的具体结构，图2和图3分别示出的是宽脉冲高g值加速度模拟试验方法实施所用的模拟射弹和弹载加速度测试仪的具体结构。
这种宽脉冲高g值加速度模拟试验方法如下：采用宽脉冲高g值加速度模拟试验***并通过操作该***的短管炮，改变其发射药3的种类和药量产生幅值20000~150000g、脉冲宽度1~5ms的加速度信号，并用全光线速度干涉仪14及其合作目标原向反光片7和反射镜13、超高速数据采集分析仪11来测量该加速度脉冲信号，形成一种宽脉冲高g值加速度模拟试验方法。
该例的宽脉冲高g值加速度模拟试验试验方法所采用的模拟试验***包括有射弹加速度测量仪，通过全光纤速度干涉仪14来测量模拟射弹6获得的速度，微分该速度信号可以得到射弹的加速度信号。通过改变短管炮内的发射药的种类和药量，对于质量为4~6kg的模拟射弹可获得幅值为150000g、脉冲宽度为1ms或幅值为20000g，脉冲宽度为5ms的激励加速度信号。发射药3如采用***发射药，所产生的加速度脉冲幅值可达150000g、脉冲宽度大于1ms。
3. 宽脉冲高g值加速度模拟试验方法的应用方法
该例的宽脉冲高g值加速度模拟试验方法的应用方法具体由图1、图2和图3联合示出。图1示出的是宽脉冲高g值加速度模拟试验方法实施所用的宽脉冲高g值加速度试验***的具体结构，图2和图3分别示出的是宽脉冲高g值加速度模拟试验方法实施所用的模拟射弹和弹载加速度测试仪的具体结构。
该例的这种应用方法具体如下：
（1）采用宽脉冲高g值加速度模拟试验***实现高g值加速度计宽脉冲下的溯源性校准: 在模拟射弹6头部粘贴原向反光片7，采用全光线速度干涉仪11并借助安装在加速度测量舱的反光镜13，测量射弹6在发射过程的加速度信号，同时采用弹载电子仪器5的弹载加速度测试仪记录安装在射弹仪器舱28内的被校加速度计33的输出信号，比较这两个加速度信号，实现对高g值加速度计33宽脉冲下的溯源性校准。
该例所述的高g值加速度计33的量程分别为20000g、60000g、100000g，包含了目前国内外大部分的高g值加速度传感器。
（2）采用宽脉冲高g值加速度模拟试验***实现弹载电子仪器高g值冲击环境下的可靠性研究: 将安装有被考核的弹载电子仪器5的射弹加速到预先设定的幅值和脉宽的加速度，采用全光线速度干涉仪11记录该加速度信号，通过弹体软回收装置回收射弹6，取出该弹载电子仪器并检查器功能是否正常，从而确定该电子仪器在预设加速度条件下的可靠性。
该例所述的弹载电子仪器主要是硬目标侵彻引信，特别是侵彻航母或坦克装甲的引信，可加载的高g值环境最高可达150000g，可基本满足侵彻引信应用环境下的考核要求。
Claims (2)
1.一种宽脉冲高g值加速度模拟试验***，包括：宽脉冲高g值加速度脉冲发生器、射弹加速度测量仪、弹体软回收装置，所述的宽脉冲高g值加速度脉冲发生器包括短管炮和模拟射弹,通过短管炮内的爆燃发射药快速燃烧产生高压气体推动弹体，产生幅值20000~150000g、脉冲宽度1~5ms的激励加速度信号；所述短管炮包括闭气加速段和排气加速段；闭气加速段管腔密闭，排气加速段管壁开有泄压孔；所述模拟射弹内置弹载电子仪器，模拟射弹的弹头呈120°锥角，弹头顶部有平面，该平面用于粘贴玻璃微珠原向反光片；所述的射弹加速度测量仪包括全光线速度干涉仪，位于加速度测量段轴线上且与轴线成45°角的反射镜、粘贴在射弹头部表面的反光片；在射弹头部粘贴原向反光片，采用全光线速度干涉仪并借助安装在加速度测量舱的反光镜，测量射弹在发射过程的加速度信号，同时采用弹载电子仪器记录安装在弹体内部的被校加速度计的输出信号，比较这两个加速度信号，实现对高g值加速度计宽脉冲下的溯源性校准；所述的弹体软回收装置是多段式混合回收舱；多段式混合回收舱依次由气体阻尼段、液气混合阻尼段、液体阻尼段、散体阻尼段和固体阻尼段组成，射弹在经过测速舱后，依次经过气体阻尼段、液气混合阻尼段、液体阻尼段、散体阻尼段，最后停留在固体阻尼段，多段式混合回收舱从左到右摩擦阻尼依次增大，保证射弹高速侵入时的阻力最小，低速穿行时的阻尼变大，这样整个减速过程中弹载电子仪器受到的过载值不超过30000g，该过载由安装在射弹内部的射弹加速度测试仪全程记录，在气体阻尼段，通过改变气体阻尼段内气体的压力来改变气体的密度，进而改变射弹在该段的摩擦阻力；在液气混合阻尼段，通过调节空泡水的密度来改变射弹在该段的摩擦阻力，以适应不同发射速度的射弹的回收。
2.根据权利要求1所述的一种宽脉冲高g值加速度模拟试验***，其特征在于：应用于弹载电子仪器高g值冲击环境下的可靠性研究：即将安装有被校准的弹载电子仪器的射弹加速到预先设定的幅值和脉宽的加速度，采用全光线速度干涉仪记录该加速度信号，通过弹体软回收装置回收射弹，取出该弹载电子仪器并检查其功能是否正常，从而确定该弹载电子仪器在预设加速度条件下的可靠性。
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