电磁炮膛内瞬时速度测试系统研究

电磁炮膛内瞬时速度测试系统研究

王伟伟 蒋劲松

贵州航天计量测试技术研究所 550009

摘要：提出一种基于光电探测技术的电磁炮膛内瞬时速度测试系统，能够对低速、中速、高速、超高速弹丸膛内瞬时速度进行测试。该测试系统由激光光源和探测器组成，结构简单、便于安装，设计工装时充分考虑到火光造成的干扰，在光纤接收管前段加装650nm滤波片，有效隔绝了弹丸发射时膛内火光造成的干扰。经过初步测试，此种方法准确有效，为后续研究奠定了良好的基础。

关键词：电磁炮；光电探测；滤波片；弹丸

中图分类号：

1 引言

电磁炮弹丸膛内瞬时速度是电磁炮设计定型阶段的重要指标，它反映了该型号电磁炮作战性能的优劣，对于其设计研发具有非常重要的指导意义^【1】。但电磁炮属于高速武器，在进行弹丸发射时其轨道内产生瞬时高温、高压、火光等^【2】。传统的速度测试方法主要为多普勒雷达法、高速摄影法、激光阵列法等，此类测试方法存在空间及视野限制^【3】，无法对膛内弹丸的初速度进行测试。本文设计了一套能够对电磁炮膛内弹丸初速度进行测试的系统，通过在电磁轨道炮两侧对应位置开孔，并分别插入激光发射管与光纤接收管，形成激光光幕。为测得初速度，需在固定距离的两点设置两道激光光幕，以对弹丸通过此段距离所用时间进行精确记录。

2 测试系统总体构成

电磁炮膛内瞬时速度测试系统，主要由起始靶、截止靶、数据采集仪、上位机构成。起始靶是由搭建于电磁炮膛上的氦氖激光源^【4】、光纤接收装置、光电转换装置组成的。弹丸通过其所形成的光幕时，光纤接收装置接收到的光信号减弱，记录起始时刻，截止靶是搭建于电磁炮膛上的氦氖激光源、光纤接收装置、光电转换装置组成的，弹丸通过其所形成的光幕时，光纤接收装置接收到的光信号减弱，记录截止时刻。数据采集仪包含信号调理电路、波形记录、瞬时速度计算。上位机用于将测得的瞬时速度直观显示，并包含相应的上位机软件用于设置采样频率、滤波形式、仿真分析等功能。具体构成如图1所示。

图1 测试系统总体框图

2.1 起始靶、截止靶

起始靶和截止靶均是由搭建于电磁炮膛上的氦氖激光源、光纤接收装置、光电转换装置组成的。当高速运动的弹丸通过起始靶时，光纤接收管中的光电探测器由于接收到的激光信号减弱，产生一个负向脉冲，系统记录为时刻1。当高速运动的弹丸通过截止靶时，光纤接收管中的光电探测器由于接收到的激光信号减弱，产生一个负向脉冲，系统记录为时刻2。起始靶与截止靶具体组成示意图均如图2所示。

1、滑轨 ，2、滑块， 3、T型固定台， 4、光纤基座，5、光纤接收管， 6、透镜固定件， 7、滤光片固定件， 8、激光发射管，9、激光器基座

图2 起始靶示意图

2.2 机械运动部件

机械运动部件由滑轨、滑块、T型固定台组成。实际安装时，首先将滑轨放置于电磁炮发射管上表面（滑轨长度大于炮管宽度）， 在滑轨左右两端同时套入滑块。将光纤基座、激光发射管等固定好后安装于T型台上，与滑块固定。滑动滑块至合适位置，使光纤接收管与激光发射管插入预定孔洞即可完成机械运动部件安装工作。

2.3光纤接收模块

光纤接收模块由光纤基座、光纤接收管、透镜固定件、滤光片固定件组成。将单模光纤从光纤接收管尾部穿入，使光纤头接收端面与光纤接收管内凹槽位置（透镜焦点）平齐。再依次安装透镜与滤光片，使得激光器的入射光能够稳定的汇聚在激光接收管内的焦点位置。滤光片的作用是将弹丸发射时炮管内产生的火光滤除，进一步提高测试精度。

图3 光纤接收管组成部分示意图

2.4激光发射模块

激光发射模块由激光器基座、激光发射管组成。本文选用波长为632.8nm的氦氖激光器作为光源，稳固安装于激光器基座内，激光器发出的光通过激光发射管射出，由光纤接收模块接收。

2.5 数据采集模块

数据采集模块由光电探测子模块、信号调理电路、数据采集器等组成。光电探测模块将接收到的光信号转变为电信号。信号调理电路经过滤波、整形、放大、A/D转换等形成可用的触发信号，由此记录到弹丸通过起始靶的起始时刻1与通过截止靶的截止时刻2。由于起始靶与截止靶初始位置已经标定，便可计算出弹丸在膛内的瞬时速度。

2.6 人机交互模块

人机交互模块主要用于设定起始靶与截止靶的初始位置，显示弹丸在膛内的瞬时速度等。

3. 试验验证

本次试验选用某款进口光电探测器，经前期试验测得其响应时间约为10ns^【5】，满足本次试验要求。

在炮口远端处令起始靶与截止靶初始位置分别相差0.1m、0.3m、0.5m，进行三次测试试验。在炮口处令起始靶与截止靶初始位置相差0.1m，进行一次测试试验。在电磁轨道炮原型机的左右两侧各开设固定直径的孔洞，安装好机械运动部件与相关光路传输模块后，进行调试。试验所用弹丸为铝块，电源模块组为电容充电

^【6】，充电完毕后电容瞬间放电，铝块在炮管内高速滑出。速度测试系统采集到两个低电平信号并在软件界面显示。部分数据如下表1所示。

表1速度测试数据

通过前期计算仿真得出其在炮口速度约为670m/s，加速度在一个脉冲周期内呈线性递增^【7】。从以上试验数据可以看出，弹丸在脉冲大电流的作用下以极高的加速度在膛内加速运动，且其运动特性及炮口速度符合理论计算。

4.结论与展望

因弹丸为铝块，其在电磁轨道内高速运动时由于大电流、高冲击、高加速度会导致其自身形态发生变化^【8】，同时产生高热量与强火光，极易造成发射端与接收端错位，使系统采集到错误信号。后期将继续研究电磁轨道炮振动机理，设计合理的光路系统，进一步提高系统的测试精度。

5.参考文献
[1]李阳,秦涛,朱捷,等.电磁轨道炮发展趋势及其关键控制技术[J].现代防御技术,2019,(4).19-23.

[2]马伟明,鲁军勇.电磁发射技术[J].国防科技大学学报,2016,(6).1-5.

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