彭其先;蒙建华;刘寿先;刘俊;陈光华;马如超;李泽仁
【摘 要】针对二级轻气炮发射管的特性,设计了测量景深长达13 m的光纤探头,选择条纹常数为100 m/s的高灵敏度激光干涉测速仪,结合任意反射面激光干涉测速技术进行了实验,测量了发射口径Φ32 mm、长度12 m的二级轻气炮弹丸发射过程,测得弹丸运动距离11.3 m时的速度为3960 m/s,与磁测速的结果一致,通过实验测得的速度历史,进而获得弹丸在发射管内的加速度过程,为炮内弹道研究提供了更直接的实验数据. 【期刊名称】《高压物理学报》
【年(卷),期】2007(021)004
【总页数】5页(P383-387)
【关键词】应用光学;干涉;多普勒频移;速度;内弹道
自动粉墙机【作 者】彭其先;蒙建华;刘寿先;刘俊;陈光华;马如超;李泽仁
【作者单位】中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室,四川绵阳,621900;中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室,四川绵阳,621900;中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室,四川绵阳,621900;中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室,四川绵阳,621900;中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室,四川绵阳,621900;中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室,四川绵阳,621900;中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室,四川绵阳,621900
【正文语种】中 文
【中图分类】O521.3;O439
1 引 言
轻气炮弹丸在膛内的速度、加速度及弹底压力是轻气炮及发射系统设计的关键参数，实验测量该参数对于完善内弹道理论、研究新型轻气炮、以及对常规武器进行校验等有着非常重要的指导意义。
目前，内弹道参数主要是通过微波干涉测量技术[1-2]直接测量和数值模拟[3-5]的方法计算得到。数值模拟是用计算程序在一定假设条件下的理想推演，并且采用外弹道参数对程序进行校验，因而计算程序得到的内弹道运动参数有其不确定性，很难确定内弹道的真实运动状态。微波干涉测量得到的是弹丸位置随时间的变化关系，受限于微波本身的波长(厘米级或数毫米级)，其在测量弹丸速度较小时，如弹丸在挤进段的运动，由于弹丸速度低，运动距离小，微波干涉测量的结果不确定度较大。同时，在测量小口径武器时(数毫米)，由于膛壁回波对干涉信号干扰较大，应用较为困难，测量中的分辨本领较难令人满意。而文献[6]中的光学方法依赖于弹丸的旋转进行测量，对于不旋转的滑膛炮等则无法采用。
用于内弹道参数测量的激光干涉测量系统，是以激光作为信息载体的测量系统，它能以数米每秒的分辨本领精确地连续测量炮弹从起飞到出炮口的速度，进而得到位移、加速度，给炮弹发射系统的设计与检测提供重要的实验参数。测量直径最小几毫米，测量“景深”达十几米，可以广泛的应用于、炮等常规武器和一级、二级气体炮等实验室设备以及相关研究领域。国外已经将该技术应用于滑膛炮[7]和轻气炮[8]的实验研究中。
2 激光干涉测速原理
任意反射面激光干涉测速(Velocity Interferometer System for Any Reflector，VISAR)技术，可对高速运动物体进行非接触的连续测试，其时间分辨可达纳秒，空间分辨可达亚微米，速度分辨可达数米每秒，因而被作为主要的诊断手段之一，广泛应用于冲击波物理与爆轰物理研究领域，研究冲击与爆轰状态下材料的动态特性[9-12]。
图1 VISAR原理结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the VISAR
铁氧化物采用标准具作为延迟器件的VISAR，即广角迈克尔逊干涉仪，其原理结构如图1所示。
因样品运动而引入多普勒频移的激光束(Light in)进入干涉仪，经分束器(Splitter)分为左右两光臂，右边的光路安置有一标准具(Etalon)，在光学成像上使端反射镜3(Mirror 3)的成像位置在反射镜3像(Image of Mirror 3)处，反射镜3的像与另一端镜反射镜1(Mirror 1)关于分束器共轭，从而使反射镜1和反射镜3在空间方向完全是成像关系，保证了干涉的空间性要求。
在时间上，右边光路中因标准具的引入，光在标准具中的传播速度变慢，使得在合束时右边光路比左边光路存在一时间延迟τ，VISAR测量速度的依据就是左光路的t时刻与右光路的
t-τ时刻两多普勒光相干涉产生的干涉图，并由此干涉图随时间的变化，采用ORI-VISAR98程序[13]，解析出速度信息。压铸机料筒的设计
VISAR中的延迟时间τ及条纹常数F与标准具长度L的关系为
式中：c为真空内的光速，m/s；n为标准具折射率；λ0为照明激光波长，m；δ为标准具散修正。
同时，所测试样品速度v(t)与条纹常数之间有
v(t)=FN(t)
(3)
墨粉式中：N(t)是记录到的干涉图随时间变化的个数。
3 实验装置及测试系统缘114
图2是本工作中使用的实验装置及测试系统方框图。
激光通过发射光纤和光纤探头照射到弹丸前表面，弹丸前表面漫反射光再通过光纤探头收集和信号光纤传输后，输入干涉仪(VISAR)。
弹丸从起动到出炮口的速度由激光干涉测速系统全程记录。同时，在炮口处安装有磁测速装置[14]，测量弹丸出炮口时的速度。以此与激光干涉测速结果进行对比。
实验中使用的激光干涉测速仪，其条纹常数是100 m/(s·Fr)，图3是针对发射管口径∅32 mm、长度12 m的二级轻气炮内弹道测量而设计的长景深光纤探头及实验支撑靶架，通过光学元件的设计，配合发射和接收光纤的调节，使静态时光纤探头工作“景深”达13 m。
图2 实验装置及测试系统图Fig.2 Experimental setup
图3 光纤探头与靶架Fig.3 Fiber probe and rack
4 实验结果
图4是实验中记录到的速度原始干涉信号，图5是磁测速系统记录到的时间关联信号，磁测速系统测量得到的速度为4 km/s(0.5%)。图6是由VISAR原始干涉信号经处理后得到的弹丸
在发射膛内的速度历程。该速度过程没有记录到磁测速位置处的弹丸速度，但按照速度连续性进行外推，在磁测速位置处的弹丸速度为4 004 m/s，与磁测速系统测量结果吻合。
图4 VISAR速度干涉信号Fig.4 Original signal of VISAR
图5 磁测速信号波形Fig.5 Signal of magnetic measurement for projectile velocity
图6 速度-时间曲线Fig.6 Velocity-time history
5 讨论与分析
(1) 实验结果表明,激光干涉测试技术用于轻气炮内弹道中的弹丸速度测量是可行的，其测量的结果与磁测速测量的结果基本一致。
(2) 图4中，在弹丸开始运动前，有一频率较低的信号，分析认为是由于气体炮采用的浮动发射技术，在火药点燃启动推动活塞向前运动的同时，炮管整体向后运动，并带动尚未启动的弹丸向后运动，这一现象与早期高速摄影观测的结果吻合。
图7 加速度变化过程Fig.7 The history of acceleration
(3) 实验是在室内进行，整个火炮和发射弹丸与气炮靶室密封连接，实验时进行抽真空，因气炮靶室空间有限，光纤探头放置离出炮口很近，而实验要求光纤探头的最小工作距离应大于1.5 m，因而实验没有测量到弹丸出炮口的速度。从实验的速度-时间曲线结果看，弹丸在测量最后时刻尚处于加速过程中。如果实验在空间较大的实验场地进行，这一问题可以得到解决。
(4) 将速度-时间曲线对时间进行微分，得到弹丸的加速度随时间的变化过程，如图7。从图中可以看出，该加速度-时间曲线上有两个尖峰，与文献[7]中数值模拟的结果和理论解释基本一致，虽然在信号的幅度上不太一致，但在现象上是吻合的。
由于该实验是采用VISAR直接测量弹丸的运动速度。因而测量结果反应的是弹底压力和摩擦力共同作用下弹丸的真实运动状态。其加速度的波动直接与弹底压力和摩擦力的波动相关。文献[8]对上述信号的解释是，第一个加速度尖峰是膜片破裂时对弹丸的第一次加速，而第二个尖峰是活塞进入椎形段后，在活塞前端激励起扰动压缩波，该压缩波追赶上弹丸后使其进一步加速。
6 结 论
针对二级轻气炮弹丸运动的内弹道特性和测试需求，设计了长景深的光纤探头，应用高灵敏度的激光干涉仪，对二级轻气炮的弹丸内弹道速度进行了测量，测试结果表明,该测试技术能真实地记录到轻气炮的内弹道速度发展过程，并再现其加速过程，为研究和提升炮的内弹道性能提供可靠的实验数据。
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