1 引言

常规榴弹炮、坦克炮以及炮射导弹发射过程中的膛口烟雾的危害性日益突出, 表现在以下几个方面:(1)大量的膛口烟雾会妨碍射手瞄准, 影响射击速度; (2)发射烟焰对跟踪、控制和制导手段具有显著不良影响^[1], 会明显降低武器系统打击精度。要有效抑制膛口烟雾, 必须先解决膛口烟雾的定量化问题^[2]。目前使用的国军标《火炮安全性和勤务性试验方法》使用高速摄影机对火炮膛口烟雾进行拍摄, 仅可以定性判断烟雾轮廓及浓度, 尚不能有效量化烟雾总量^[3]。

国内对小口径枪口烟雾的定量进行了较多的研究^[4-5]。首先利用烟箱对枪口烟雾进行收集, 再采用光强原理对身管武器发射烟雾总量进行评价。如长春理工大学王劲松^[5]等人设计一种可卸压烟箱, 对5.8 mm枪弹和7.62 mm枪弹烟雾进行了光透过率测量。烟箱体积为0.007 m³, 射击时枪口通过枪口密封装置伸入烟箱内。但烟箱法不适合中大口径火炮的膛口烟雾测试。5.8 mm口径普通弹射击后在0.007 m³体积内的压强最高约0.75 MPa, 而130 mm口径火炮膛口压强高达50 MPa, 要在此高压下建立烟雾收集箱, 存在较大风险, 不易实现。

针对中大口径火炮膛口高压的特点, 结合烟箱法测试烟雾浓度的原理, 本研究提出了一种在敞开体系利用光强方法测试膛口烟雾的方法, 并对130 mm火炮膛口烟雾进行了测定, 结果表明该方法能获得火炮发射过程膛口烟雾浓度变化趋势, 很好解决了目前无法定量中大口径身管武器膛口烟雾总量的问题。

2 测试原理及测试系统

烟雾是悬浮在空气中的微小物质, 其粒子大小一般在0.01~5.00 μ m之间。烟雾微粒会阻碍光线在空间的传播, 沿光束路径上微粒的散射和吸收等作用将导致透过光强度的衰减。单位空间的烟雾微粒越多(即烟雾浓度越大), 则光透过率越低。

膛口烟雾对光的吸收遵循朗伯-比尔定律^{[4-5, 7-8]}:

$ A = {\rm{lg}}\left( {{I_0}/I} \right){\rm{ }} = KbC $

(1)

式中, A为吸光度; I₀为入射光强度, cd; I为透射光强度, cd; K为比例常数, m²·kg^-1; 与吸光物质的性质、入射光波长等因素有关; b为烟雾厚度, m; C为烟雾浓度, kg·m^-3。

由公式(1)可看出, 在K, b不变的条件下, 测量I₀/I的值, 即可得到浓度C的大小变化趋势。

根据该原理, 建立了一套烟雾透光率测试系统, 该系统结构见图 1。该测试系统主要包括光源、准直透镜、光电传感器、A/D模块等。如图 1所示, 无烟雾时, 光源发出光强为I₀的入射光, 经过准直透镜变为平行光束, 再经过准直透镜, 汇聚到光电传感器上, 经检测, 入射光其电压信号值为V₀。有烟雾时, 平行光束经过烟雾区时由于烟雾的吸收和散射, 使光束的强度发生衰减, 透射光强衰减为I_t, 经光电传感器检测其电压信号值为V_t。透过光强度I_t与入射光强度I₀之比称为透射比或光透过率, 用T表示^[6]:

$ T = \frac{{{I_{\rm{t}}}}}{{{I_0}}} = \frac{{{V_{\rm{t}}}}}{{{V_0}}} $

(2)

由此可得到火炮发射过程膛口烟雾透光率的数值及其随时间的变化趋势, 透光率的变化趋势即可反映膛口烟雾浓度随时间的的变化趋势。由(1)、(2)式得

$ C = {\rm{lg}}\left( {1/T} \right)/Kb $

(3)

对同一火炮及测试设备, 式(3)中K、b可看作固定不变的常数, 烟雾浓度C与lg(1/T)成正比例关系。(3)式可写为

$ C = \alpha {\rm{lg}}\left( {1/T} \right) $

(4)

式中, α=1/Kb, 为常数。

图 2为膛口烟雾体积示意图, 图中黑圈可看作是光源所发射测试光的光圈轮廓。

发射t时间段内出膛口的烟雾质量设为m,

$ m = CV $

(5)

式中, m为烟雾质量, kg; C为烟雾浓度, kg·m^-3; V为t时间内烟雾经过光路的体积, m³。

由图 2可知,

$ L = \upsilon t $

(6)

$ V = bD\upsilon t $

(7)

式中, L为烟雾长度, m; b为烟雾厚度, m; υ为烟雾运动速率, m·s^-1; t为采样时间, s; D为测试光路直径, m; t₀为采样间隔时间, s。

对同一火炮(类型、口径相同), 装药量相差不大, 因其初速变化不大, 因此烟雾运动速率v可看作常数。对同一测试设备, 其测试光路直径D为常数。所以, 式(7)中b、D、υ为常数, 令F=bDυ。由(4)、(5)、(7)得

$ m/F\alpha = t{\rm{lg}}\left( {1/T} \right) $

(8)

由式(8)可看出, 烟雾质量m与透光率T不成比例, 而与其对数值成线性关系。因此, 对于这种动态烟雾总量的表征不能等同于烟箱收集法, 仅采用光透过率值(或平均光透过率)即可反映烟量大小。

令M=m/Fα

则M=Kbm/bDυ

即M=(K/Dυ)m

所以, 若测试设备相同(K、D不变)、武器型号相同(烟雾速度υ基本不变), M是与真实发烟量m成正比的一个量值, 将其命名为特征发烟量。M值的大小即可反映膛口实际烟雾总量的大小。

即

$ M = t{\rm{lg}}\left( {1/T} \right) $

(9)

式中, t为光透过率检测仪的采样时间段, T为光透过率。

图 3a是某弹种膛口烟雾透光率曲线, 图 3b是lg(1/T)-t曲线。图 3b中一个格子的面积(即t₀×lg(1/T))表示设备采样一次时间内(t₀)的特征发烟量, t时间段内总特征发烟量应为图中阴影部分n个小格子的面积之和。t时间段内总特征发烟量可表示为

$ M = \sum\limits_{i = 1}^n {{t_i}} [{\rm{lg}}(1/{T_i})] $

(10)

式中, t_i为光透过率检测仪的采样间隔时间, 对同一光透过率测试系统为定值。为了简化运算, 可将其当作1处理。

所以, (10)式可简化为

$ M = \sum\limits_{i = 1}^n {[{\rm{lg}}(1/{T_i})]} $

(11)

3 实验部分 3.1 实验过程

根据图 1测试原理, 对某130 mm火炮膛口烟雾透光率进行测试。光源和光电传感器用三脚架连接并紧固, 分立炮口两侧前1 m处, 两镜头相对, 距离50 m, 镜头光轴垂直于炮管轴线并与炮管轴线水平。

试验测试条件:炮膛及弹药擦拭干净, 在白天, 无雾、无雨、无雪、平均风速小于2 m·s^-1气象条件下进行。光源采用LED白光光源, 功率100 mW; 光电传感器采用硅光传感器; AD模块采样频率10 K·s^-1。平均气温28 ℃, 平均湿度80%。

3.2 结果与分析

图 4为130 mm火炮某次发射过程距膛口1 m处烟雾光透过率曲线。曲线上最低点即为光透过率最小值, 由图 4可看出, 光透过率最小值为0.9%。由高速摄影拍摄130 mm火炮所得到的影像可知, 130 mm火炮从膛口出烟到停止出烟历时约200 ms, 可求得发射过程平均光透过率为20.1%。

图 5为该发130 mm火炮膛口烟雾原始数据部分截图, A、B、C列分别代表采样序号、采样时刻、光透过率值(T)。从该原始数据中可发现, 1.6229 s时刻光透过率由100%开始下降, 这是由于该时刻火炮膛口烟雾出炮口, 衰减了测试光, 导致测试光光透过率发生变化。因此, 认为1.6229 s(或1623 ms)时刻炮口出烟, 为炮口烟雾特征发烟量运算的起始时间。按照130 mm火炮烟雾历时约200 ms的规定, 对1623 ms至1823 ms之间的烟雾按公式(11)进行累计运算。即该发弹特征发烟量计算如下:

$ \begin{array}{l} M = \sum\limits_{i = 1}^n {\left[{{\rm{lg}}(1/{T_i})} \right]} + \left[{{\rm{lg}}(1/{T_{16230}})} \right] + \left[{{\rm{lg}}(1/{T_{16231}})} \right]\\ + \left[{{\rm{lg}}(1/{T_{16232}})} \right] + \ldots \ldots [{\rm{lg}}(1/{T_{18230}})] \end{array} $

可求得该发弹特征发烟量为1830。

由图 4及标注可看出, 火炮发射后约3 ms, 光透过率由100%下降至约10%, 13 ms光透过率达到最小值。光透过率10%以下持续时间约56 ms, 占出烟总时间的四分之一, 该时间段特征发烟量810, 占总特征发烟量44%, 说明130 mm火炮发射过程中膛口烟雾的出烟特点是前期烟雾较浓, 在四分之一的时间内出烟量约占总烟量的一半。其原因可能是前期武器膛内压力较高, 较小的体积内烟量较大, 烟雾密度大, 较短时间内出烟量大; 随着高压气体从膛口向外界涌出, 膛口压力逐渐变小, 烟雾密度降低, 出烟量速度逐渐降低。由图 4可看出, 试验结束后基线回归100%的位置, 说明光路在火炮发射后未发生偏移, 保证了测试结果的准确性。

4 结论

(1) 在敞开体系下利用光强方法可有效测量大口径火炮的膛口烟雾。该方法能获得身管武器发射过程最小光透过率、发射过程平均光透过率。根据特征发烟量计算公式可求出火炮发射过程膛口烟雾特征发烟量。

(2) 某130 mm火炮的膛口烟雾可见光透过率测试结果表明, 光透过率最小值为0.9%, 平均光透过率为20.1%;根据特征发烟量计算公式求得发射过程特征发烟量为1830。