EFP速度测量的高速摄影试验研究

焦志刚 ，杜 宁 ，贺玉民 ，范 祎 ，杨 莹

（1.沈阳理工大学，沈阳 110159；2.辽沈工业集团有限公司，沈阳 110116；3.江苏永丰机械有限责任公司，南京 210014）

0 引言

爆炸成型弹丸（EFP）技术是从聚能破甲技术中分离出来的一个分支。它是由大锥角、球缺形等药型罩在爆轰波作用下形成的，整个质量全部用于侵彻装甲目标，后效大，其速度在1 500 m/s～3 000 m/s；对炸高和旋转不敏感，大大地提高了弹药的毁伤效能［1-3］。在对EFP研究时，它的速度特别是成型过程是研究者们最为关注的问题［4］。由于EFP速度高且形成速度快，因此，经常在研究时采用计算机模拟的方法仿真EFP的成型效果，在试验时采用3个～4个塑料网线靶及试验回收的方法来观察成型效果。试验时将塑料网线靶间隔一定距离安装摆放，高温下的EFP穿过网靶时，塑料网会融化而留下近似EFP的形状，通过留下的形状判断EFP形成过程。采用传统的塑料网线靶、天幕靶不但费用高而且不能实现准确观测。一些学者还会采用脉冲X光摄影法，此种方法在试验中要得到较好的图片比较困难，且可靠性不高、成本相当昂贵，不便携带［5-8］。

高速摄影机具有测量精度高、直观、可靠、便于携带等优点［9］，已被广泛应用于各类兵器测试中，如炮弹、火箭等物体运动速度和运动姿态测量［10-11］。利用高速摄影机观测EFP形貌，且利用跟踪标记点法可以测量EFP的速度等参量。

1 试验方案及测试方法

1.1 网靶测试系统原理

网靶是由靶体、钼丝等组成，在实际的速度测量中，经常使用网靶。靶体框的四边是绝缘的，在绝缘的靶体框上有接线柱，钼丝在接线柱上回绕成一个金属网，运用电子仪器测量引线是否为闭合的回路，网靶结构如图1所示。

图1 网靶结构示意图

测试时，将两个相同的网靶立于弹道线上，靶面与射击方向垂直。在聚能效应的作用下，药型罩锻造成的高速EFP通过第1个网靶后，钼丝会被切断，此时将会产生电信号，测时仪开始计时。通过第2个网靶时，钼丝将会被切断，产生第2个电信号，测时仪停止计时。测量两网靶之间的距离，再根据测时仪所记录的时间可以计算出EFP的速度。运用此种方法只能计算出EFP的速度，而不能测量出EFP的尺寸，更不能观测出它的形貌。

1.2 高速摄影测试原理及方法

针对上述问题，本文提出高速摄影机与网靶相结合的测试系统。高速摄影机设在垂直弹道侧面距离网靶一定距离的掩体里，在靶道另一侧布置白色背景布，用云台调节高速摄像机的高低与方向。将笔记本电脑与高速摄像机相连进行参数设置，根据距离选用适当的远摄变焦镜头，用触发开关对摄影机进行触发控制。由于野外无法使用市电，实验采用自备发电机供电。连接完成后，打开计算机软件，调整云台角度使得靶机在取景中心位置，根据当时的天气条件以及综合情况调节各个参数，使在图像中可以清晰看到背景布。拍摄参数：F=2.8；f=55 000 fps；分辨率：640×608；曝光时间：10 μs；可拍摄时间为3.18 s。触发方式为前触发即触发后会记录3.18 s的视频，因此，准确把握触发点至关重要，将高速摄影上的触发线与网靶上的引线连接。当EFP切断钼丝时，电信号传输到高速摄影机中，触发开始记录。高速摄像机安装现场如图2所示。

图2 掩体中的高数摄像机

试验采用球缺形药型罩、EFP战斗部固定装置、高速摄像机、网靶，采用GPS定点。试验场地布置如图3所示。图中D为EFP战斗部发射装置，N为形成的EFP，C为网靶，F为背景幕，P为高速摄影机，M为计算机。

图3 试验场地布置示意图

射击指令发出后，触发高速摄像机并拍摄EFP的飞行过程，用PCC软件截取所需的拍摄图像信息并保存，以便对结果进行后处理。

1.3 PCC软件介绍

PCC软件对所采集的图像和数据进行分析和处理，可以对被拍摄物体的标记点自动跟踪、快速测量等。本文的射击试验中，PCC软件用于飞行姿态记录、数据处理，并得出EFP的速度。

2 试验与仿真验证

2.1 试验结果及后处理

首先设定比例尺，点击Calibrate，在待测量的图片上点击参照水平标尺的起始点，如下页图4所示。在待测的图片上点击参照标尺的第2点，如下页图5所示。在弹出的对话框中输入参照标尺的实际尺寸，系统将自动算出当前视频单位像素代表的实际尺寸，如下页图6所示。然后激活快速测量中的Active，选择两点法的测量方式。最后在同一张照片中，选择EFP飞行过程中的一点及飞行一段距离后的一点，确定后将在result中显示出测量结果，如图7所示。

图4 标尺的起始点

图5 标尺的第2点

图6 单位像素代表的实际尺寸

运用软件中的自动跟踪标记法，以弹丸为设定的标记点，自动跟踪弹丸轨迹，轨迹越长，所测得的弹丸速度越准确。以其中一发EFP为例，运用软件中的两点法可以测量EFP的速度，在Result中显示如图7所示，同时可以观测出EFP的飞行姿态。

图7 弹丸速度测试结果

2.2 仿真验证

2.2.1 有限元模型的建立

用LS-DYNA软件模拟EFP战斗部成型，EFP战斗部结构简化为由壳体、炸药、药型罩三部分组成。建立如图8的EFP战斗部结构有限元计算模型，计算使用拉格朗日算法。炸药与壳体及药型罩之间的接触采用滑移接触算法，对于模型采用映射网格划分法划分网格。

图8 EFP战斗部结构模型

2.2.2 材料模型

仿真过程中单元选取三维实体单元solid164，选用8701炸药，药型罩选用紫铜，各部分材料参数及计算模型如表1所示。

2.2.3 仿真结果

随着计算时间的加长壳体单元不断失效删除，炸药对战斗部模型的作用已经完毕，图9为炸药起爆时EFP不同时刻作用过程效果图。

表1 材料模型参数

图9 EFP不同时刻成形状态

EFP数值模拟效果图与图4、图5中采用高速摄像机拍摄的EFP形貌相似。EFP速度随时间变化曲线如图10所示。

图10 EFP的速度-时间曲线

从速度时间曲线可以分析出EFP的速度在成形30 μs左右达到最大，其最大值接近2 000 m/s，此数值与实验结果相近。在30 μs以后EFP的速度几乎不变，这是由于在仿真过程中没有考虑空气的因素，且时间很短。

图11 EFP战斗部固定装置

2.3 对比分析

试验采用EFP战斗部固定装置如图11所示，发射8发球缺形药型罩，EFP选取其中3发记录数据进行比较，其中天幕靶和高速摄像机的EFP测速结果见下页表2。

从表2中可以看出，运用高速摄像机中的两点法测速得到的结果与天幕靶测速结果吻合较好，相对测速差值小于11 m/s。因此，在类似试验中采用高速摄像机即可满足需求。

表2 试验结果对比

3 结论

通过对EFP战斗部测试试验表明，运用高速摄影机与网靶结合的方式可以测量高速飞行体的速度。采用高速摄像机拍摄，运用PCC软件，根据照片中的标尺校准比例尺，通过两点法可测量EFP飞行速度，与天幕靶测速对比，进一步验证高速摄影技术测速的可行性。与塑料网靶及试验后回收的方法相对比，运用高速摄影机能更准确地观测出EFP的形貌，操作简单，同时可以降低试验成本，为类似试验提供一定的参考依据。