【摘要】为了准确测量子母弹子弹爆炸抛撒时的冲击过载，文中设计了一种可置于子弹内部或充当子弹的抛撒测试仪，并分析了仪器功能和特点。经实验表明：该方法在抛撒实验时可以很好地完成冲击过载数据采集和存储。最后，利用小波处理及频谱和模态分析相结合的数据处理方法，分析了数据的有效性和正确性。
【关键词】子母弹抛撒;高冲击;爆炸分离;低功耗
test method on impact overload during cluster warhead ejection and scattering
Abstract：In order to accurately measure the shock overload of cluster bomb bullets when the explosive dispersal，a miniature throw tester that can be placed inside the bullets or act as a bullets was designed and functions and features was analysised in this article.Carrying on a further research on the low-power consumption，enhanced treatment and efficient buffer structure.The bullet signal of shock overload in the explosive experiment was successfully obtained after the tester was put in the simulation calibration.In the last，a combining data processing methods which consist of wavelet processing、spectrum analysis and modal analysis was used to analyze the validity and accuracy of the test data.
Keyword：cluster warhead ejection and scattering;High impact;Explosive separation;Low-power consumption
1.引言
子母弹战斗部是现代高科技战争中常用的一种战斗部，子母弹关键技术之一是抛撒，常用的抛撒方式有活塞抛撒、囊式抛撒、中心爆管抛撒。子母弹抛撒的实质就是把弹头的整体能量变为分散的子弹能量，所以子弹具有很好的分布状态是子弹命中、毁伤目标的决定因素，因此抛撒冲击过载对于子母弹的毁伤效果有着关键的影响。子母弹抛撒过程中，往往要伴随着有高温、高冲击等恶劣环境的影响，对于一个测试系统来说，克服这些困难，对于保证测量的可行性，准确性尤为重要。针对种种问题，本文介绍了一种基于存储测试技术的弹载测试仪。这种弹载测试仪可以置于子母弹的子弹中，可以实时、准确、完整的记录下爆炸瞬间子弹受到的冲击过载。文中就这种弹载测试仪进行了详细的介绍，并就成功运用在某型号战斗部模拟子母弹中心管爆炸抛撒的测试实验中得到的测试曲线进行了处理，并获取了满意的测试结果。
2.抛撒测试仪的总体设计
2.1 抛撒测试仪的总体结构组成
图1为系统的总体设计框图，测试系统主要由传感器（2万g加速度传感器）、电路模块、电源、USB接口单元等部分组成。本系统采用加速度传感器用来测试弹体冲击过载，数据采集存储模块主要由模拟信号适配电路，A/D转换器，NAND结构的闪存，Xilinx公司的CPLD芯片和单片机，以及USB接口电路组成，这个模块主要是完成抛撒过程中冲击过载的采集与存储，测量完毕，数据将通过USB接口传输到计算机中，在软件下实现数据读取与擦除。跟据实际情况，不同的测试要求，可以通过单片机及CPLD控制来改变系统的参数以达到测试目标。
图1 抛撒记录仪的总体框图
2.2 低功耗设计
在这种特殊的测试环境下，为了尽可能长时间的保存数据，必须进行低功耗的设计。一方面尽可能的选用节能并且功能强大的芯片，另一方面年还必须进行低功耗的逻辑功能设计，来满足测试要求。要实现低功耗设计，最重要的部分就是电源的管理。测试仪上电以后，立即开始进行循环采样，此时，只是在Flash固定区间内进行记录，不断地写入，然后数据覆盖，再写入，由此循环，而系统此时处于最大功耗的状态。抛撒的瞬间，子弹收到爆炸冲击，冲击过载通过传感器，被转换成电信号传入测试系统，当超过系统已经设好的阀值后，立即触发，并开始记录。记满了设定好的Flash容量以后，Flash会给中心控制模块发送信号，控制模块立即关断模拟电源，但此时为了保存数据仍然给数字部分供电，等待读数，总的系统功耗得到了很好的控制。读数完毕后，擦除数据，系统又进入待触发状态，如果测试仪不需要再工作，即可手动下电。经过这一系列的设计，系统的功耗得到了明显有效的控制，循环采样时的电流约为5.3mA左右，数据保持状态时的电流为65uA左右。图2为测试系统的大体工作状态图。
图2 测试系统大体工作状态图
2.3 抗高冲击设计
在爆炸过程中为了保护电路和传感器正常工作而不受巨大冲击的影响，考虑对测试仪进行必要的保护。首先，给测试仪的电路加一个壳体，因为圆柱体是容器抗张力和抗压力较好的选择，故将其做成圆柱体。其次，对传感器和电路的整体加一个壳体，由于要放在子彈中，故具体视情况而定。为了确保在高冲击后不变形，经过多次实验，外壳选用经过淬火和阳极氧化处理的特种钢。
仅仅加壳体设计，对于高冲击下保护测试仪还远远不够，所以在电路模块及传感器和壳体之间加入缓冲设计。具体办法是用高强度的环氧树脂对其进行真空的灌封，与此同时，在电路模块周围还增加了一些合适的缓冲结构对电路进行缓冲保护，以防止测试仪由于高冲击过载而被震坏。这样可以防止材料弹性形变而引发的板间以及焊盘之间导线的断裂和板上焊点的松动。进而从真正意义上对测试仪起到了保护作用。
3.实测数据分析及处理
测试仪被应用于某型号战斗部的中心管爆炸抛撒测试试验中，测试系统装在子弹内，布置在中心爆管周围，与其它配重测速子弹呈环形两层排列如图3所示。
图3 抛撒实验装配图
图4 爆炸冲击过载实测曲线图
图4为战斗部子母弹中心管爆炸抛撒时冲击过载实测曲线。从图4的实测曲线中可以得出，加速度测试曲线存着很大的零点漂移，如果直接对加速度曲线进行积分求速度，那么将会与实验过程中的真实速度有很大的误差，所以一定要对过载曲线去除零漂后才能进行下一步的处理。参考爆炸分析信号小波变换的处理方法，从实测数据中可以提取出真实的爆炸冲击过载信号。经过matlab采取必要的处理，滤掉了过载曲线的低频零漂以后，生成的过载曲线如图5所示。
图5 经过小波变换去除零漂的过载曲线图
图5为去除零漂以后的测试曲线图，从图中可以看到，零点的漂移已经得到了很好的除去。由于爆炸瞬间中包含有大量的高频信号叠加在了过载曲线上，所以要想得到完整的过载曲线，必须进行滤波处理。要滤去高频信号，就要通过低通滤波，滤除掉含有非加速度的高频信号，而低通滤波的关键是滤波截止频率如何选择。本文采用经典的ANSYS模态分析和频谱分析（图6即为通过matlab处理后的爆炸冲击过载频谱图。）相结合的方法选择了低通截止频率为4.7KHz。
图6 爆炸冲击信号频谱分析图
经matlab的FIR滤波器用进行低通滤波处理以后的曲线如图7所示，在曲线的1.4ms左右，有一个接近4000g的极大值，分析可知应为中心管爆炸时子母弹开仓前作用到传感器上的爆炸冲击波。随着子母弹开仓，过载值在降到0以后又迅速上升。整个过程中加速度最大值为5942g，脉冲宽度为大约620us。
用matlab对子弹抛撒的加速度曲线进行积分即可得到子弹抛撒的速度曲线，如图8所示。从图中可以得到爆炸时的抛撒速度为19.85m/s。为了进行准确性对比，子母弹抛撒过程中使用高速摄影机对配重子弹抛撒过程进行了拍摄，经过专业软件分析可得初速为21.35m/s。像机所测的速度相差了1.5m/s，由此可算得误差为6.7%。由此可见，充分验证了所测数据的正确性。
图7 滤波后加速度曲线
图8 经过matlab处理的抛撒过程速度曲线图
4.结论
文中针对恶劣的爆炸抛撒测试环境这个难题，设计了一种新型可置于子弹内部或充当子弹的爆炸抛撒存储测试仪。利用该测试仪，成功测得了某战斗部爆炸抛撒时的加速度曲线，并进行了详细的数据处理和分析，证明了测试方法的可行性和准确性。实验最终表明，该测试仪具有微体积、抗高冲击和微功耗等优点，测试结果准确、可靠、完整，无疑充分发挥了存储测试的优点，能适用于不同种类的类似爆炸抛撒等恶劣环境且需要低功耗的测试环境下的精准测试。
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作者简介：傅宝安（1956—），遼宁北票人，大学专科，高级工程师，研究方向：战斗部实验测试技术研究。
