Экспериментальное определение давления в канале ствола баллистической установки и начальной скорости при выстреле.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Ознакомиться с методом измерения скорости движу­щегося в воздухе тела, используемым при этом оборудованием и приборами.

I. Сведения из теории

Одним из наиболее распространенных методов определения скорости движения тела в воздухе является метод, основанный на измерении времени t прохождения телом участка трассы опреде­ленной длины; (базы) l . В этом случае, допуская линейное изме­нение скорости, рассчитывают ее значение по формуле v=l/t. Найденную скорость относят к точке, которая совпадает с сере­диной измерительного участки, то есть регистрируют среднее зна­чение скорости на блокируемой участке траектории. Для уменьше­ния погрешностей, вызываемых осреднением скорости, длину базы l выбирают возможно более малой, насколько это позволяет измерительная аппаратура.

Как ясно из существа рассмотренного метода, реализующая его измерительная аппаратура должна состоять из двух взаимо­связанных звеньев: датчиков регистрации моментов пролета тела в некоторых сечениях трассы - блокирующих устройств (БУ) и прибора - измерителя интервалов времени.

а) Блокирующие устройства

Наиболее простым и надежным средством регистрации моментов пролетов издавна являются механические контактные системы типа рам-мишеней.

Рама-мишень представляет собой плоскую раму, на которую наматывается (изолированно от неё) тонкая проволока диаметром 0,20 - 0,25 мм ( см. рис, I).

Для повышения надежности разрыва намотка проволоки ве­дется с натягом, а расстояние между соседними витками не должно превышать одной четверти калибра исследуемого тела. В некоторых случаях проволоку или фольгу наклеивают на непроводящий материал (бумагу, пленку), рамы-мишени на трассе устанавливаются так, чтобы их плоскости были перпендикулярны к траектории движущегося тела.

Рис. 1. Проволочная рама-мишень

По цепям рам-мишеней пропускают постоянный ток. При прохождении через раму тело разрывает ее обмотку, что является сигналом начала или конца отсчета времени. Иногда используется схема включения на замыкание. В этом случае вместо проволоки на раму-мишень крепятся два листа фольги, между которыми находится изоляционный материал. Замыкание цепи производится летящим металлический телом.

Удобство применения рам-мишеней заключается в том, что они не чувствительны ни к механическим, ни к электрическим помехам и могут перекрывать большие плоскости, они применимы при любах скоростях. Недостатками рам-мишеней являются:

1. неопределенность момента разрыва. который может быть произведен как головной, так и хвостовой частью, а также вследствие растяжения проволоки;

2. если.., модель металлическая, то после разрыва проволоки головной частью замыкание может происходить через модель;

3. рама-мишень не может быть выставлена на траектории с большой точностью по координате;

4. восстановление рамы-мишени нужно производить после каждого эксперимента, что препятствует автоматизации процесса измерения скорости;

5. удар модели о проволоку с большой скоростью может вызвать повреждение ее поверхности, а также усиленное нутационное движение модели, что не всегда желательно.

В настоящее время в качестве БУ широкое распространение получили бесконтактные датчики. Они не оказывают влияния на движения тел и не требуют восстановления.

Наиболее перспективной по точности измерения и надежности работы является световая (фотоэлектрическая) система регистрации моментов пролета тел. Принцип построения таких систем блокировки основан на модуляции светового потока, падающего на чувствительный элемент, при прохождении телом световой плоскости.

Фотоэлектрическая система блокировки (см. рис. 2) включает источник света S , питаемый постоянным током, коллиматоры K₁, К2 и фоторегистратор Ф. Коллиматор состоит из сферической или цилиндрической линзы L1 и системы щелевых диафрагм D₁, формирующих свеТ0ВУЮ ПЛОСКОСТЬ.

Рис. 2. Фотоэлектрическая система блокировки

В коллиматоре К2 с помощью более узких щелей вырезается центральная зона, высота и ширина которой определяют область регистрации пролета тел. Вторая конденсорная линза L2 фокусирует cвет на фоторегистратор Ф , в качестве которого могут использоваться фотодиоды, фоторезисторы и фотоэлектронные умножители (ФЭУ). При проведении экспериментов с моделями малого удлинения и при больших скоростях предпочтительными являются ФЭУ, обеспечивающие высокую скорость нарастания выходного сигнала.

В экспериментальной баллистике часто применяется электромагнитная регистрация пролета тел, чувствительным элементом которой является соленоид с двумя обмотками (см, рис. 3). Одна обмотка питается постоянным током, создавая постоянный магнитный поток. При прохождении внутри соленоида металлического тела, обладающего.магнитными свойствами, во второй (рабочей) обмотке соленоида появляется ЭДС , что является сигналом начала или конца отсчета времени. Недостатком соленоидных датчиков является относительно невысокая крутизна фронтов генерируемых импульсов, вследствие чего затрудняется формирование сигналов с большим временным разрешением, а также необходимость подмагничивания тела.

Бесконтактная регистрация момента пролета может быть успешно осуществлена с помощью акустических датчиков.

Рис. 4. Схема определения скорости тела с помощью

пьезоэлектрических датчиков.

Рис. 3. Электромагнитная система блокировки:

УПС - усилитель-преобразователь сигналов;

ИИВ - измеритель интервалов времени.

Эти датчики реагирует на головную баллистическую волну. Обычно в качестве таких датчиков применяются пьезоэлектрические датчики давления (ПД) (см. рис. 4). Чувствительным элементом такого .датчика является пьезоэлемент. При воздействии импульсного давления на воспринимающую поверхность пьезоэлементов возникает электрический сигнал, по которому осуществляется пуск или останов счетного устройства. Этот метод нельзя использовать при дозвуковых скоростях движения тела.

б) Измерители интервалов времени (ИИВ)

В качестве ИИВ в экспериментальной баллистике используются различные виды хронографов, хронометров, частотомеров и осциллографов.

Длительное время для определения скорости движущегося тела применялся (иногда и сейчас применяется) хронограф системы Ле-Буланже (рис. 5), изобретенный в 1864 г. Он представляет собой установленную на массивном основании колонку, на которой укреплены два электромагнита Э1 и Э2. К сердечникам электромагнитов подвешиваются два стержня: длинный - хронометр и короткий – отмечатель. В электрические цепи обоих электромагнитов, питаемых постоянным током, включены рамы-мишени. При прорыве первой рамы-мишени ток в цепи электромагнита прерывается и хронометр начинает падать. При прорыве второй рамы-мишени падает отмечатель и ударяет в плечо спускового механизма С . Последний освобождает нож Н, который под действием пружины ударяет по хронометру и на высоте h2 оставляет на нем метку.

Рис. 5. Принцип работы

хронографа Ле-Буланже.

Время падения хронометра

Из нeгo необходимо вычесть время запаздывания t1, , то есть время от начала падения отмечателя до получения метки на хронометре. Для определения этого времени с помощью специального прибора (разобщителя) размыкают одновременно обе цепи. При этом получают на трубке хронометра метку на высоте h1 . Тогда время запаздывания

_t1=√2h1/g

Время полета тела на за блокированном участке найдем по выражению

t=t2-t1

Основные достоинства описанного хронографа - простота и надежность работы. Средние ошибки в определении скорости не превышают 0.1%. Однако хорошую точность этот прибор обеспечивает при измерении интервалов времени порядка 0,1 с. В связи с этим база, на которой установлены рамы-мишени, должна составлять численно 0,1 от предполагаемой скорости.

В настоящее время на баллистических трассах в основной применяются электронные хронометры, работающие по принципу сравнения измеряемых промежутков вренени с суммой периодов колебаний высокочастотного кварцевого генератора (КГВЧ) згектрических колебаний (см. рис. б). В таком хронометре КГЧВ непрерывно вырабатывает электрические импульсы определённой частоты f (с периодом Т= 1/f}. Однако эти импульсы на электронное счетное устройство (ЭСУ) не поступают. При прохождении телом первого блокирующего устройства БУ-1 возникает сигнал,

идущий сначала на усилителъ-преобразователь сигналов (УПС), а затем (после формирования) на быстродействующий электронный переключатель (ЭП), который по полученному сигналу начитает пропускать импульсы от КВГЧ на ЭСУ. По сигналу второго блокирующего устройства БУ-2 вновь срабатывает ЭП, отключая при этом КГВЧ от ЭСУ.

Таким образом, за время движения тела между БУ-1 и БУ-2 на блок ЭСУ поступает определенное количество импульсов. Поскольку число периодов n, известно, то искомое время найдется по формуле

t = nT