Некоторые технические особенности использования оборудования для измерения скорости пули.
Петренко Е.С.
Источник: Журнал "Специальная техника", 2003, № 1.
При проведении баллистических экспертиз в криминалистике, разработке и испытаниях образцов стрелкового и артиллерийского вооружения возникает необходимость измерения скоростей снарядов и пуль. Существуют универсальные и специальные методы измерений, которые основываются на использовании оборудования с существенными отличиями по возможностям решения различного рода научно-технических задач.
К универсальным методам измерений можно отнести скоростную фотографию и импульсную рентгенографию. Используемое здесь оборудование (скоростные оптические камеры типа СФР, ЖЛВ-2, ВСК, ВФУ-1 и рентгено-импульсные аппараты типа МИРА - 5Б/1, ПИР - 600А) позволяет проводить широкий спектр научных исследований и технических измерений. Использование этого оборудования для измерения скоростей широкого распространения не получило в связи с тем, что оборудование достаточно дорогостоящее, а точность измерений не всегда соответствует поставленной цели.
В настоящее время наибольшее применение нашли специальные методы измерения скоростей, использующие оборудование, специально разработанное для измерения скоростей с заданными метрологическими и эксплуатационными характеристиками (тип «стреляющего» устройства, диапазон измеряемых скоростей, погрешность измерений, время подготовки к повторному опыту, ресурс работы).
Специальные методы измерений скоростей используют два основных принципа измерений:
- измерение смещения частоты отраженного от движущегося тела сигнала относительно частоты основного сигнала (эффект Допплера);
- измерение интервала времени между сигналами датчиков пролета пули (снаряда), разнесенных на величину измерительной базы.
Допплеровские измерители скоростей представляют собой сложные и дорогостоящие измерительные комплесы (типа измерительного комплекса «Ариэль»), пригодные для измерения скоростей на участках внутренней и внешней баллистики. Как правило, такие измерители применяются в научно-исследовательских работах в составе измерительных комплексов с компьютерной обработкой результатов и в настоящее время имеют ограниченное распространение.
Измерители скоростей с фиксированной измерительной базой, в свою очередь, по типу делятся на две большие группы:
контактные:
- дисковые;
- рамочные (на разрыв или на замыкание измерительной цепи);
- зарядовые
неконтактные:
- оптические (светодиодные или лазерные);
- индуктивные;
- индукционные (магнитные и электромагнитные).
В данной статье рассматриваются только специальные измерители интервалов времени с фиксированной измерительной базой как получившие наиболее широкое распространение в экспериментальной технике.
1. ИЗМЕРИТЕЛИ СКОРОСТИ КОНТАКТНОГО ТИПА.
1.1. Дисковые измерители.
Дисковый измеритель скорости представляет собой систему из двух равномерно вращающихся тонкостенных, но достаточно жестких дисков, находящихся на общем валу и разнесенных между собой на величину измерительной базы.
Пуля, движение которой происходит параллельно оси вращения дисков, последовательно пробивает сначала первый, затем второй диски. За время пролета пулей междискового расстояния второй диск поворачивается на некоторый угол. Зная величину угловой скорости и расстояние между дисками, можно вычислить скорость полета пули.
К недостаткам такой системы измерений можно отнести: повышенные требования к равномерности вращения дисков (необходимо устройство стабилизации скорости), дополнительную погрешность за счет динамического воздействия на систему при ударе пули по диску и их деформации в процессе пробития, снижение скорости пули в процессе пробития первого диска, большое количество расходных материалов, неудобство эксплуатации и значительное время подготовки к повторному измерению.
Очевидных преимуществ данная система измерений скорости не имеет и распространения не получила.
1.2. Рамочные измерители.
Рамочные измерители скорости состоят, как правило, из двух плоских рам-мишеней, разнесенных между собой на величину измерительной базы. Рам-мишени могут быть выполнены из тонкой проволоки или из металлической фольги. Основное конструктивное требование к рамкам – минимальное растяжение в момент разрыва (замыкания).
Рамки включены в соответствующие электрические цепи, по которым проходит электрический ток. Пуля (снаряд) поочередно разрывает каждую из цепей. В точках съема сигналов возникают броски потенциала, которые, соответственно, запускают и останавливают отсчетное устройство (частотомер в режиме таймера). Такие рам-мишени работают на разрыв.
Рам-мишени, работающие на замыкание, обычно выполнены из двух листов тонкой металлической фольги, электрически изолированных между собой тонким листом диэлектрического материала (полиэтилена, бумаги и т.п.). Пуля поочередно замыкает обкладки первой и второй рам-мишеней, формируя, соответственно, цепи запуска и остановки таймера.
Преимуществами рамочных систем измерения скоростей являются простота конструкции и низкая стоимость, высокие помехоустойчивость и метрологические характеристики при работе на больших измерительных базах. При этом в качестве недостатков можно отметить следующее: большое количество расходных материалов, значительное временя подготовки к повторному измерению, дополнительная погрешность за счет деформации датчика в момент взаимодействия с пулей.
Рамочные измерители скорости получили довольно широкое распространение в испытательных лабораториях и на полигонах, особенно при работе со снарядами и гранатами к артиллерийским системам.
1.3. Зарядовые измерители.
Зарядовые измерители скорости являются дальнейшим развитием рамочных систем измерения. Их работа основана на следующем физическом принципе.
Датчики запуска и остановки таймера представляют собой двухканальную систему, состоящую из приемника заряда и зарядовых усилителей. Приемник заряда - это тонкая металлическая пластина, зафиксированная на баллистической трассе перпендикулярно траектории движения пули. Зарядовый усилитель – это устройство, преобразующее изменение заряда на приемнике заряда в изменение потенциала на входе таймера.
Пуля, электризуясь в полете о воздух, накапливает электрический заряд Q, величина которого, в основном, зависит от ее геометрических размеров и формы, т.е. от собственной емкости C1 и величины электростатической разности потенциалов U1:
Q=U1*C1
Приемник заряда также имеет собственную емкость C2. В момент касания пулей первого приемника заряда формируется система «пуля-приемник заряда» с емкостью C:
C=C1+C2
Электрический заряд, накопленный пулей, перераспределяется между пулей и приемником заряда, и на входе зарядового усилителя формируется бросок потенциала dU:
dU=U1-U2,
где U2=Q/(C1+C2)
Сигнал усиливается и подается на вход запуска таймера. Второй канал (остановки таймера) работает идентично.
Сохраняя все основные характеристики рамочных систем, зарядовый измеритель скорости имеет существенно меньшую погрешность измерения в связи с тем, что пространственное положение пули в момент запуска и остановки частотомера (момент касания пулей приемника заряда) определяется с максимально возможной точностью независимо от дальнейшей деформации приемника заряда. И поэтому возможно использование измерительной базы гораздо меньшей длины.
Зарядовые измерители скорости не получили распространения, так как были вытеснены более предпочтительными в эксплуатации измерителями скорости неконтактного типа.
2. ИЗМЕРИТЕЛИ СКОРОСТИ НЕКОНТАКТНОГО ТИПА
2.1. Оптические измерители.
Оптические измерители скорости работают на принципе фотоэлектрической блокировки и выполняются, как правило, в виде системы, состоящей из двух измерительных оптических плоскостей, разнесенных на величину измерительной базы.
В зависимости от способа формирования оптических плоскостей оптические измерители подразделяются на светодиодные и лазерные.
В светодиодных измерителях (фото 1) оптическая плоскость формируется светодиодной линейкой (излучатель) и фотодиодной линейкой (приемник излучения), установленными в обоймы с тонкими светопроницаемыми щелями.
Пуля, проходя через оптическую плоскость, ослабляет световой поток, приходящий на фотоприемник, в результате чего на выходе электронного устройства формируется сигнал запуска (остановки) таймера.
В лазерных измерителях оптическая плоскость формируется многократным отражением луча лазерного излучателя таким образом, чтобы шаг лучевой сетки был меньше минимального калибра пули, и луч, многократно отразившись от системы зеркал или зеркальных призм, попадал на фотоприемник. Пуля, проходя через оптическую плоскость в любой ее части, полностью прерывает световой поток, приходящий на фотоприемник, чем приводит в действие электронную схему формирования сигнала запуска (остановки) таймера.
Оптические измерители скорости характеризуются высокой производительностью, постоянной готовностью к работе, не требуют расходных материалов и работают в широком диапазоне скоростей.
Существенным недостатком таких измерителей является возможная значительная погрешность измерений, особенно в случае проведения работ со ствольными системами с плохой обтюрацией пороховых газов в канале ствола (изношенный ствол или ствол самодельного изготовления) или в случае образования интенсивной баллистической ударной волны, распространяющейся впереди летящего тела с отличной от него скоростью. В обоих случаях прерывание светового потока осуществляется не пулей, а фронтом турбулентности (ударной волны), перемещающимся в пространстве с переменной скоростью и имеющим косвенное отношение к скорости самой пули. Причем в ряде случаев в одном опыте возможно прерывание светового потока в одной оптической плоскости фронтом турбулентности, в другой плоскости – самой пулей.
Кроме того, недостатком этих измерителей является необходимость проведения профилактических работ с оптическими узлами. Для лазерных измерителей характерной особенностью является относительно высокая стоимость.
Тем не менее, светодиодные измерители скорости получили довольно широкое распространение, в частности ФЭБ-7, в качестве базового оборудования испытательных лабораторий.
Лазерные измерители пока серийно не выпускаются.
2.2. Индуктивные измерители.
Принцип работы индуктивных измерителей скоростей базируется на изменении индуктивностей измерительных катушек, являющихся датчиками пролета пули.
При пролете пули внутри катушки ее индуктивность уменьшается за счет экранирующего эффекта (для пуль из цветных металлов) или увеличивается за счет магнитного шунтирования (для пуль со стальным сердечником). Измерительная катушка включена в колебательный контур задающего генератора, соответственно изменяющего частоту генерируемых колебаний. Изменение частоты сигнала задающего генератора преобразуется частотным дискриминатором в изменение напряжения выходного сигнала. Выходной формирователь импульсов запуска (остановки) работает непосредственно на таймер.
Измерительная база равна расстоянию между геометрическими центрами магнитных полей измерительных катушек.
Индуктивные измерители скорости характеризуются более высокими эксплуатационными параметрами, чем оптические измерители, но имеют значительную погрешность измерения и весьма чувствительны к электромагнитным и механическим помехам (вибрации, удары и т.п.). Получили ограниченное распространение.
2.3. Индукционные измерители.
Индукционные измерители скорости реализуют тот же принцип измерения скорости – измерение интервала времени на фиксированной измерительной базе. От других измерителей неконтактного типа отличаются конструкцией и принципом работы датчиков скорости.
Индукционные измерители разделяются на магнитные и электромагнитные. В магнитном измерителе датчик выполнен на базе постоянного магнита, а в электромагнитном – на базе электромагнита (фото 2). Принцип работы обеих конструкций датчиков аналогичен.
Фото 2
Датчик имеет собственное магнитное поле (в электромагнитном варианте поле создается током подмагничивания). Пуля, пролетая внутри катушки датчика (кольца магнита), создает изменение картины магнитного поля датчика. Если пуля выполнена из магнитного материала, то основной вклад в изменение магнитного поля датчика вносит эффект магнитного шунтирования. Если пуля изготовлена из немагнитного материала (медь, свинец), то изменение магнитного поля датчика происходит за счет привнесения в него магнитного поля пули. Магнитное поле пули является вторичным (наведенным за счет возникающих токов Фуко).
Изменение магнитного поля датчика вызывает наводки в сигнальной обмотке магнита или в обмотке подмагничивания электромагнита. Эти наводки являются полезным сигналом, несущим информацию о пролете пули через измерительную плоскость датчика скорости. Далее сигналы усиливаются, компарируются и преобразуются в прямоугольные импульсы заданной амплитуды и длительности (импульсы запуска и остановки таймера).
Основное преимущество индукционных измерителей скорости по сравнению с индуктивными и оптическими состоит в том, что выходные уровни сигналов датчиков достигают единиц и десятков вольт, что позволяет выбирать значительный порог компарирования и, в итоге, надежно работать при высоком уровне внешних помех. Кроме того, фронты турбулентности, сопровождающие процесс выстрела и полета пули, не оказывают отрицательного влияния на точность измерений.
Основной недостаток индукционных измерителей скорости заложен в самом принципе получения сигнала: выходной сигнал датчика скорости прямо пропорционален скорости пули. Этим ограничено их применение для измерения малых скоростей (минимальная измеряемая скорость – несколько десятки метров в секунду) и полностью исключены статические измерения.
В связи с тем, что в подавляющем большинстве случаев необходимо измерять скорости пули в диапазоне от 90 … 100 м/с и выше, индукционные измерители скорости становятся наиболее перспективным направлением в решении задачи высокоточного измерения скоростей пуль калибров 4.5 … 14.5 мм.
Статья опубликована на сайте: 26.04.2006