火箭彈初始擾動實驗研究①

陳 陣,畢世華,劉廣璞,潘宏俠

(1.北京理工大學宇航科學技術學院,北京 100081;2.中北大學機械工程與自動化學院,太原 030051)

1 引言

初始擾動是指火箭彈在離開發(fā)射裝置瞬間實際彈道和理想彈道的偏差。發(fā)射動力學的主要任務之一就是研究初始擾動的形成機理及影響因素[1]。由于火箭彈/發(fā)射裝置系統(tǒng)結(jié)構和發(fā)射過程中系統(tǒng)所受激勵因素的復雜性,直接建立系統(tǒng)動力學模型對發(fā)射過程進行數(shù)值模擬以獲得初始擾動量值的方法具有很大的局限性,有時計算結(jié)果與實際數(shù)值相距甚遠。因此,開展對初始擾動的實驗研究具有重要的理論意義和工程應用價值。

由于火箭彈發(fā)射過程的特殊性,在不對發(fā)射過程產(chǎn)生影響的情況下,對初始擾動進行接觸式測量是難以實現(xiàn)的。因此,國內(nèi)外都在探索有效的非接觸式測試方法,包括“光學杠桿”法、遙測和彈上記錄儀等[2]。最近幾年,計算機、測試技術和傳感器制造技術的迅速發(fā)展,為火箭初始擾動測試技術的提高提供了更為有利的條件。

2 測量系統(tǒng)組成和原理

激光測量系統(tǒng)利用“光學杠桿”原理設計,其布置方案如圖1所示。激光發(fā)生器為光源,經(jīng)過分束鏡后,有50%的光被透射到彈前反射鏡上,再經(jīng)過彈前反射鏡反射到彈頭反射鏡上,被彈頭反射鏡反射回來的光束經(jīng)彈前反射鏡再次被反射到分束鏡上,此光束的50%被分束鏡反射到平行光管的透鏡上,經(jīng)透鏡的聚焦作用投射到位置敏感探測器(Position Sensitive Detector,PSD)上,由PSD信號處理器將光點的位置信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?后再由采集設備采集到計算機中,作為火箭彈的一個位置信號儲存起來。

測試前調(diào)整測試裝置,使入射光通過分束鏡中心且垂直于分束鏡鏡面,使彈前反射鏡反射到彈頭反射鏡上的光束與火箭的發(fā)射方向重合,并使入射光、透射光和彈頭及彈前反射鏡反射回來的反射光重合。最后,調(diào)節(jié)平行光管使最終投射到透鏡上的光束經(jīng)過透鏡中心且平行于透鏡的光軸,光線經(jīng)過透鏡將投射到透鏡的焦點——PSD的中心點上,此時PSD上的信號即為火箭彈的初始零位。火箭彈點火后,如果只作平動,則反射光將仍與入射光重合,PSD上的光點位置將不發(fā)生改變;當火箭彈發(fā)生轉(zhuǎn)動時,反射光不能與入射光重合,也不再與前一時刻的反射光平行,最終投射到透鏡焦平面上的點也不會與前一時刻相同,只能投射到PSD的其他位置。這樣,經(jīng)PSD信號處理器和采集設備就記錄下火箭彈的一個發(fā)生偏轉(zhuǎn)后的信號。

圖1 測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagrain of measuring system

PSD是一種利用PN結(jié)橫向光電效應的傳感器,能檢測入射光點的照射位置,分一維PSD和二維PSD,本實驗系統(tǒng)選用的是二維形式,可同時檢測火箭彈的俯仰和方向擾動角[3]。為了簡化實驗數(shù)據(jù)的后處理,本系統(tǒng)在實驗前用高精度經(jīng)緯儀代替火箭彈對PSD進行標定,把經(jīng)緯儀的角度變化與PSD輸出的電信號對應起來。這樣在實驗后就能從PSD輸出的信號上直接得到火箭彈的擾動角。

圖1中,電渦流式位移傳感器用來測量發(fā)射筒口的振動位移,結(jié)合發(fā)射筒轉(zhuǎn)動中心和電渦流傳感器的位置坐標,就可以計算出發(fā)射筒的角位移。當火箭彈經(jīng)過時會激起階躍信號,根據(jù)2組光電接收裝置的位置和其產(chǎn)生的階躍信號的時間差可以估算出火箭離筒的平均速度。

本實驗用的信號采集設備共有8個通道,其中1和2通道為PSD傳送的火箭方向和俯仰擾動角信號;3和4通道為電渦流傳感器傳送的定向管管口縱向和橫向位移信號;5和6通道為光電接收器傳送的火箭出筒時間信號;7通道為火箭彈點火信號,也是本實驗中數(shù)據(jù)采集的觸發(fā)信號;8通道為備用通道。采集設備的最高采樣頻率在瞬態(tài)采樣時可達3 MHz,連續(xù)采樣時可達100 kHz。由于火箭從點火到離筒的時間間隔很短,為了獲得足夠多的數(shù)據(jù),采樣頻率設置不能太低,本文實驗測試中的采樣頻率為200 kHz。從PSD、電渦流傳感器、光電接收器和控制點火裝置傳送過來的模擬電壓信號經(jīng)采集設備的放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、地址編碼后變?yōu)閿?shù)字信號,再經(jīng)1394接口傳輸至計算機,進行數(shù)據(jù)的存儲和后處理。采用1394接口的優(yōu)點是傳送速度快、穩(wěn)定、不漏碼,能夠?qū)崿F(xiàn)邊采樣、邊傳送、邊存儲、邊顯示的長時間連續(xù)記錄功能。

3 某火箭彈初始擾動的實驗測量

實驗用火箭彈及其發(fā)射管如圖2所示。火箭彈帶尾翼,為三定心部結(jié)構,定心部直徑為54 mm,全彈長440 mm,質(zhì)量為3.135 kg,一、二定心部距離160mm,二、三定心部距150 mm;發(fā)射筒總長614 mm,內(nèi)徑54.3mm,外徑67.8 mm,質(zhì)量為6.68 kg。

圖2 火箭彈及發(fā)射管Fig.2 Rocket and transmitting tube

發(fā)射實驗中,同時測量得到了火箭彈的離筒時間約0.073 13 s,離筒速度約25.8 m/s,據(jù)此可推算出火箭推力約在0～0.072 s內(nèi)從0上升(線性)到2 141 N。經(jīng)過對PSD輸出信號的處理,得到火箭彈在發(fā)射過程中的俯仰擾動角和方向擾動角隨時間的變化曲線,如圖3所示。

文獻[4]、[5]中提出了2種利用發(fā)射筒的振動估算火箭初始擾動的方法。本文利用文獻[5]的估算方法,把測得的發(fā)射筒振動結(jié)果代入動力學方程組中,計算出火箭彈的擾動情況,其結(jié)果如圖3所示?？梢?計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合得較好。通過二者的相互驗證,可以認為本實驗系統(tǒng)測得的結(jié)果是合理可信的,文獻[5]中提出的估算方法是可行的。

圖3 俯仰和方向擾動角隨時間的變化曲線Fig.3 Curves of longitudinal and transversal deflection angles vs time

4 測量系統(tǒng)誤差分析

本測量系統(tǒng)中,量程主要與從火箭彈到平行光管的光程、反射鏡和分束鏡的面積大小、平行光管透鏡的口徑以及PSD的面積等因素有關,測角的靈敏度主要由透鏡的焦距和PSD的分辨率決定。光點在PSD上的移動量u與火箭彈擾動角φ的關系為

式中 f為鏡頭焦距。

由于實驗中測試的擾動角φ很小,可近似認為sinφ≈φ,cosφ≈1,則式(1)化為

故有火箭擾動角的微小變化Δφ與光點在PSD上的位移Δu的關系式:

系統(tǒng)中PSD的分辨率為10-6m,透鏡的焦距為0.5 m,故擾動角的分辨率可達2×10-6rad。綜合考慮系統(tǒng)受各種干擾噪聲的影響,整個系統(tǒng)的測量精度會有所降低。經(jīng)過對系統(tǒng)標定后,最終的測量誤差小于2×10-5rad。

5 結(jié)論

實驗系統(tǒng)的測量結(jié)果是合理可信的,與其他初始擾動測試系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)的主要優(yōu)點有:

(1)運用了平行光管,PSD只記錄火箭彈的偏轉(zhuǎn)角度,火箭彈的平移在PSD上不會有反應,從而使數(shù)據(jù)的后處理更簡單方便,減小了數(shù)據(jù)后處理過程中引起的誤差;

(2)由于入射光與火箭彈發(fā)射方向重合,所以火箭彈上的反射鏡可做得很小,這樣對火箭彈的動態(tài)特性的影響就很小,使實驗與實際火箭發(fā)射條件更接近;

(3)由于PSD位置分辨率可達10-6m,響應時間可達0.8μs,所以可獲得很高的測量精度;

(4)激光傳播速度快,測量結(jié)果相對于被測物理量的滯后可忽略,能夠保證瞬態(tài)變化的同步測量;

(5)實驗成本低,可操作性強,一次實驗除了火箭本身外,只損失一塊彈前反射鏡片。

[1] 姚昌仁,宋廷倫.火箭彈發(fā)射動力學[M].北京:北京理工大學出版社,1996.

[2] 芮筱亭,等.多管火箭發(fā)射動力學仿真與試驗測試方法[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003.

[3] 霍震,唐詩才.位置敏感光電探測器[J].半導體光電,1998,19(1):60-66.

[4] 陳陣,畢世華,高波.用定向管的振動估算火箭彈初始擾動[J].北京理工大學學報,2004,24(1):23-26.

[5] Chen Zhen,Bi Shi-hua.Estimation of initial disturbances for rockets based on interactions of rockets and directional tubes[J].Journal of BeiJing Institute of Technology,2006,15(1):9-12.