懸掛發(fā)射裝置彈射力的光學(xué)測量方法

高慧杰，張 建，周志衛(wèi)，盛德兵

早期的懸掛發(fā)射裝置受載機(jī)及武器的應(yīng)用范圍和技術(shù)限制，基本采用機(jī)械傳動釋放或電磁作動釋放來實(shí)現(xiàn)懸掛物與載機(jī)分離，這種懸掛物分離方法顯然不會對作戰(zhàn)飛機(jī)產(chǎn)生反向作用力［1］。

第二次世界大戰(zhàn)后期，隨著噴氣式飛機(jī)的出現(xiàn)，飛機(jī)的飛行速度得到大幅提高，氣動干擾對自由投放武器的分離影響日趨嚴(yán)重，采用重力投放的懸掛物在氣流作用下無法安全地穿越飛機(jī)紊流層，難以實(shí)現(xiàn)安全分離和正確的武器發(fā)射。為確保武器能快速安全地穿越載機(jī)紊流場，使武器保持應(yīng)有的打擊精度，必須使懸掛物有足夠的分離速度來克服氣流的干擾，由此，彈射投放分離方式應(yīng)運(yùn)而生［2］。具有彈射投放功能的懸掛裝置在投放時對懸掛物施加一定的推力，可大幅度提高分離速度。

彈射力的大小對于彈射效果的影響也十分關(guān)鍵，并不是越大越好。一方面，當(dāng)彈射力過大時，武器過載大，可能超出武器應(yīng)用要求;另一方面，彈射力也會對作戰(zhàn)飛機(jī)產(chǎn)生一定的反向作用力，這種反作用力過大則可能對載機(jī)產(chǎn)生不利影響。因此，彈射力是彈射型懸掛裝置的重要指標(biāo)之一［2-4］，一般由主機(jī)給出上限要求。而如何測量彈射力的大小就變得十分重要。

就彈射力的測量而言，盡管采用空中實(shí)測法目前在技術(shù)上是可行的，但考慮到測量的經(jīng)濟(jì)性，目前仍較多地采用在地面使用電測法進(jìn)行測量，同時忽略了空中空氣流場對彈射力的影響。該方法是通過在懸掛裝置的彈射筒與懸掛物之間安裝力傳感器，采集隨彈射力變化的信號，再送往信號調(diào)理放大器，最后由數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行采集和分析處理［5］。由于懸掛裝置一般有前后2個彈射筒，通常均需要采用上述方法得到前后2點(diǎn)的彈射力，再把這2點(diǎn)的合力作為整個懸掛裝置的彈射力，如圖1所示。

但該測量方式存在如下局限性:

1)測量系統(tǒng)具有較大的不確定度。測量系統(tǒng)精度取決于壓力傳感器安裝位置、壓力傳感器自身精度和靈敏度漂移、電荷放大器準(zhǔn)確度、數(shù)據(jù)采集儀的采樣頻率和精度等，上述每一個環(huán)節(jié)都會造成測量誤差，使得系統(tǒng)不確定度增大。

圖1 電測法測量懸掛發(fā)射裝置彈射力示意圖

2)壓力傳感器的安裝不便，測量的重復(fù)性差。由于每次測量均需要重新對準(zhǔn)安裝位置，且安裝方法沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有些還需要對懸掛物進(jìn)行改造才能安裝，甚至一些特殊產(chǎn)品無法安裝壓力傳感器。

3)測出的前后點(diǎn)壓力不能等效懸掛發(fā)射裝置對懸掛物的作用力。如圖2所示，這種方法僅僅是測出了垂直于懸掛物上表面方向的兩點(diǎn)分力，而且沒有考慮兩點(diǎn)作用所產(chǎn)生的懸掛物旋轉(zhuǎn)和滾轉(zhuǎn)帶來的影響。

圖2 前后點(diǎn)壓力不能等效懸掛發(fā)射裝置對懸掛物的作用力

4)不能測量多個方向的彈射力。對于一些彈射要求在彈射過程中除了在鉛垂方向(Y向)外，在懸掛物航向(X向)也有作用力(如圖3所示)的情況，該方法無法測量彈射力在航向上的分力。

圖3 在航行方向上需要彈射力的彈射裝置示意圖

1 懸掛發(fā)射裝置彈射力光學(xué)測量方法

懸掛發(fā)射裝置彈射力的光學(xué)測量方法是一種基于高速攝影和運(yùn)動分析技術(shù)的測量技術(shù)［9］，它利用軌跡捕捉系統(tǒng)對懸掛物分離全過程進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，并通過相關(guān)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)計算［6-7，10］，最終得出懸掛發(fā)射裝置對懸掛物的彈射力。

1.1 高速攝影及軌跡捕捉系統(tǒng)組成

高速攝影及軌跡捕捉系統(tǒng)是利用攝影手段對被測對象進(jìn)行連續(xù)高速拍攝，并據(jù)此進(jìn)行軌跡捕捉和運(yùn)動參數(shù)分析的專用設(shè)備。其基本組成為高速攝影機(jī)及其附件、控制分析計算機(jī)和軌跡捕捉系統(tǒng)軟件。

1)高速攝影機(jī)及其附件。高速攝影機(jī)用于將研究對象以一連串圖像的方式連續(xù)記錄下來，并將其存貯在內(nèi)部存貯器中。高速攝影機(jī)的附件包括鏡頭、接線盒、燈具等，在拍攝時起輔助作用。

2)控制和分析計算機(jī)。該計算機(jī)用于控制數(shù)字式高速攝影機(jī)設(shè)定拍攝參數(shù)，并完成拍攝，圖像下載、傳輸和轉(zhuǎn)換。同時，該計算機(jī)還可完成被測對象的運(yùn)動參數(shù)分析。

3)軌跡捕捉系統(tǒng)軟件。該軟件根據(jù)高速攝影機(jī)的拍攝結(jié)果，利用圖像分析技術(shù)得到圖像上運(yùn)動目標(biāo)的運(yùn)動參數(shù)，這些參數(shù)包括時間、線位移、角位移、線速度、角速度、線加速度、角加速度等。

1.2 懸掛發(fā)射裝置彈射力光學(xué)測量方法的基本原理

由以上分析可知，利用高速攝影系統(tǒng)和分析軟件可以捕捉到懸掛物的運(yùn)動軌跡，并分析得到其分離過程中的位移曲線s(t)、線速度曲線v(t)和線加速度曲線a(t)。因此可以通過經(jīng)典力學(xué)公式F=ma計算出懸掛物分離過程所受到的外界合力F(t)H。現(xiàn)在對分離過程中的懸掛受力情況進(jìn)行分析，如圖4所示。

由上述分析可以得出:

光測法測得的彈射力為懸掛物前后彈射力的合力F(t)=F(t)前+F(t)后，根據(jù)流體力學(xué)中空氣阻力計算公式可以推出:

式中:m為懸掛物的質(zhì)量;a(t)為懸掛物的加速度;g為重力加速度;u(t)為重力影響因子，在無約束彈射投放分離過程中重力影響因子為1.0;C為空氣阻力系數(shù)，通常情況下垂直面空氣阻力系數(shù)為1.0，球面為0.5;ρ為空氣密度，在絕對標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)下為1.293 kg/m3;S為懸掛物迎風(fēng)面積;v(t)為懸掛物的運(yùn)動速度。

基于上述計算公式，通過高速圖像捕獲和分析，可以計算出懸掛物加速度和運(yùn)動速度等相關(guān)參數(shù)，從而計算出整個懸掛物分離時的受力。

圖4 懸掛物分離過程受力分析

2 光測法和電測法測量結(jié)果的比較

以某型導(dǎo)彈發(fā)射裝置懸掛某型圓柱體模擬懸掛物進(jìn)行多約束彈射投放為例，進(jìn)行彈射力光測法與電測法的對比測試，并對結(jié)果進(jìn)行分析。其中采用電測法時采樣率為2 k/s，采用光測法時采樣率為1 k/s。

2.1 原始測量結(jié)果的比較

本次對比測試的試驗(yàn)條件為:在環(huán)境溫度為20℃的條件下，給導(dǎo)彈發(fā)射裝置充入20 MPa氮?dú)膺M(jìn)行地面彈射投放。分別用光測法和電測法測量3次彈射力，其對比曲線如圖5所示，其測量結(jié)果的彈射力峰值對比見表1。

由圖4可以看出，2種方法測量結(jié)果曲線的吻合度很高，但光測法得到的彈射力最大值比電測法得到的彈射力最大值稍有滯后。這可能是由于我們選用的懸掛物屬于細(xì)長型，自身振幅比較大，所以光測法的測量結(jié)果受到了懸掛物固有頻率的影響［8］(如圖6所示)，但這并不影響分析懸掛物彈射力分布趨勢以及最大值的正確獲取。

圖5 某型發(fā)射架在20 MPa壓力時光測法與電測法彈射力曲線對比

表1 20 MPa光測法與電測法彈射力最大值對比

圖6 懸掛物分離自振示意圖

在相同條件下，提高彈射能源壓力至28 MPa，又進(jìn)行了3次彈射力測量，其對比曲線見圖7，得到了與上述試驗(yàn)一致的測量對比結(jié)果，如表2所示。

圖7 28 MPa光測法與電測法彈射力曲線對比

表2 28 MPa光測法與電測法彈射力最大值對比

通過以上數(shù)據(jù)對比，可以說明用光測法進(jìn)行懸掛發(fā)射裝置彈射力測量是有效可行的，但是還有許多因素需要考慮和驗(yàn)證。

2.2 空氣阻力的影響

已知圓柱體懸掛物直徑Ф=0.2 m，長度a=3.5 m，質(zhì)量m=205 kg，所以懸掛物迎風(fēng)面積S=Ф×a。并假設(shè)空氣阻力系數(shù)為0.8，空氣密度為1.205 kg/m3(通過空氣密度換算公式ρ=1.293×可以計算出空氣密度，其中P為實(shí)際大氣壓，P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，T為絕對溫度273.15℃，t為實(shí)際溫度，通常20℃標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣密度為1.205 kg/m3)。

通過空氣阻力公式可以計算出該圓柱體懸掛物在分離過程中受到的阻力曲線，如圖8所示。

圖8 某型懸掛物的空氣阻力曲線

由圖8可以看出，該懸掛物所受到的空氣阻力最大值不足0.02 kN。

2.3 重力的影響

不同的懸掛發(fā)射裝置對懸掛物的約束方式是不同的，對于無約束的彈射力投放方式來說，重力影響因子為1.0。而此次對比試驗(yàn)采用的投放方式為多約束彈射投放，在分離過程中，當(dāng)懸掛物運(yùn)動速度大于懸掛裝置發(fā)射臂張開的速度時，等效重力就會受到發(fā)射臂的拉力影響，所以可以假設(shè)分離過程中最大重力影響因子u(t)=0.5，從而計算出懸掛物所受到的等效最大重力G(t)=mgu(t)=1.0 kN。根據(jù)之前推導(dǎo)出的式(2)，將懸掛物受到的空氣阻力和重力計算結(jié)果補(bǔ)償?shù)綇椛淞Φ暮狭η€中，得到結(jié)果如圖9所示。

圖9 光測法對比曲線

圖9中，彈射力最大值相差僅為2.9%。由于目前還沒有一種方法能準(zhǔn)確地得到有約束下重力影響因子隨時間變化的曲線，所以在光測法計算合力時空氣阻力和有約束投放下的重力影響是可以忽略不計的。同時，這種光學(xué)測量方法僅是在地面試驗(yàn)中進(jìn)行，如果在空中真實(shí)的氣流場中應(yīng)用還有待考究。

3 光測法的優(yōu)、缺點(diǎn)分析

在懸掛發(fā)射裝置地面試驗(yàn)彈射力測量中采用光測法的優(yōu)點(diǎn):①測量過程簡便，測量重復(fù)性好，不受傳感器安裝等操作問題的困擾;② 測量系統(tǒng)環(huán)節(jié)少，誤差小，精度高，可運(yùn)用亞像素級軌跡捕捉系統(tǒng)對懸掛物的分離過程進(jìn)行分析;③不受測量方向的限制，可測量任意方向的彈射力;④無需額外測量設(shè)備，可與彈射分離速度、分離位移等參數(shù)一并測量分析;⑤相對于電測法而言，測量結(jié)果受硬件影響比較小，并且可以通過提高拍攝水平和分析能力可減小誤差。

雖然擁有以上優(yōu)點(diǎn)，但是這種方法還是存在一些不足:在有約束彈射投放過程中，重力影響因子還有待進(jìn)一步確定;測量結(jié)果可能受到懸掛物模態(tài)的影響。

4 結(jié)論

1)懸掛發(fā)射裝置光學(xué)測量方法是通過測量懸掛物運(yùn)動參數(shù)利用經(jīng)典力學(xué)原理反推得到的，它在理論上和實(shí)際應(yīng)用上是可行的，其測量精度和可靠性方面均可以達(dá)到要求。

2)反復(fù)實(shí)踐和對比測試證明，這種方法具有較高的可實(shí)施性和重復(fù)性，可測量任意方向、角度的彈射力，能彌補(bǔ)電測法的不足。

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