小量程抗高過(guò)載空投加速度記錄儀*

何志文，杜紅棉，李新娥，宓 莎，楊 帆

(1中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051;2 中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051)

0 引言

開(kāi)傘過(guò)載是降落傘的一項(xiàng)主要性能指標(biāo)。一方面將直接決定降落傘的傘衣和傘繩的安全性和使用壽命;另一方面會(huì)對(duì)空投的設(shè)備儀器的性能和空降人員的安全產(chǎn)生影響［1］。為此需要對(duì)過(guò)載值進(jìn)行測(cè)量，確保空投過(guò)程的安全。

空投過(guò)程傘彈系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)形式在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈變化，會(huì)出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象，而初始條件、系統(tǒng)參數(shù)及周圍環(huán)境因素都會(huì)對(duì)過(guò)載值產(chǎn)生影響［2］?，F(xiàn)存的測(cè)試系統(tǒng)能夠測(cè)量開(kāi)傘過(guò)程的加速度，但是難以在空投著地這一高沖擊過(guò)程存活。文中針對(duì)這一難題研制了小量程抗高過(guò)載加速度記錄儀。此系統(tǒng)可有效獲取開(kāi)傘過(guò)載信號(hào)，為降落傘的設(shè)計(jì)及空投設(shè)備性能考核提供依據(jù)。

1 過(guò)載最大值的理論推導(dǎo)

總結(jié)了一系列空投試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)［3］，可以有以下假設(shè)和推導(dǎo):

①最大開(kāi)傘動(dòng)載Fk，max為充滿瞬間傘衣阻力Qm的兩倍，即:

②充滿距離Sm與傘衣面積As的關(guān)系可表示為:

其中，常數(shù)C決定于傘型及織物透氣量。

③充氣過(guò)程中傘衣阻力系數(shù)Cs保持不變。

根據(jù)以上假設(shè)，當(dāng)物傘系統(tǒng)做垂直下降時(shí)，出現(xiàn)最大動(dòng)載瞬間的運(yùn)動(dòng)方程為:

式中:mxi為物傘系統(tǒng)質(zhì)量;Gxi為物傘系統(tǒng)重量為出現(xiàn)最大動(dòng)載時(shí)，物傘系統(tǒng)的加速度。通常＜0為減速度，用平均加速度表示，即:

式中:ka為加速度修正系數(shù);vm為充滿速度;vl為拉直速度。

式中kv為速度修正系數(shù)。整理以上式子得:

式中K決定于傘型、材料及透氣量，由試驗(yàn)確定。

一般情況下，物傘系統(tǒng)重量Gxi=Qm，故開(kāi)傘動(dòng)載最大值 Fk，max又可表示成［3］:

式中:Δ=ρ/ρ0為相對(duì)密度;vz為著陸速度。

物體所受過(guò)載的定義為物體所受慣性力與重力的比值。在計(jì)算時(shí)，運(yùn)用牛頓第二定律，將開(kāi)傘動(dòng)載Fk轉(zhuǎn)化為開(kāi)傘時(shí)加速度ak，即可求得開(kāi)傘過(guò)載nk=ak/g。因此，開(kāi)傘過(guò)載最大值可表示為:

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 記錄儀系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1)記錄儀系統(tǒng)工作原理設(shè)計(jì)

記錄儀主要由加速度傳感器、適配電路、A/D轉(zhuǎn)換器、FLASH 存儲(chǔ)器、殼體等組成［4-6］，原理框圖如圖1。

圖1 記錄儀原理框圖

加速度傳感器接收物理信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)調(diào)理電路后調(diào)整為A/D轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)的電壓信號(hào)，再由A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后存儲(chǔ)到FLASH存儲(chǔ)器中。過(guò)程中，電源控制器為系統(tǒng)供電，中心控制器負(fù)責(zé)系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)相連，通過(guò)LABVIEW軟件讀取數(shù)據(jù)。

2)記錄儀工作狀態(tài)設(shè)計(jì)

記錄儀工作狀態(tài)包括:休眠狀態(tài)、等待觸發(fā)態(tài)、采樣存儲(chǔ)態(tài)、數(shù)據(jù)保持態(tài)、讀取數(shù)據(jù)態(tài)、擦除態(tài)。圖2為系統(tǒng)的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，分別有以下6個(gè)狀態(tài):

圖2 記錄儀的工作狀態(tài)流程

①休眠狀態(tài):即低功耗狀態(tài)，電流＜10 μA。

②等待觸發(fā)態(tài):拔掉脫插件，計(jì)數(shù)器開(kāi)始工作，電路進(jìn)行1s延遲后自動(dòng)觸發(fā)。

③采樣存儲(chǔ)態(tài):電路觸發(fā)進(jìn)入采樣狀態(tài)。此時(shí)電路的地址發(fā)生器的地址不斷推進(jìn)，記錄有效信號(hào)。

④數(shù)據(jù)保持態(tài):記錄完成后，記錄儀進(jìn)入微功耗狀態(tài)，等待讀數(shù)。

⑤讀數(shù)態(tài):記錄儀通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)相連，讀取記錄儀中數(shù)據(jù)。

⑥擦除態(tài):讀出數(shù)據(jù)后，將閃存擦除進(jìn)入下一試驗(yàn)周期。

2.2 抗高過(guò)載設(shè)計(jì)

空投航彈時(shí)為保證準(zhǔn)確性，開(kāi)傘過(guò)載值通常小于20 g，因此空投開(kāi)傘過(guò)載記錄儀的量程設(shè)計(jì)為100 g即可滿足需求。當(dāng)航彈落地時(shí)，落地過(guò)載可達(dá)幾千個(gè)g。因此空投開(kāi)傘過(guò)載記錄儀的特點(diǎn)應(yīng)為小量程抗高過(guò)載。記錄儀的主要過(guò)載參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)抗過(guò)載參數(shù)

2.2.1 傳感器的選擇

考慮到系統(tǒng)對(duì)傳感器的量程、抗沖擊能力以及非線性度要求。選擇美國(guó)SILICON公司的 Model 1221x-100電容式加速度傳感器，具有精度高、噪聲特性好、漂移低、溫度敏感性小、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。能夠很好的滿足記錄儀對(duì)傳感器的參數(shù)需求，具體技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 Model 1221x-100技術(shù)指標(biāo)

2.2.2 系統(tǒng)量程設(shè)計(jì)

傳感器滿量程為4 V，偏置電壓為1 V，所以輸出電壓最大值為5 V。而A/D轉(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換電壓最大為2.5 V，因此進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器前信號(hào)幅值應(yīng)在2.5 V以內(nèi)。采用兩個(gè)10 kΩ的等值電阻進(jìn)行分壓，從而得到0～2.5 V的信號(hào)。傳感器自帶濾波器，所以信號(hào)調(diào)理電路中不需要加入濾波器，即傳感器采集回來(lái)的信號(hào)在通過(guò)分壓處理后可以直接進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器。如圖3所示。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路

2.2.3 記錄儀殼體抗沖擊能力設(shè)計(jì)

主要從殼體設(shè)計(jì)和強(qiáng)化緩沖兩個(gè)方面對(duì)記錄儀抗高過(guò)載性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該記錄儀的機(jī)械殼體內(nèi)部分為兩部分:一邊是剛性螺母固定的加速度傳感器，另一邊為測(cè)試電路和供電電池。如圖4為機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。

圖4 記錄儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

記錄儀外鋼殼為6 mm厚的特種鋼，經(jīng)過(guò)淬火和陽(yáng)極氧化處理后，機(jī)械強(qiáng)度增大，確保高沖擊后不變形。電路模塊采用高強(qiáng)度高硬度環(huán)氧樹(shù)脂真空灌封工藝，確保在高沖擊作用下，不致因灌封材料彈塑性變形拉斷板間連接線和板上焊點(diǎn)。如圖5為實(shí)物圖。

圖5 加速度記錄儀實(shí)物圖

3 試驗(yàn)

3.1 馬歇特錘沖擊試驗(yàn)

1)試驗(yàn)設(shè)備:馬歇特錘、加速度記錄儀、邏輯分析儀。

2)實(shí)驗(yàn)條件:在記錄儀正常工作情況下，用馬歇特錘對(duì)加速度記錄儀進(jìn)行強(qiáng)度為65 g、5 000 g和65 g的沖擊。

3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果:圖6為經(jīng)5 000 g加速度強(qiáng)沖擊前后，用馬歇特錘加相同加速度信號(hào)后記錄儀的輸出信號(hào)曲線。

圖6 強(qiáng)沖擊前后信號(hào)曲線

由圖發(fā)現(xiàn)，經(jīng)5 000 g加速度沖擊后，記錄儀工作正常，滿足設(shè)計(jì)需求。

3.2 火箭滑車試驗(yàn)

1)試驗(yàn)設(shè)備:加速度記錄儀、火箭滑車。火箭滑車主要包括動(dòng)力系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)控設(shè)備、滑車車體滑塊等，示意圖如圖7。

圖7 火箭滑車試驗(yàn)示意圖

2)試驗(yàn)條件:由火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)火箭橇加速到192 m/s后停止加速，隨后打開(kāi)航彈傘作為剎車裝置使滑行速度減小至90 m/s。所用航彈傘傘衣面積23 m2，傘衣阻力特征值12.65 m2。記錄儀記錄開(kāi)傘全過(guò)程的加速度。

3)試驗(yàn)結(jié)果

第一次開(kāi)傘試驗(yàn)加速度曲線如圖8。

圖8 第一次試驗(yàn)加速度曲線

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線知，火箭滑車試驗(yàn)航彈傘在11.455 s開(kāi)始充氣，11.986 s時(shí)充氣結(jié)束。開(kāi)傘過(guò)載最大值出現(xiàn)在充氣結(jié)束點(diǎn)，過(guò)載值為4.645 g。

第二次開(kāi)傘試驗(yàn)加速度曲線如圖9。

圖9 第二次試驗(yàn)加速度曲線

由圖9可知火箭滑車試驗(yàn)航彈傘在11.572 s開(kāi)始充氣，在12.270 s充氣結(jié)束。開(kāi)傘最大過(guò)載值為4.252 g。

發(fā)現(xiàn)兩次開(kāi)傘試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)重復(fù)性較好，曲線在充氣過(guò)程急速上升，下降過(guò)程成指數(shù)下降，這與Qm和vm成正比相符合。按照理論公式(8)，可以計(jì)算出開(kāi)傘理論過(guò)載值應(yīng)為4.591 g。與第一發(fā)數(shù)據(jù)相差0.054 g，與第二發(fā)數(shù)據(jù)相差 0.393 g，經(jīng)多次驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)值誤差在8%范圍內(nèi)。證明該記錄儀可以用于空投過(guò)程的過(guò)載測(cè)量。

4 結(jié)論

文中主要從傳感器選擇、系統(tǒng)測(cè)量范圍設(shè)計(jì)、殼體抗沖擊力設(shè)計(jì)3個(gè)方面加強(qiáng)了記錄儀的抗過(guò)載性能。經(jīng)過(guò)馬歇特錘沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的抗沖擊能力在5 000 g以上，能夠很好的滿足空投中的高過(guò)載需求。最后驗(yàn)證系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度，經(jīng)火箭滑車模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)記錄儀能夠滿足系統(tǒng)精確度需求，所以該記錄儀可以用于空投測(cè)試。

［1］《降落傘技術(shù)導(dǎo)論》編寫(xiě)組.降落傘技術(shù)導(dǎo)論［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1977.

［2］余莉，明曉，胡斌.降落傘開(kāi)傘過(guò)程的試驗(yàn)研［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，38(2):176-180.

［3］王利榮.降落傘理論與應(yīng)用［M］.北京:宇航出版社，1997.

［4］張文棟.存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論及其應(yīng)用［M］.北京:高等教育出版社，2002.

［5］朱仕永，祖靜，范錦彪.基于CPLD的彈載加速度存儲(chǔ)測(cè)試儀［J］.探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2009，31(3):42-45.

［6］文豐，任勇峰，王強(qiáng).高沖擊隨彈測(cè)試固態(tài)記錄器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.爆炸與沖擊，2009，29(2):221-224.