某彈載電子設(shè)備質(zhì)量、質(zhì)心和質(zhì)偏設(shè)計(jì)

陳福林

(中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所， 四川 成都 610036)

某彈載電子設(shè)備質(zhì)量、質(zhì)心和質(zhì)偏設(shè)計(jì)

陳福林

(中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所， 四川 成都 610036)

質(zhì)量特性參數(shù)是直接影響導(dǎo)彈飛行軌跡和飛行姿態(tài)的重要參數(shù)，決定了導(dǎo)彈精確打擊目標(biāo)的成敗。安裝在導(dǎo)彈內(nèi)部的各彈載電子設(shè)備的質(zhì)量特性參數(shù)直接影響整彈的質(zhì)量特性參數(shù)。因此對彈載電子設(shè)備的質(zhì)量、質(zhì)心和質(zhì)偏等質(zhì)量特性參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)是非常重要且必需的。文章從前期方案入手，通過功能模塊合理劃分，材料合理選用，質(zhì)量、質(zhì)心分配，線纜走向要求等闡述了某彈載電子設(shè)備質(zhì)量、質(zhì)心和質(zhì)偏的設(shè)計(jì)過程。

彈載；電子設(shè)備；質(zhì)量；質(zhì)心；質(zhì)偏

引 言

子母彈是當(dāng)今各國發(fā)展的重點(diǎn)，越來越引起各國軍方的廣泛關(guān)注。作為某子母彈的子彈的重要組成部分，該電子設(shè)備安裝于子彈彈體內(nèi)部，其質(zhì)量、質(zhì)心和質(zhì)偏直接影響到子彈的質(zhì)量、質(zhì)心和質(zhì)偏。以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)是前期設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留配重空間，根據(jù)測試結(jié)果再進(jìn)行配重，從而達(dá)到總體要求。但該電子設(shè)備受彈體空間的限制和自身功能的影響，結(jié)構(gòu)已非常緊湊[1]，無法預(yù)留太多的配重區(qū)域供后期測試配重，因此對前期的方案設(shè)計(jì)提出了很大的挑戰(zhàn)。各功能模塊如何劃分，材料如何選擇，質(zhì)量、質(zhì)心分配，內(nèi)部連接線纜的走向等，都是該設(shè)備質(zhì)量、質(zhì)心和質(zhì)偏設(shè)計(jì)時(shí)有待一一解決的難題。

針對以上提出的諸多問題，本文以設(shè)計(jì)方案為切入點(diǎn)，對功能模塊的劃分，質(zhì)量、質(zhì)心分配，線纜走向及材料選擇都做了嚴(yán)格的規(guī)定。同時(shí)運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件和高精度質(zhì)量、質(zhì)心和質(zhì)偏測試儀，輔以合理的測試工裝設(shè)計(jì)等[2]，對某彈載電子設(shè)備質(zhì)量、質(zhì)心和質(zhì)偏的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

1 設(shè)備質(zhì)量特性指標(biāo)

該彈載電子設(shè)備的主要質(zhì)量特性包括質(zhì)量m=(2±0.1) kg，質(zhì)心Xc≤115 mm(沿天線端面向終端方向)，質(zhì)偏≤0.3 mm。設(shè)備質(zhì)量含對外連接的線纜和接插件，質(zhì)心及質(zhì)偏不含對外連接的線纜和接插件。設(shè)備質(zhì)心、質(zhì)偏要求見圖1。

2 設(shè)備組成及功能模塊劃分

根據(jù)設(shè)備的功能特性，充分考慮其維修性、互換性等諸多因素；結(jié)合設(shè)備所處的安裝環(huán)境，同時(shí)兼顧協(xié)同化設(shè)計(jì)要求，對該設(shè)備進(jìn)行模塊化[3]設(shè)計(jì)勢在必行。從設(shè)備的功能及簡化內(nèi)部線纜連接入手，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和線纜可靠連接的前提下，將設(shè)備功能模塊劃分為天線單元、收發(fā)信道模塊、頻率合成器單元、終端單元和電源模塊。該設(shè)備的功能模塊劃分框圖和功能模塊在設(shè)備中的布局如圖2、圖3所示。

圖2 設(shè)備功能模塊劃分框圖

圖3 功能模塊在設(shè)備中的布局

3 材料選擇及線纜走向

從該彈載設(shè)備的質(zhì)量特性要求可知，質(zhì)心位置靠近天線單元端。根據(jù)各功能模塊的布局特點(diǎn)，結(jié)合各功能模塊自身的功能特性，如散熱、抗沖振、內(nèi)部無封裝器件的防護(hù)等[4]，同時(shí)考慮設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性，特別是所處的力學(xué)環(huán)境，前期方案對各功能模塊的接口要素、材料及內(nèi)部線纜走向作了嚴(yán)格的規(guī)定。各功能模塊的材料選擇及材料特性[5]如表1所示。

表1 功能模塊結(jié)構(gòu)件材料及材料屬性

眾所周知，各功能模塊為實(shí)現(xiàn)自身的功能，相互間必然存在線纜連接。線纜走向直接影響設(shè)備的質(zhì)量特性，特別是對質(zhì)偏的影響很大。因此在設(shè)計(jì)之初需對設(shè)備內(nèi)部線纜的連接方式及線纜的型號等有所要求，再輔以合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定線纜的走向，并在合適的位置對線纜進(jìn)行加固處理，既使每套設(shè)備的線纜走向保持一致，又滿足設(shè)備各項(xiàng)力學(xué)試驗(yàn)的要求。

通過線纜的長度、接插件的型號等能準(zhǔn)確地確定線纜的質(zhì)量。按質(zhì)量均勻分布原則對線纜附加質(zhì)量屬性，方便在三維軟件和計(jì)算中對各功能模塊的質(zhì)量特性進(jìn)行分配。

4 質(zhì)量、質(zhì)心分配

為實(shí)現(xiàn)整機(jī)質(zhì)量特性指標(biāo)要求，對各功能模塊質(zhì)量、質(zhì)心進(jìn)行合理分配尤為重要。合理的質(zhì)量特性分配既是滿足總體指標(biāo)要求的重要保證，又是降低設(shè)計(jì)加工成本的有力保障。根據(jù)設(shè)備質(zhì)量特性指標(biāo)的要求，按公式(1)[5]將質(zhì)心分配到X軸、Y軸和Z軸上。再將分配到X軸、Y軸和Z軸上的質(zhì)心分別分配給各功能模塊，從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、質(zhì)心的合理分配。分配結(jié)果如表2所示。

(1)

式中：Pi為各質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量；xi、yi、zi為各質(zhì)點(diǎn)在相應(yīng)軸上的坐標(biāo)。

表2 質(zhì)量、質(zhì)心分配表

由圖1可知，設(shè)備基本為一圓錐形結(jié)構(gòu)。為方便設(shè)計(jì)和計(jì)算仿真，表2中各功能模塊的質(zhì)心坐標(biāo)值均是如下方式定義的坐標(biāo)系內(nèi)的值：坐標(biāo)原點(diǎn)選擇各模塊圓錐大端的圓心，X軸正向?yàn)閳A錐的軸線指向圓錐小端，Y軸正向?yàn)榇怪庇诎雸A錐面指向功能模塊，Z軸根據(jù)右手法則確定。坐標(biāo)系定義如圖4所示。

圖4 功能模塊坐標(biāo)系定義

5 質(zhì)量、質(zhì)心和質(zhì)偏設(shè)計(jì)仿真

根據(jù)各功能模塊質(zhì)量特性的分配結(jié)果，按各模塊的實(shí)際外形尺寸和所分得的質(zhì)量、質(zhì)心參數(shù)，在UG軟件中建立三維實(shí)體模型，并對實(shí)體模型附加相應(yīng)的屬性，最后組裝在一起，通過軟件功能進(jìn)行仿真以驗(yàn)證上述分配結(jié)果是否滿足要求。實(shí)體模型及仿真結(jié)果如圖5所示。三維仿真模型中去掉了對外連接的線纜和接插件，模擬了內(nèi)部各功能模塊連接線纜的走向。

圖5 設(shè)備實(shí)體模型及質(zhì)量、質(zhì)心和質(zhì)偏仿真結(jié)果

依據(jù)圖5中的仿真結(jié)果，仿真質(zhì)量為1.955 kg，稱出對外連接的線纜和接插件的質(zhì)量為0.087 kg，則設(shè)備質(zhì)量為2.042 kg，滿足質(zhì)量(2±0.1) kg的要求。質(zhì)心位置為X=165.186 mm、Y=0.219 mm、Z=0.153 mm。得出X軸向質(zhì)心位置Xc=104.814 mm，質(zhì)偏為0.267 mm，滿足質(zhì)心、質(zhì)偏的要求。

6 測試驗(yàn)證

各功能模塊驗(yàn)收完成后再完成整機(jī)的鉗電裝，待整機(jī)調(diào)試完成后再進(jìn)行質(zhì)量特性參數(shù)的測試。由于整機(jī)調(diào)試時(shí)需焊接好對外連接的線纜和接插件，這無形中給測試增加了很大的難度。測試時(shí)外接電纜如何固定、如何扣除其質(zhì)量對整機(jī)質(zhì)量特性的影響以及保證每套設(shè)備測試的一致性是有待解決的難題。

針對上述因外接電纜引入測試難度的問題，根據(jù)設(shè)備外形安裝的特性，結(jié)合質(zhì)量、質(zhì)心測試儀器安裝接口，需設(shè)計(jì)出既滿足外接電纜的固定要求又具備設(shè)備與質(zhì)量、質(zhì)心測試儀器因形狀不同的有效過渡的測試工裝。

測試工裝設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足正確安裝設(shè)備和適合測試儀器的前提下，還需設(shè)計(jì)一個(gè)固定外接線纜的裝置，使各套設(shè)備在測試時(shí)外接電纜都保持一致，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的質(zhì)心、質(zhì)偏進(jìn)行精確測試。圖6為外接電纜固定在工裝上的示意圖。

圖6 測試工裝示意圖

為扣除外接電纜對設(shè)備測試值的影響，在設(shè)計(jì)工裝時(shí)同時(shí)按真實(shí)外接電纜1:1制作了測試電纜(圖6)，其走向盡量模擬電纜真實(shí)的走線路徑。在工裝的質(zhì)量、質(zhì)心和質(zhì)偏測試值中已含測試電纜(即設(shè)備外接電纜)，因此將設(shè)備裝入工裝后的測試值扣除工裝的測試值即得出設(shè)備的質(zhì)量特性值(不含設(shè)備外接電纜)。圖7為設(shè)備帶測試工裝的示意圖。

圖7 設(shè)備帶測試工裝示意圖

通過上述方案分別測試出工裝的質(zhì)量、質(zhì)心和質(zhì)偏值，再測試出設(shè)備帶工裝的質(zhì)量、質(zhì)心和質(zhì)偏值。再通過公式(1)計(jì)算得出設(shè)備的質(zhì)量、質(zhì)心和質(zhì)偏值(已扣除外接線纜)。

目前，質(zhì)心靜態(tài)測量方法主要有機(jī)械稱重定位法、多點(diǎn)支撐稱重法、不平衡力矩法[6]。本設(shè)備選用多點(diǎn)支撐稱重法進(jìn)行測量，測出工裝的質(zhì)量、質(zhì)心和質(zhì)偏為：質(zhì)量1.785 kg；質(zhì)心120.588 mm；質(zhì)偏9.65 mm，偏角為43°(從Ⅰ象限到Ⅳ象限的順序)。測出設(shè)備帶工裝的質(zhì)量、質(zhì)心和質(zhì)偏為：質(zhì)量3.707 kg；質(zhì)心145.873 mm；質(zhì)偏4.75 mm，偏角為43°。

按公式(1)計(jì)算出設(shè)備的質(zhì)心Xc=104.644 mm，滿足不大于115 mm的要求。

質(zhì)偏的計(jì)算需按平行四邊形法則先將測試工裝和設(shè)備帶工裝的質(zhì)偏分解到象限軸上，疊加后得出設(shè)備在象限軸上的值，再按平行四邊形法則將其合成，從而得出設(shè)備的質(zhì)偏。

按公式(1)計(jì)算出該彈載設(shè)備分解到Y(jié)軸上的質(zhì)偏值為0.136 mm，分解到Z軸上的質(zhì)偏值為0.146 mm，則質(zhì)偏為0.199 5 mm。

設(shè)備質(zhì)量m=2.009 kg，質(zhì)心Xc=104.644 mm，質(zhì)偏為0.199 5 mm，滿足總體下達(dá)的質(zhì)量特性指標(biāo)。

對比質(zhì)量、質(zhì)心和質(zhì)偏的測試計(jì)算值和質(zhì)量、質(zhì)心分配后的仿真值，結(jié)果基本一致，從而證實(shí)了設(shè)備質(zhì)量、質(zhì)心和質(zhì)偏設(shè)計(jì)和各功能模塊質(zhì)量特性分配的合理性。

7 結(jié)束語

文中通過功能模塊合理劃分，材料合理選用，質(zhì)量、質(zhì)心分配，線纜走向要求等闡述了某彈載電子設(shè)備質(zhì)量、質(zhì)心和質(zhì)偏的設(shè)計(jì)過程。對比理論計(jì)算、計(jì)算機(jī)軟件仿真及實(shí)際測試驗(yàn)證的結(jié)果表明，該設(shè)備的質(zhì)量、質(zhì)心和質(zhì)偏設(shè)計(jì)合理，滿足總體的質(zhì)量特性要求。

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陳福林(1974-)，男，工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Design of Mass, Centroid and Centroidal Deviation for a Missile-borne Electronic Equipment

CHEN Fu-lin

(The10thResearchInstituteofCETC,Chengdu610036,China)

Mass parameters are important factors directly influencing the flight track and attitude of missiles, and thus determine whether the missiles can realize precision strike successfully. The mass parameters of the whole missile are directly dependent on the mass parameters of various electronic equipment installed inside the missiles. Therefore, it is very important and indispensable to design the mass, centroid and centroidal deviation for the missile-borne equipment. This paper illustrates the design process of the mass, centroid and centroidal deviation for a missile-borne equipment through modular function reasonable division, material reasonable selection, mass and centroid allotment, and cable alignment request.

missile-borne; electronic equipment; mass; centroid; centroid deviation

2015-10-19

V214；V243

A

1008-5300(2015)06-0029-04