模擬空投發(fā)射架動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)量測(cè)試方法

王毅，張榮閣

(昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心計(jì)量站，云南昆明650051)

0 引言

空投魚雷是魚雷的一個(gè)類別，它是由飛機(jī)攜帶投放用于攻擊潛艇或水面艦艇的魚雷。在空投魚雷的外場(chǎng)試驗(yàn)中，船載空投魚雷模擬發(fā)射裝置可以模擬直升飛機(jī)或固定翼飛機(jī)發(fā)射的環(huán)境條件。船載的發(fā)射架為垂直于發(fā)射甲板的門形架，在兩個(gè)門形架上部安裝有用于前飛模擬或懸停模擬的可運(yùn)動(dòng)的魚雷掛架車，發(fā)射裝置通過(guò)提升裝置安裝在掛架上。模擬發(fā)射架可以實(shí)現(xiàn)懸停發(fā)射、變角發(fā)射和帶速模擬發(fā)射等多種空投發(fā)射的試驗(yàn)。在上述發(fā)射試驗(yàn)中涉及到的主要參數(shù)包括:掛架運(yùn)行速度、掛架發(fā)射懸停高度、掛架發(fā)射前飛投放平飛時(shí)間、變角發(fā)射角度等。與主要參數(shù)相關(guān)的輔助發(fā)射參數(shù)包括:發(fā)射氣瓶工作壓力、發(fā)射償壓、載雷車剎車時(shí)間、載雷車帶雷運(yùn)行加速度、剎車力等。

在空投魚雷試驗(yàn)過(guò)程中，投放位置環(huán)境因素對(duì)魚雷有重要影響。比如:船載發(fā)射架的隨機(jī)擺動(dòng)而產(chǎn)生的投放點(diǎn)三維動(dòng)態(tài)偏移及加速度、發(fā)射氣瓶產(chǎn)生的對(duì)載雷車的沖擊、載雷車投放魚雷時(shí)的速度方向、投放點(diǎn)周邊的風(fēng)力等。此類參數(shù)是試驗(yàn)結(jié)果分析的重要支持?jǐn)?shù)據(jù)，有必要進(jìn)行測(cè)試、校準(zhǔn)，為試驗(yàn)提供完整的試驗(yàn)環(huán)境動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

由于空投魚雷在試驗(yàn)前的靜態(tài)測(cè)試和試驗(yàn)后對(duì)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集無(wú)法對(duì)各種試驗(yàn)參數(shù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性進(jìn)行描述，無(wú)法為試驗(yàn)過(guò)程及空投魚雷在空中彈道初始時(shí)刻的動(dòng)態(tài)參數(shù)提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析。而空投魚雷在空中彈道起始時(shí)刻的技術(shù)參數(shù)恰恰是影響其魚雷空中飛行姿態(tài)的最重要數(shù)據(jù)，也是影響空投試驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵。因此，對(duì)空投模擬發(fā)射裝置的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件在發(fā)射時(shí)的動(dòng)態(tài)參數(shù)的計(jì)量測(cè)試和校準(zhǔn)是非常重要的。

1 發(fā)射架結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)模型分析

1.1 發(fā)射架、載雷車掛架結(jié)構(gòu)原理

魚雷高空投放模擬裝置(綜合發(fā)射船)包括:雙體船、測(cè)控系統(tǒng)、水聲測(cè)量校準(zhǔn)裝置、懸停模擬裝置、專用發(fā)射裝置、發(fā)射架、前飛模擬發(fā)射裝置等組成。前飛發(fā)射裝置集成了載雷車和掛架，被安放在雙體船的門形發(fā)射架上，懸停發(fā)射裝置安裝在船尾架體中部，位置如圖1所示。

圖1 模擬發(fā)射裝置示意圖

加速裝置用于投雷裝置的加速，以模擬直升機(jī)前飛狀態(tài)投雷。由于帶有空投附件(降落傘等)的魚雷不能直接進(jìn)行管裝發(fā)射，因此，作為該加速裝置驅(qū)動(dòng)的高壓空氣不直接作用在魚雷上，而是作用在掛有空投魚雷的載雷車上。載雷車達(dá)到預(yù)定速度后，釋放空投魚雷。載雷車運(yùn)動(dòng)相關(guān)部件包括滾輪、車架、軌道和活動(dòng)氣缸等，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 載雷車掛架結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 運(yùn)動(dòng)分析

通過(guò)對(duì)空投魚雷發(fā)射架及掛架的運(yùn)動(dòng)部件和固定部件的分析研究，根據(jù)其運(yùn)動(dòng)原理，確定各結(jié)構(gòu)部件對(duì)運(yùn)動(dòng)性能的影響，建立運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，解析從加速、勻速到減速過(guò)程的特征點(diǎn)，為傳感器選型參數(shù)提供數(shù)據(jù)支持。從分析數(shù)據(jù)得出懸停狀態(tài)、前飛狀態(tài)及變角狀態(tài)等投放模式下的掛架動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量方法。

在試驗(yàn)起動(dòng)時(shí)刻，魚雷掛車從氣動(dòng)沖擊得到前行動(dòng)力，魚雷及掛架處于加速運(yùn)行狀態(tài)。在加速運(yùn)行后，轉(zhuǎn)變成短暫的勻速巡行，此時(shí)，釋放魚雷。此后，掛架小車在液壓剎車系統(tǒng)作用下開始剎車，最后停止。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)加速時(shí)間T1，勻速運(yùn)行時(shí)間T2，減速運(yùn)行時(shí)間T3，勻速時(shí)速度Vs。其理想運(yùn)行速度變化曲線如圖3。

圖3 載雷車掛架運(yùn)行速度變化曲線

事實(shí)上，在試驗(yàn)開始時(shí)，由于高壓氣瓶的沖擊作用，發(fā)射架上的導(dǎo)向軌道必將產(chǎn)生振動(dòng)。載雷車運(yùn)動(dòng)時(shí)，也一定會(huì)受到發(fā)射架軌道振動(dòng)復(fù)雜噪聲的影響。因此，在釋放魚雷時(shí)，魚雷的姿態(tài)也必將受到影響。而具體影響的量化指標(biāo)補(bǔ)償，將可以在以下幾方面的數(shù)據(jù)分析中得到，即:①載雷車運(yùn)行速度、加速度測(cè)試數(shù)據(jù);②發(fā)射架軌道三維振動(dòng)沖擊測(cè)試數(shù)據(jù);③發(fā)射架軌道傾角檢測(cè)數(shù)據(jù)。在變角投放魚雷時(shí)，最重要的參數(shù)是變角角度。變角角度的靜態(tài)測(cè)量和校準(zhǔn)是必須的，但發(fā)射狀態(tài)為動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此，需要根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量的船體及發(fā)射架傾角姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行修正校準(zhǔn)。

懸停投放時(shí)，投放架位置的三維姿態(tài)參數(shù)也是投放參數(shù)的重要校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

2 工作原理與技術(shù)指標(biāo)

2.1 工作原理

1)前飛速度測(cè)量原理

光電編碼器是一種常用的精確測(cè)速傳感器，根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式、絕對(duì)式以及混合式三種。本方案采用增量式編碼器對(duì)掛車前飛運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

將增量式旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在魚雷掛車的滾輪上，編碼器固定采用抗震抗沖擊處理，結(jié)構(gòu)見圖4。編碼器聯(lián)軸器安裝在隨滾輪旋轉(zhuǎn)的同步傳動(dòng)架反向軸上，在掛車運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾輪軸固定編碼器不旋轉(zhuǎn)只作水平運(yùn)動(dòng)，同步傳動(dòng)架隨滾輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，將滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度信息傳遞給編碼器，編碼器檢測(cè)到信號(hào)并由編碼器組件內(nèi)的電路、軟件進(jìn)行處理并保存。

圖4 編碼器安裝結(jié)構(gòu)

魚雷掛車前進(jìn)速度計(jì)算方法:設(shè)滾輪半徑R，滾輪周長(zhǎng)C=2πR，轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)為n，移動(dòng)時(shí)間為t時(shí)，水平速度V=n·C/t。

編碼器分辨力為Pn=2000 p/r(即每圈2000個(gè)脈沖)時(shí)，根據(jù)在一定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的脈沖數(shù)，就可以計(jì)算出魚雷掛車前進(jìn)的速度。

設(shè)旋轉(zhuǎn)編碼器響應(yīng)頻率:100 KHz，上升/下降時(shí)間:100 ns，系統(tǒng)采樣頻率設(shè)定為1 MHz，即可滿足波形采樣的完整性。在實(shí)際數(shù)據(jù)分析時(shí)，采樣間隔取0.1 ms，即10000點(diǎn)/秒，可以繪制出速度變化曲線并滿足測(cè)量精度與數(shù)據(jù)分析的要求。

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集檢測(cè)電路以單片機(jī)為控制核心，旋轉(zhuǎn)編碼器配置信號(hào)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)保存芯片、時(shí)鐘、現(xiàn)場(chǎng)電源等部件，組成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與數(shù)據(jù)采集組件，用以檢測(cè)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖并計(jì)算滾輪轉(zhuǎn)速和魚雷掛車的運(yùn)行速度。試驗(yàn)后，現(xiàn)場(chǎng)傳感器組件采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)RS485數(shù)據(jù)接口傳送到主機(jī)，用以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2)沖擊振動(dòng)測(cè)量原理

系統(tǒng)采用軸加速度傳感器進(jìn)行沖擊振動(dòng)測(cè)量。由于發(fā)射過(guò)程是以高壓氣瓶的氣動(dòng)力為發(fā)射動(dòng)力，由此而產(chǎn)生的對(duì)發(fā)射架和魚雷掛車軌道的沖擊和振動(dòng)也是不可避免的。而魚雷掛車和固定在發(fā)射架上的結(jié)構(gòu)部件位于發(fā)射架頂部，也將產(chǎn)生瞬時(shí)多維擺動(dòng)。因此，將沖擊測(cè)量傳感器安裝在發(fā)射機(jī)頂部軌道初始段位置，可以準(zhǔn)確測(cè)量沖擊的影響。由于該安裝位置在非運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)架上，因此，可以用屏蔽電纜將傳感器連接的放大器信號(hào)引出到船上工作臺(tái)位置，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。工作原理見圖5。

圖5 沖擊測(cè)量原理

3)姿態(tài)傾角測(cè)量原理

X-Y軸傾角傳感器安裝在掛架小車導(dǎo)軌平面上，安裝方式如圖6。在導(dǎo)軌所在水平面上，當(dāng)發(fā)射時(shí)產(chǎn)生沖擊或振動(dòng)導(dǎo)致該平面傾斜時(shí)，傾角數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)控主機(jī)并保存。傾角傳感器測(cè)量的X-Y軸傾角數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器的RS485接口通過(guò)屏蔽電纜傳送到監(jiān)控主機(jī)。

圖6 傾角傳感器安裝方式

4)采樣初始點(diǎn)同步原理

系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)分離式和在線檢測(cè)式綜合數(shù)據(jù)采集模式。用旋轉(zhuǎn)編碼器組件對(duì)魚雷掛車的速度數(shù)據(jù)采集為現(xiàn)場(chǎng)分離式采集方式。因測(cè)速傳感器需要隨載體高速運(yùn)動(dòng)，因此，不適宜采用長(zhǎng)距離的通訊線路。采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存在測(cè)速組件的存儲(chǔ)器內(nèi)，試驗(yàn)進(jìn)行后，從其通訊接口讀出。沖擊和傾角數(shù)據(jù)采集為在線檢測(cè)方式。上述兩種方式數(shù)據(jù)采集存在的問(wèn)題是起始時(shí)間的統(tǒng)一模式。

由于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)是從高壓氣瓶的開啟而起動(dòng)的，無(wú)論是傾角數(shù)據(jù)的變化、沖擊數(shù)據(jù)的變化還是掛車的水平運(yùn)動(dòng)，起始信號(hào)都是高壓氣瓶的沖擊推力。因此，在離線的旋轉(zhuǎn)編碼器組件內(nèi)集成一個(gè)水平方向的加速度傳感器并配置信號(hào)放大器，將起始沖擊信號(hào)設(shè)定閾值，作為速度采集的起始點(diǎn)時(shí)間。該沖擊信號(hào)值與三軸加速度傳感器的X軸(水平橫向)信號(hào)相一致，從而使系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集起始時(shí)刻相一致。

圖7 采樣初始點(diǎn)同步原理

2.2 技術(shù)指標(biāo)

最大速度測(cè)量誤差:(40±0.025)m/s;

投放高度測(cè)量補(bǔ)償誤差:±0.1 m;

前飛投放平飛有效采樣時(shí)間:0～5 s;

載雷車加速距離:(3±0.1)m;

發(fā)射架穩(wěn)定參數(shù)測(cè)量誤差:橫搖、縱搖≤±0.01°;

系統(tǒng)采樣頻率:1 MHz。

3 數(shù)據(jù)采集與分析

3.1 數(shù)據(jù)分析軟件

完成測(cè)試及數(shù)據(jù)采集后，數(shù)據(jù)分析軟件將得出以下分析數(shù)據(jù):①魚雷及掛車的運(yùn)行加速度、速度、加速運(yùn)行距離、勻速運(yùn)行距離、投雷點(diǎn)相對(duì)位置;②掛雷車軌道沖擊振動(dòng)三維數(shù)據(jù)分析曲線;③水平導(dǎo)軌動(dòng)態(tài)傾角變化分析曲線、投雷點(diǎn)垂直面位移數(shù)據(jù)。

根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，采用VC++實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、整理和保存。在離線數(shù)據(jù)分析階段采用Matlab數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行。從空投試驗(yàn)開始到魚雷投放結(jié)束，系統(tǒng)采樣時(shí)間小于2 s，并且采樣環(huán)境存在沖擊和振動(dòng)等干擾，因此，各個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)不可避免地存在數(shù)據(jù)噪聲和奇異點(diǎn)等特征。Matlab軟件提供了大量的數(shù)據(jù)處理函數(shù)可以有效地解決上述問(wèn)題，為試驗(yàn)結(jié)果提供合理有效、準(zhǔn)確的分析數(shù)據(jù)。例如，在旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)掛車水平前飛速度采集時(shí)，由于導(dǎo)軌的沖擊和振動(dòng)，編碼器輸出的計(jì)數(shù)信號(hào)有可能出現(xiàn)較大的波動(dòng)。Matlab中提供了快速實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)式擬合的方法polyfit()函數(shù)。該多項(xiàng)式擬合的目的是使整體的擬合誤差達(dá)到最小。假設(shè)在某一數(shù)據(jù)段的1 ms內(nèi)采集11個(gè)數(shù)據(jù)，x表示時(shí)間采樣點(diǎn)，y表示速度采樣值。為了用polyfit，我們必須給函數(shù)賦予數(shù)據(jù)和我們希望最佳擬合數(shù)據(jù)的多項(xiàng)式的階次。如果我們選擇n=1作為階次，得到最簡(jiǎn)單的線性近似。通常稱為線性回歸。相反，如果我們選擇n=2作為階次，得到一個(gè)2階多項(xiàng)式?，F(xiàn)在，我們選擇一個(gè)3階多項(xiàng)式。Matlab代碼和運(yùn)行結(jié)果如下:

由圖8可以看出在速度采樣值波動(dòng)較大時(shí)，經(jīng)過(guò)曲線擬合處理，可以有效獲得準(zhǔn)確的采樣分析數(shù)據(jù)。

圖8 速度波形擬合

3.2 速度采集誤差分析

影響魚雷掛車水平運(yùn)動(dòng)速度、加速度檢測(cè)精度的原因主要有滾輪抖動(dòng)誤差、脈沖采集誤差和安裝同軸誤差。

1)滾輪抖動(dòng)誤差

滾輪抖動(dòng)誤差主要是由于運(yùn)行軌道的沖擊、振動(dòng)而導(dǎo)致的滾輪摩擦力的動(dòng)態(tài)變化。傳導(dǎo)至編碼器，使輸出信號(hào)周期與相位改變?？梢圆捎锚?dú)立的隨掛車在軌道上運(yùn)動(dòng)的防震防滑滾輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而消除或降低誤差。

在實(shí)際數(shù)據(jù)分析時(shí)，可以根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力、滾輪實(shí)時(shí)速度和運(yùn)行距離計(jì)算的脈沖數(shù)對(duì)實(shí)時(shí)采樣丟失數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合補(bǔ)償。

在實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)情況下，假設(shè)滾輪周長(zhǎng)500 mm，水平運(yùn)行距離20 m，時(shí)間為1 s，則滾輪轉(zhuǎn)速40 r/s，速度波動(dòng)范圍是(40±1)r/s，最大與最小相差為2 r/s。穩(wěn)速誤差為

式中:k為增量編碼器旋轉(zhuǎn)一周輸出的信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)。編碼器精度k=2000時(shí)，δ1=3.24″。

2)脈沖采集誤差

脈沖采集誤差是由于編碼器輸出信號(hào)頻率過(guò)高而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣速率較低造成數(shù)據(jù)采集誤差。系統(tǒng)采樣頻率為1 MHz時(shí)，對(duì)編碼器輸出信號(hào)進(jìn)行采集時(shí)，可能造成Δχ=1/1000000的采樣誤差。

當(dāng)速度為40 r/s時(shí)，誤差取得最大值為

3)安裝同軸誤差

通過(guò)剛性聯(lián)軸節(jié)將編碼器與滾輪連接，聯(lián)軸節(jié)安裝誤差是支架設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)限定。其誤差最大為δ3=±2"。

4)誤差合成

滾輪抖動(dòng)誤差、脈沖采集誤差和安裝同軸誤差是獨(dú)立存在的誤差。因此，系統(tǒng)總的誤差為

在速度波動(dòng)范圍是(40±1)r/s時(shí)，系統(tǒng)測(cè)量誤差為6.43″，完全可以滿足使用要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)空投模擬魚雷發(fā)射架結(jié)構(gòu)及掛架運(yùn)動(dòng)模型的研究、對(duì)空投魚雷模擬試驗(yàn)發(fā)射過(guò)程的環(huán)境數(shù)據(jù)采集方法的研究、對(duì)數(shù)據(jù)采集傳感器的適應(yīng)性研究，配置了高精度、高可靠性、高穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)檢測(cè)元件和設(shè)備，采用現(xiàn)場(chǎng)分離部件同步采樣、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和集成式數(shù)據(jù)采集分析技術(shù)，設(shè)計(jì)了空投魚雷發(fā)射掛架動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。從而提高靶場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和權(quán)威性。同時(shí)，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，為各試驗(yàn)參試單位和部門提供科學(xué)、完善的數(shù)據(jù)分析環(huán)境，提高我國(guó)水中兵器湖上試驗(yàn)水平，加快空投魚雷的研制和試驗(yàn)進(jìn)程。

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