小型電爆閥中火工品輸出壓力測(cè)試方法研究

陳 棟，鄧?yán)ば?，?佳，徐 勇，梁 浩

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小型電爆閥中火工品輸出壓力測(cè)試方法研究

陳 棟，鄧?yán)ば悖?佳，徐 勇，梁 浩

（中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽(yáng)，621999）

根據(jù)小型電爆閥中火工品輸出壓力測(cè)試需求，設(shè)計(jì)了測(cè)壓系統(tǒng)。針對(duì)測(cè)壓系統(tǒng)存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)不足的問(wèn)題，采用動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)及動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法，改善了測(cè)壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)滿(mǎn)足要求，可滿(mǎn)足小型電爆閥中火工品輸出壓力測(cè)試需要。

電爆閥；輸出壓力測(cè)試；動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

電爆閥利用火工品輸出高壓燃?xì)庾鳛閯?dòng)力源完成閥門(mén)啟閉功能，因其高可靠性、小體積、長(zhǎng)時(shí)貯存穩(wěn)定性等特點(diǎn)，在航空航天、國(guó)防和工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在電爆閥研制中亟需準(zhǔn)確獲得火工品輸出壓力數(shù)據(jù)，然而小型電爆閥閥體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸小，火工品輸出燃?xì)鈮毫Ψ逯蹈撸〝?shù)百M(fèi)Pa）且上升時(shí)間快（約數(shù)十μs），同時(shí)電爆閥動(dòng)作歷時(shí)短（約數(shù)百μs）且伴隨瞬時(shí)高溫和加速度沖擊，給火工品輸出壓力準(zhǔn)確測(cè)試帶來(lái)挑戰(zhàn)[1]。本文開(kāi)展小型電爆閥中火工品輸出壓力測(cè)試方法研究，為其研制提供支撐。

1 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到火工品在電爆閥中爆燃輸出壓力分布不均勻，并且電爆閥做功壓力主要為運(yùn)動(dòng)部件頂端壓力，目前，比較可行的是采用側(cè)壁引壓測(cè)試方式，即在電爆閥閥體側(cè)壁補(bǔ)加工引壓管道進(jìn)行測(cè)試，并以該測(cè)試結(jié)果作為運(yùn)動(dòng)部件頂端壓力的近似。側(cè)壁引壓測(cè)試結(jié)果與運(yùn)動(dòng)部件頂端壓力的近似程度一方面可通過(guò)運(yùn)動(dòng)部件VISAR測(cè)速結(jié)果驗(yàn)證，另一方面可借助于電爆閥動(dòng)作過(guò)程數(shù)值模型進(jìn)行分析[2]。

電爆閥中火工品輸出壓力測(cè)試系統(tǒng)主要由電爆閥試驗(yàn)件（含火工品）、試驗(yàn)夾具、動(dòng)壓傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集儀等組成，如圖1所示。動(dòng)壓傳感器及相關(guān)設(shè)備性能參數(shù)見(jiàn)表1。圖1中，試驗(yàn)夾具用于實(shí)現(xiàn)動(dòng)壓傳感器與電爆閥試驗(yàn)件的裝配，保證測(cè)試過(guò)程中動(dòng)壓的密封；電爆閥試驗(yàn)件上補(bǔ)加工引壓管道，引壓管道的加入使得電爆閥中火工品輸出壓力測(cè)試成為可能，但是增大了火工品作用時(shí)的自由容腔。為了減小其引入的測(cè)試誤差，要求引壓管道直徑盡可能小，而小直徑引壓管道由于固有頻率低，會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性大大降低。

圖1 電爆閥中火工品輸出壓力測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 動(dòng)壓測(cè)試系統(tǒng)各組件及主要技術(shù)指標(biāo)

Tab.1 Main parameters of pressure testing system components

動(dòng)壓傳感器安裝之后，引壓管道的固有頻率0為[3]：

式（1）中：為引壓管道中介質(zhì)聲速；為引壓管道的截面積，即=π12/4，1為引壓管道直徑；為引壓管道的長(zhǎng)度；V為引壓管道的有效容積，即V=+/2，其中為引壓管道末端與傳感器承壓端面形成的空腔容積。

根據(jù)電爆閥試驗(yàn)件閥體結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計(jì)引壓管道直徑1為1.5mm，引壓管道長(zhǎng)度約2.7mm，空腔容積為10mm3。考慮引壓管道中為空氣介質(zhì)，根據(jù)式（1）計(jì)算得到引壓管道的固有頻率約12.4kHz。

2 測(cè)試系統(tǒng)建模

電爆閥中火工品輸出壓力信號(hào)具有上升時(shí)間短、壓力峰值高的特點(diǎn)，要求測(cè)試系統(tǒng)的工作頻帶寬、響應(yīng)速度快。然而，引壓管道的加入大大限制了測(cè)試系統(tǒng)的頻響。為了保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，確定是否滿(mǎn)足測(cè)試需求。

2.1 動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)

采用激波管對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，激波管可產(chǎn)生較為理想的階躍壓力，壓力幅度范圍寬，頻率范圍廣（最高~2.5MHz）[4]。考慮到引壓管道對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)頻響的限制，動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)時(shí)，根據(jù)電爆閥試驗(yàn)件上引壓管道的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)引壓管道模擬件，將該模擬件與動(dòng)壓傳感器裝配后形成測(cè)壓組件后進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)，數(shù)據(jù)采樣率設(shè)置為5MHz，校準(zhǔn)壓力盡可能大，以提高輸出信號(hào)信噪比。

2.2 建立數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型能簡(jiǎn)明、準(zhǔn)確地描述測(cè)試系統(tǒng)的主要特性。本文選用輸出誤差模型（OE）對(duì)測(cè)壓組件進(jìn)行建模：

通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化、濾波及降采樣率處理，經(jīng)計(jì)算得到離散傳遞函數(shù)為：

在階躍信號(hào)作用下，傳遞函數(shù)響應(yīng)值與被校件激波管校準(zhǔn)響應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖2。

由圖2可以看出，模型計(jì)算結(jié)果與動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合，模型的損失函數(shù)為0.005，零極點(diǎn)全部位于單位圓內(nèi)，說(shuō)明模型系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

基于上述模型進(jìn)一步計(jì)算得到其幅頻特性曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3。由圖3可知，幅頻特性曲線(xiàn)中峰值對(duì)應(yīng)的諧振頻率為7.28×104rad/s（約11.6kHz），與計(jì)算的理論固有頻率12.4kHz較為接近。幅值誤差為±5%的工作頻帶為2.38×104rad/s（約3.8kHz），幅值誤差為±10%的工作頻帶為3.08×104rad/s（約4.9kHz）。

圖3 由模型計(jì)算的幅頻特性

2.3 模型補(bǔ)償校正

對(duì)測(cè)壓組件離散傳遞函數(shù)的極點(diǎn)進(jìn)行分析，響應(yīng)時(shí)間最大達(dá)到約1.1ms，而電爆閥測(cè)速結(jié)果表明其運(yùn)動(dòng)部件至停位時(shí)間約100μs、火工品在定容腔（容積同電爆閥中運(yùn)動(dòng)部件停位后最大容積）中輸出壓力上升時(shí)間約30μs，以測(cè)壓組件的響應(yīng)時(shí)間不大于10μs為補(bǔ)償校正目標(biāo)基本可滿(mǎn)足火工品輸出壓力準(zhǔn)確測(cè)試的要求。由于傳遞函數(shù)的極點(diǎn)分布與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能密切相關(guān)，采用零極點(diǎn)相消方法設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償濾波器，消除不符合要求的極點(diǎn)，可改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能[5]。根據(jù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償濾波器的設(shè)計(jì)原理，通過(guò)多次調(diào)整阻尼比與響應(yīng)時(shí)間的值，得到較為理想的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償濾波器的傳遞函數(shù)為：

式（3）與式（4）相乘即可得到補(bǔ)償后等效系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，補(bǔ)償前后的幅頻特性曲線(xiàn)見(jiàn)圖4，補(bǔ)償前后階躍響應(yīng)曲線(xiàn)的對(duì)比見(jiàn)圖5。

補(bǔ)償后，系統(tǒng)階躍響應(yīng)的超調(diào)量及響應(yīng)時(shí)間均大幅減小。其中，超調(diào)量從補(bǔ)償前的約43%降低到補(bǔ)償后的約2%，響應(yīng)時(shí)間從補(bǔ)償前接近ms量級(jí)降低至10μs以?xún)?nèi)。由補(bǔ)償前后的幅頻特性曲線(xiàn)可知，補(bǔ)償后系統(tǒng)的幅值曲線(xiàn)變得平坦，幅值誤差為±5%的工作頻帶由2.38×104rad/s（約3.8kHz）提高到2.28×105rad/s（約36kHz），幅值誤差為±10%的工作頻帶由3.08×104rad/s（約4.9kHz）提高到約2.82×105rad/s（約45kHz）。

圖5 補(bǔ)償前后測(cè)壓組件的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

對(duì)電爆閥中火工品實(shí)測(cè)壓力歷程數(shù)據(jù)用式（4）描述的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償濾波器進(jìn)行補(bǔ)償校正。補(bǔ)償前后的壓力曲線(xiàn)對(duì)比見(jiàn)圖6。由圖6可知，補(bǔ)償修正后，實(shí)測(cè)壓力最大值有所減小，由補(bǔ)償前的238MPa減小到約190MPa。

圖6 實(shí)測(cè)壓力曲線(xiàn)修正前后對(duì)比

4 結(jié)論

（1）小型電爆閥中火工品輸出壓力測(cè)試系統(tǒng)中的引壓管道會(huì)大幅降低整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，為減小應(yīng)用時(shí)的動(dòng)態(tài)測(cè)試誤差，需對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)特別是引壓管道連同動(dòng)壓傳感器部分的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行校準(zhǔn)，分析其動(dòng)態(tài)特性并進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能補(bǔ)償。

（2）測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能補(bǔ)償前后的結(jié)果表明，本文采用的動(dòng)態(tài)性能補(bǔ)償方法可以拓展整個(gè)系統(tǒng)的工作頻帶，提高小型電爆閥中火工品輸出壓力測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

[1] A.Dibbern,W.Spipes,M.Hagopian. Implications of dynamic pressure transducer mounting variations on measurements in pyrotechnic test apparatus[C]//45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit,2009.

[2] J M.Tafoya,J I.Tafoya,M A.Inbody.Pyrovalve function testing using gas gun actuation[C]//43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2007.

[3] Todd E.Rosenberger, Joseph W. Colburn, Carl R. Ruth. Pressure transducer performance and measurement trade-offs in a transient, high temperature, combustion environment[R]. ARL-TR-914, 1995

[4] 孔德仁. 兵器動(dòng)態(tài)參量測(cè)試技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社, 2013.

[5] 黃俊欽.測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 2013.

Research on Deflagrable Gas Output Pressure Testing Method for Small Explosively Actuated Valve

CHEN Dong，DENG Kun-xiu，LI Jia，XU Yong，LIANG Hao

（Institute of System Engineering, CAEP, Mianyang, 621999）

According to the pressure testing requirements of the small explosively actuated valve, deflagrable gas output pressure testing system was designed. To solving the insufficient dynamic response of the system, dynamic calibration experiments were carried out and the dynamic compensation method was adopted. The results show that the dynamic properties of the pressure testing system are good, thereby, the system can fulfill the pressure testing requirements of the explosively actuated valve.

Explosively actuated valve；Deflagrable gas output pressure testing；Dynamic compensation

TJ450.6

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.06.012

1003-1480（2017）06-0045-04

2017-08-30

陳棟（1986 -），男，工程師，主要從事電爆閥設(shè)計(jì)及研究。