限幅振蕩的引信氣流諧振壓電發(fā)電機

雷軍命，李新文，朱雅鵬，孔令利，孫誠誠 (， )

0 引言

氣流諧振壓電發(fā)電機為引信用物理電源的一種，用壓電振子替代了射流發(fā)電機的磁電轉(zhuǎn)換機構(gòu)[1-3]。文獻[4]提出引信微環(huán)音振蕩壓電發(fā)電機，是利用彈丸飛行過程中迎面氣流激勵噴注管內(nèi)壓電晶體產(chǎn)生電能的壓電發(fā)電機。文獻[1]和文獻[4]在本質(zhì)上都是一種將彈丸飛行中的氣流通過環(huán)音振蕩器，使得壓電振子在諧振點附近連續(xù)振動，由正壓電效應(yīng)，壓電振子輸出電能，而壓電電振子在諧振狀態(tài)時具有較高的壓電轉(zhuǎn)換效率，使得該電源能滿足低功耗引信電路的全彈道供電，同時可提供基于環(huán)境激勵的解除保險信號。文獻[5]提出了一種基于MEMS的微型氣流諧振壓電發(fā)電機，但輸出功率小。文獻[1]中的氣流諧振壓電發(fā)電機在高彈速、長時間工作時，存在壓電振子容易破裂的問題。文獻[6]提出了一種引信氣流諧振壓電發(fā)電機用焊接環(huán)形壓電振子，在一定程度上提高了復(fù)合壓電振子的強度，實驗室吹風(fēng)模擬試驗表明，在800 m/s風(fēng)速下，帶有環(huán)形壓電振子的氣流諧振壓電發(fā)電機持續(xù)工作200 s后，壓電陶瓷片沒有破裂。將試驗風(fēng)速提高到1 000 m/s風(fēng)速時，環(huán)形壓電振子就出現(xiàn)了破裂現(xiàn)象，其原因是由于壓電振子振幅過大引起的。為此，本文提出了限幅振蕩的引信氣流諧振壓電發(fā)電機。

1 氣流諧振壓電發(fā)電機

1.1 構(gòu)造和原理

氣流諧振壓電發(fā)電機由環(huán)形噴咀、氣流諧振腔和壓電振子組成[4]。如圖1所示，將壓電振子周邊固定在氣流諧振腔的底部，且使氣流諧振腔的共振頻率與壓電振子的諧振頻率接近，從壓電振子的兩極分別引出兩根引線，構(gòu)成氣流諧振壓電發(fā)電機的輸出極。彈在空中飛行時，氣流通過環(huán)形氣道，形成環(huán)形氣流沖擊氣流諧振腔頭部的環(huán)形尖劈邊緣，產(chǎn)生環(huán)音，在管口處形成聲波振動。由于聲波振動的頻率與諧振腔共振頻率相近，因此在氣流諧振腔中形成空氣介質(zhì)共振。這種介質(zhì)共振會引起諧振腔底部壓電振子產(chǎn)生相同頻率的振動，使壓電振子在諧振點附近振動。由正壓電效應(yīng)，引線兩端就會輸出交變電流，其輸出大小與彈在空氣中的飛行速度成正比。

為了提高壓電振子的強度，一般是將壓電陶瓷薄片與金屬薄片黏結(jié)在一起，比如常用的膠粘結(jié)辦法，文獻[4]提出的焊接辦法在黏結(jié)強度和機電轉(zhuǎn)換系數(shù)上要好于膠粘結(jié)的辦法，但在更高彈速時，比如122 mm遠程火箭彈上，彈速要超過1 000 m/s，且工作時間要超過200 s，文獻[4]提出的環(huán)形壓電振子在可靠性上存在一定的隱患，原因是復(fù)合壓電振子的變形過大，造成壓電陶瓷片破裂。

1.2 壓電振子振幅與彈速關(guān)系

諧振腔中介質(zhì)的振幅值與管口聲壓成正比，與短管的截面積成反比，聲波在管中的傳波為駐波形式，可由式(1)表示[7]。

(1)

式(1)中,υa為諧振腔中介質(zhì)的振幅值，Pa為管口聲壓，S1為短管的截面積，Ra為聲容，Xa為聲抗。

式(1)中的υa越大復(fù)合壓電振子的振幅越大，管口聲壓Pa隨著彈速增大而變大，由于彈丸在超音速飛行時會產(chǎn)生的激波效應(yīng)，兩者不成正比關(guān)系。因此彈速越大，復(fù)合壓電振子的振幅越大。

氣流諧振壓電發(fā)電機的復(fù)合壓電振子的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，采用周邊固定的方式。

彈丸在飛行時，氣流通過環(huán)形氣道，形成環(huán)形氣流沖擊氣流諧振腔頭部的環(huán)形尖劈邊緣，產(chǎn)生環(huán)音，在管口處形成聲波振動，并觸發(fā)諧振腔內(nèi)部的空氣進入諧振狀態(tài)，腔體底部的復(fù)合壓電振子在氣體壓力和自身彈性的作用下產(chǎn)生周期振動，且彈速越高，振幅越大。

將氣流諧振壓電發(fā)電機安裝在122 mm遠程火箭彈引信內(nèi)，設(shè)計了進氣道和出氣道，利用FLUENT流體仿真軟件計算出150 m/s和1 000 m/s彈速時諧振腔內(nèi)部的壓力云圖如圖3、圖4所示。

從圖3可以得到風(fēng)速為150 m/s時諧振腔內(nèi)部產(chǎn)生的壓力為0.95×105Pa。從圖4可以得到風(fēng)速為1 000 m/s時諧振腔內(nèi)部產(chǎn)生的壓力為6.7×105Pa，壓力分布均勻。將這兩個力作用在復(fù)合壓電振子結(jié)構(gòu)上，利用ANSYS軟件進行結(jié)構(gòu)分析和模態(tài)分析，從而得到諧振片的振幅大小。圖5為諧振片的計算網(wǎng)格圖。

計算得到風(fēng)速為150 m/s時諧振片的最大振幅接近0.2 mm，風(fēng)速為1 000 m/s時諧振片的最大振幅接近1.2 mm。

復(fù)合壓電振子的振幅主要受到壓電陶瓷片的限制，在大振幅時，陶瓷片容易破裂，試驗結(jié)果也證明了這一點。

2 限幅振蕩的引信氣流諧振壓電發(fā)電機

在諧振狀態(tài)下，壓電振子中交變的機械應(yīng)變與應(yīng)力的幅值通常要比極限許用值小得多，較大的振幅反而不利于壓電振子在諧振狀態(tài)下的正常工作[8]。因此，為了提高諧振壓電發(fā)電機的工作時間和可靠性，應(yīng)控制復(fù)合壓電振子的振幅。為了降低發(fā)電機的啟動風(fēng)速，應(yīng)減小金屬基片的厚度，易于復(fù)合壓電振子起振。

為此，提出了限幅振蕩的引信氣流諧振壓電發(fā)電機，將圖2所示復(fù)合壓電振子的金屬基片厚度減小，在前端增加一個環(huán)形墊片和一個金屬諧振片，結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。由于金屬基片厚度的減小，使得發(fā)電機的啟動變得容易，前端金屬諧振片由于沒有壓電陶瓷片的限制，從而提高了強度。當(dāng)彈丸在空中飛行時，氣流進入帶有進氣口的環(huán)形噴頭形成環(huán)形射流，環(huán)形射流撞擊諧振腔的尖劈形成聲的振蕩，只要該振蕩頻率與諧振腔的固有頻率相同，就在諧振腔中形成空氣共振，諧振腔的空氣振動激勵底部的諧振片產(chǎn)生諧振，諧振片以諧振頻率連續(xù)擊打復(fù)合壓電振子，使得復(fù)合壓電振子也以相同頻率強迫振動。

諧振片的振動幅度跟氣流大小成正比關(guān)系，環(huán)形墊片設(shè)置在諧振片和復(fù)合壓電振子之間，由于當(dāng)諧振片的振幅超過環(huán)形墊片的厚度時會擊打到復(fù)合壓電振子，損失能量，因此會對諧振片振動幅度起到限制作用，復(fù)合壓電振子也同樣，從而使氣流諧振壓電發(fā)電機能適應(yīng)更高的彈速和更長的彈道飛行時間。

3 試驗驗證

3.1 模擬高風(fēng)速長時間工作性能吹風(fēng)試驗

由于射流吹風(fēng)模擬裝置提供不了風(fēng)速為1 000 m/s、持續(xù)時間不小于200 s的試驗條件。本方案通過仿真彈丸在1 000 m/s風(fēng)速時，發(fā)電機引信進氣口處的質(zhì)量流量K，然后通過仿真計算比對得到圖7所示的管道吹風(fēng)模擬裝置圖c點處的質(zhì)量流量值為K時的管道壓力值P，管道壓力值為P時，即認為發(fā)電機在1 000 m/s風(fēng)速下工作。

圖8為氣流諧振壓電發(fā)電機在1 000 m/s風(fēng)速條件下，持續(xù)工作200 s的曲線圖。

從圖8可以看出，限幅振蕩的氣流諧振壓電發(fā)電機工作時間均大于200 s，單峰最大值分別為：92 V，均方根值為64.4 V。計算得知發(fā)電機在3 kΩ負載時，輸出功率大于1.38 W。

3.2 模擬火箭彈低速啟動存儲測試

由于火箭彈價格高，未用野戰(zhàn)火箭彈作飛行試驗，使用最高速度450 m/s的模擬火箭彈進行低速啟動試驗。試驗時發(fā)電機輸出端并接了一個3 kΩ的負載，用彈內(nèi)存儲記錄儀采集負載兩端的電壓。

試驗共射擊了5發(fā)，用雷達跟蹤彈丸飛行速度。試驗均采到了有效數(shù)據(jù)。用Matlab軟件對試驗數(shù)據(jù)進行了處理，圖9為第一發(fā)試驗數(shù)據(jù)結(jié)果圖，最高彈速為256 m/s，這是由于第一發(fā)炮管溫度低的原故。后續(xù)彈道數(shù)據(jù)和電機輸出正常，結(jié)果基本接近，圖10為典型試驗數(shù)據(jù)結(jié)果圖。

從圖9和圖10可以看出。在全彈道中，發(fā)電機輸出正常，沒有掉電現(xiàn)象；輸出電壓有效值變化與彈速變化一致，在彈道頂點時發(fā)電機輸出電壓最低；發(fā)電機頻率變化范圍較窄。從發(fā)電機輸出頻率與彈速關(guān)系來看，發(fā)電機啟振點幾乎與彈速同步，啟振瞬間發(fā)電機輸出有效值為30 V，電流10 mA。

表1為5發(fā)電機輸出功率及對應(yīng)的彈速表。由于第一發(fā)彈速不正常，對表1的試驗數(shù)據(jù)進行處理時，將第一發(fā)數(shù)據(jù)剔除。

表1中最小輸出功率為0.102 W，作統(tǒng)計，求出最小彈速時輸出功率均值為0.105 W、標(biāo)準差0.006 W，用均值減三倍標(biāo)準差，以0.99的置信度估計極限最小輸出功率，得到最小彈速時，最小輸出功率不小于0.097 W。

表1 發(fā)電機輸出功率與對應(yīng)彈速表

Tab.1 Output of the generator and the corresponding projectile speedometer

序號彈速/(m/s)最大/最小電壓有效值/V最大/最小輸出功率/W最大/最小負載/kΩ1256/11355/20.01.0/0.13332435/11652/17.50.9/0.10233442/11652/17.50.9/0.10234443/11358/17.51.1/0.10235430/11258/18.51.1/0.1143

一般電子時間引信功耗僅為 mW量級，利用發(fā)射時的火控系統(tǒng)給引信電源電容器充電即可工作，以便將火控臍纜脫開瞬間作為計時起點。發(fā)電機作為接力電源，在初始段有持續(xù)的1 W左右輸出的情況下，允許中間斷電。以上試驗數(shù)據(jù)表明，限幅振蕩的引信氣流諧振壓電發(fā)電機的最小輸出近100 mW，完全滿足電子時間引信的功耗要求。且發(fā)電機的輸出電壓較高，彈道中可以給發(fā)火電容充電到需要的啟爆電壓，無需電壓變換。

4 結(jié)論

本文提出限幅振蕩的引信氣流諧振壓電發(fā)電機。該發(fā)電機是將復(fù)合壓電振子的金屬基片厚度降低，增加了壓電陶瓷片的厚度；同時，在復(fù)合壓電振子的前端設(shè)置了一個限位用的環(huán)形墊片和金屬諧振片。用金屬諧振片來擊打復(fù)合壓電振子，環(huán)形墊片的厚度用來調(diào)整擊打復(fù)合壓電振子的振幅，從而起到限制復(fù)合壓電振子振動幅度的作用，避免了由于振幅過大壓電陶瓷片表面破裂的問題。模擬高風(fēng)速長時間工作性能吹風(fēng)試驗表明，該發(fā)電機在1 000 m/s風(fēng)速下可持續(xù)工作200 s以上未損壞，輸出功率1.38 W以上；模擬火箭彈低速啟動存儲測試表明，發(fā)電機響應(yīng)速度快，全彈道發(fā)電機輸出正常，沒有掉電現(xiàn)象；最小彈速時，最小輸出功率近100 mW。該發(fā)電機解決了氣流諧振壓電發(fā)電機在高彈速時復(fù)合壓電振子容易破裂的問題，且體積沒有增大，滿足在遠程火箭彈電子時間引信上的使用要求。

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