飛機(jī)外掛物投放風(fēng)洞試驗(yàn)控制及測量系統(tǒng)

張玉龍ZHANG Yu-long；舒鳳金SHU Feng-jin；張世芳ZHANG Shi-fang；趙樹朋ZHAO Shu-peng；袁永偉YUAN Yong-wei；張潤森ZHANG Run-sen；賈亞雷JIA Ya-lei

（①河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院車輛工程系，保定 071000；②保定凱博瑞機(jī)械制造有限公司，保定 071000）

0 引言

時(shí)代的發(fā)展對飛機(jī)的各項(xiàng)功能的優(yōu)化起到了重要的推動(dòng)作用，在技術(shù)支撐下當(dāng)代飛機(jī)基本已經(jīng)具備續(xù)航、高速傳輸?shù)裙δ?。為了進(jìn)一步發(fā)揮飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性就需要對飛機(jī)的掛載、氣動(dòng)外形等進(jìn)行優(yōu)化。例如在飛機(jī)掛載上增強(qiáng)了外掛物種類與數(shù)量。為進(jìn)一步提高飛機(jī)隱藏特性，減少摩擦阻力、提升飛機(jī)的續(xù)航性能，內(nèi)嵌一些外掛物從而實(shí)現(xiàn)投放環(huán)節(jié)中機(jī)艙門打開后快速進(jìn)行彈射發(fā)射，這些技術(shù)已經(jīng)在海外很多先進(jìn)的飛機(jī)上獲得了運(yùn)用，它一般以液壓機(jī)或氣動(dòng)為動(dòng)力裝置，依靠精密的內(nèi)嵌投放設(shè)備實(shí)現(xiàn)安全投放目的。伴隨著試驗(yàn)的需求提升不斷提升，投放試驗(yàn)要求也在不斷增長，例如外掛物內(nèi)嵌投放安全隱患。傳統(tǒng)式自由的投放和高速攝影g已難以適應(yīng)任務(wù)要求，亟需引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)，如精準(zhǔn)時(shí)序控制，高速攝影及其當(dāng)代檢測方式完成多通道投放精準(zhǔn)管理與運(yùn)動(dòng)軌跡判斷剖析及其內(nèi)嵌外掛物助推可控性等。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 全面的總體設(shè)計(jì)方案

這個(gè)系統(tǒng)主要包括六個(gè)部分，即工控機(jī)、電子計(jì)數(shù)器主控板、投放控制回路、助推控制回路、拍攝系統(tǒng)及檢測裝置。該系統(tǒng)選用工控電腦與電子計(jì)數(shù)器主控板作為控制中心，當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備就緒時(shí)，依據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)并依據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的順序開啟電子計(jì)數(shù)器主控板相應(yīng)端口的計(jì)數(shù)器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，給外場操縱主控板及電源電路設(shè)定輸入條件，從而引起外掛軟件物投放，推動(dòng)力開啟，監(jiān)控?cái)z像頭工作中等多種事情按設(shè)置時(shí)鐘頻率開展，保證了外掛物投放試驗(yàn)的取得成功。推動(dòng)力檢測裝置接受觸發(fā)信號(hào)并同步收集投放開始同步采集。（圖1）

圖1 投放控制及測量系統(tǒng)框圖

1.2 系統(tǒng)配置及功能

1.2.1 投放控制板卡

多通道投放控制的核心內(nèi)容是進(jìn)行時(shí)序控制，以避免每一個(gè)投放目標(biāo)間互相影響，進(jìn)而影響投放安全性或無法達(dá)到預(yù)期的投放目標(biāo)。該網(wǎng)站以NI記時(shí)/電子計(jì)數(shù)器主控芯片PCI6602為時(shí)序控制的核心部分，這樣可以通過對原頻率進(jìn)行系統(tǒng)篩選，從而為時(shí)序的高可控性奠定基礎(chǔ)。電子計(jì)數(shù)器主控板：NIPCI6602在時(shí)序控制中處在核心地位，它性能優(yōu)劣影響控制系統(tǒng)精密度指標(biāo)。這類主控板有如下幾個(gè)指標(biāo)：一是不得超過應(yīng)用8路32位電子計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器；二是有100kHz、20MHz、80MHz三種源頻率供選擇（帶預(yù)定標(biāo)器能高達(dá)125MHz）；帶短時(shí)間脈沖干擾數(shù)字的防抖動(dòng)過濾；三是專用數(shù)字I/O線。這種計(jì)數(shù)器能夠帶來單脈沖、單觸發(fā)脈沖、矩形脈沖和其它各種方法的脈沖。它是以源輸出功率作為時(shí)間基準(zhǔn)，脈沖時(shí)間延遲與脈沖寬度由源信號(hào)頻率輸入周期數(shù)確定，它的可操控時(shí)間精度達(dá)分秒量級(jí)，并且8路記時(shí)器是相對獨(dú)立的，能夠同步運(yùn)行。它所產(chǎn)生的單脈沖既可以直接打開繼電器輸出主控芯片又可以直接用以拍照同步打開及檢測系統(tǒng)的觸發(fā)信號(hào)，定時(shí)精度高。

繼電器輸出板PCLD-885：因準(zhǔn)時(shí)/記數(shù)器板數(shù)字I/O服務(wù)器端口TTL差分信號(hào)導(dǎo)出來，這樣無法使驅(qū)動(dòng)力充分地發(fā)揮出來，這也會(huì)導(dǎo)致各個(gè)控制回來的控制效果不佳。記數(shù)器主控芯片與待測設(shè)備間提升了中間控制模塊的運(yùn)行效率，可將電磁閥導(dǎo)出主控芯片，通過它對于外置電源電源電路進(jìn)行高效控制。這種主控芯片是16路陣式單擲（SPST）常開式（NO）電磁閥的主控芯片，觸點(diǎn)容量是5A/250VAC或者5A/30VDC。且板內(nèi)有繼電器動(dòng)作指示和變阻器保護(hù)，用螺釘相連的方式聯(lián)接內(nèi)外線，方便，安全性能高，能夠滿足投放實(shí)驗(yàn)操作中各種電源控制要求。

1.2.2 投放控制電路

投放控制電路需要與外掛物投放自動(dòng)控制系統(tǒng)匹配運(yùn)用。外掛物跟子機(jī)設(shè)備連接方式一般有三種：第一種是用康銅絲連接，外掛物的重量超過額定標(biāo)準(zhǔn)，需要適當(dāng)采用掛鉤，在投放環(huán)節(jié)上融斷康銅絲以達(dá)到外掛物的釋放；另一種是由高壓空氣促進(jìn)作動(dòng)筒移動(dòng)光纖激光切割數(shù)字模型進(jìn)行掛線的方法；有磁性的繼電器在投放前吸在一起，在投放環(huán)節(jié)上關(guān)閉電源。此設(shè)備依據(jù)融斷康銅絲來達(dá)到釋放出外物的目標(biāo)。在圖2中可以看到依據(jù)所方案設(shè)計(jì)直流電源儲(chǔ)電機(jī)器設(shè)備以可控硅為核心元器件融斷主回路是否導(dǎo)通，它的導(dǎo)通觸發(fā)信號(hào)受主控機(jī)控制，電源總開關(guān)響應(yīng)時(shí)間達(dá)微秒級(jí)別。繼電器的使用常常會(huì)處于高電壓的環(huán)境，通過接觸器這個(gè)裝置各個(gè)回路可以完成獨(dú)立控制，之間不會(huì)發(fā)生相互影響。并且在投放結(jié)束后可以自動(dòng)切斷回路，有效地保證工作人員的人身安全。實(shí)驗(yàn)前對不同型號(hào)規(guī)格康銅絲進(jìn)行了融斷實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)了快速融斷所需的供配電系統(tǒng)規(guī)范，同時(shí)為可調(diào)電源的儲(chǔ)電奠定基礎(chǔ)。模型設(shè)計(jì)時(shí)需注意絕緣層問題，重要部分運(yùn)用耐高溫耐高壓的聚酰亞胺薄膜原料以保證融斷控制電路吊架與試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅３殖浞值慕^緣性。

圖2 康銅絲熔斷主回路

1.2.3 助推控制回路

推動(dòng)控制回路一般用于投放內(nèi)置式外掛物，防止在自由投放過程中對飛機(jī)場造成影響從而影響安全飛行，還能夠用于需彈跳投放的重要場合。最重要的是要對外開放掛物造成必需的瞬間推動(dòng)力。推動(dòng)力操縱包含高壓氣動(dòng)閥門（氮?dú)馄炕蚋邏簹忾y源站），調(diào)壓閥，高壓電磁閥，專用型作動(dòng)筒（活塞桿）和對應(yīng)的管道。根據(jù)調(diào)整所需要的壓力，在康銅絲融斷的瞬間，電磁閥開啟，高壓空氣促進(jìn)作動(dòng)筒擴(kuò)大開放掛物導(dǎo)致沖擊力以達(dá)到跳躍投放總體目標(biāo)。促進(jìn)管路系統(tǒng)以通向型號(hào)規(guī)格液壓膠管，電磁閥合作動(dòng)筒為主體，根據(jù)自己的需求合理布局有4路。將儲(chǔ)存罐設(shè)置于實(shí)體模型投放尾部最鄰近的有效位置，有利于促進(jìn)壓力穩(wěn)定并提供精確的管理和精確測量輸入條件。

1.2.4 瞬時(shí)力檢測系統(tǒng)的投放

如圖3所示，促進(jìn)瞬時(shí)力精準(zhǔn)測量包括拉壓力傳感器，同步信號(hào)觸發(fā)器原理，脈沖調(diào)制，同步數(shù)據(jù)采集模塊和搜集數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等。在這其中，傳感器選擇ENDEVCO振動(dòng)測量高頻回復(fù)拉壓力傳感器。綜合考慮其差分信號(hào)和NIA/D數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集卡PXI-6123之間匹配性和提升性能等諸多要素，采用脈沖調(diào)制卡增大。監(jiān)測系統(tǒng)只接受投放控制系統(tǒng)傳出一類觸發(fā)信號(hào)，而其它功能則相對獨(dú)立性。要求壓力按測試標(biāo)準(zhǔn)開展事先校正，外掛物配有2個(gè)感應(yīng)器，PCI6602在銅線熔斷以前向檢測裝置PXI6602傳出上拉電阻觸發(fā)信號(hào)，完成瞬時(shí)力的同步收集。由于感應(yīng)器和時(shí)間非常短，為確保數(shù)據(jù)的完整性，將常規(guī)收集時(shí)長列入3s，在多通道投放的情形下應(yīng)適當(dāng)延長，采樣頻率可以從10kS·s-1以上，在程序界面上對應(yīng)用于外掛物測力傳感器信號(hào)分析后展示出來并存放數(shù)據(jù)，運(yùn)用對應(yīng)的換算關(guān)系能夠測算推力值。

圖3 助推力測量系統(tǒng)

1.2.5 高速攝影系統(tǒng)

為保證多方位軌跡記錄，在風(fēng)洞試驗(yàn)段的正前方、正下方和側(cè)方位置區(qū)域設(shè)置了三個(gè)快速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)（也可以根據(jù)測試要調(diào)整頻次及位置），根據(jù)和監(jiān)控?cái)z像頭相符的同步組件，保證同步工作。根據(jù)工控機(jī)控制同步拍攝的運(yùn)行。

1.2.6 多通道直流穩(wěn)壓電源

投放管理與檢測系統(tǒng)主要包含以上各部件，根據(jù)工控電腦程序編寫進(jìn)行系統(tǒng)軟件協(xié)調(diào)工作，PCI6602型計(jì)數(shù)器主控板中各電子計(jì)數(shù)器的工作比較獨(dú)立，本實(shí)用新型專利可以確保每個(gè)開啟動(dòng)作間不受影響，保證各路投放和相關(guān)觸發(fā)信號(hào)在時(shí)鐘頻率上精準(zhǔn)可控。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

瞬時(shí)力測量程序流程用以對推動(dòng)力進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，顯示，儲(chǔ)存及測算，進(jìn)而認(rèn)證推動(dòng)方案是否可靠，精確。在隨后的檢測中，由于室內(nèi)空間或具體的需要，有些情況下感應(yīng)器安裝難度大，也就不再重復(fù)了。圖像檢測軟件運(yùn)用照相機(jī)內(nèi)置程序流程可以提供高達(dá)6維軌跡分析結(jié)果。而本文章主要講述了系統(tǒng)軟件投放監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。軟件由VC++撰寫，規(guī)范WINDOWS插口，并且通過NIPCI6602電子計(jì)數(shù)器板組態(tài)軟件，匹配電子計(jì)數(shù)器做功并導(dǎo)出脈沖開啟電磁閥板和檢測裝置以操縱監(jiān)控?cái)z像頭開啟，投彈，推動(dòng)及精確測量收集數(shù)據(jù)信號(hào)。所有前期準(zhǔn)備工作結(jié)束后，投放管理程序開始啟動(dòng)。電子計(jì)數(shù)器開始運(yùn)動(dòng)和單脈沖產(chǎn)生延遲按測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)定，保證各個(gè)階段有序工作。編程設(shè)計(jì)師依據(jù)試驗(yàn)的具體操縱要求選了相對應(yīng)的投放控制回路及投放方法（有沒有推動(dòng)）并按照時(shí)鐘頻率設(shè)定了時(shí)長，從而實(shí)現(xiàn)收集設(shè)備（監(jiān)控?cái)z像頭、檢測裝置）操作及投放執(zhí)行。全部軟件界面簡約、一目了然，同時(shí)程序模塊可以按照需即時(shí)做出調(diào)整，滿足更多任務(wù)要求。

2 實(shí)驗(yàn)過程

在以上的控制系統(tǒng)完成安裝后，就需要進(jìn)行地面調(diào)試，這是進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)的必要步驟。其目的是為了確保調(diào)試后可以符合實(shí)驗(yàn)要求。調(diào)試的內(nèi)容包含檢測各個(gè)裝備的電源以及電壓是否符合正常標(biāo)準(zhǔn)；控制與彈射壓力的調(diào)試與標(biāo)定；檢查繼電器的運(yùn)行情況，如吸合功能是否正常；燈光的調(diào)試則需要觀察光強(qiáng)與位置這兩個(gè)要素；高速攝影系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，如走卷、啟動(dòng)與停止、走卷均勻、時(shí)標(biāo)、膠卷、沖洗、藥水、顯定影時(shí)間等等；投放系統(tǒng)的綜合協(xié)調(diào)。在完成以上項(xiàng)目的調(diào)試后，若結(jié)果符合要求，則可以進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)。此外，實(shí)驗(yàn)后期還需要進(jìn)行一定的處理，例如想要沖洗膠卷獲得高質(zhì)量的底片，需要通過高速攝影底片判讀軌跡；剪接膠片從而方便圖像的保存、復(fù)制、匯報(bào)、查看等。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

多通道投放控制g已被實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。下面就來助推測量及軌跡記錄得到的結(jié)果加以分析。當(dāng)已知作動(dòng)筒活塞桿總面積，感應(yīng)器指數(shù)（相互關(guān)系），推動(dòng)輸出壓力等參數(shù)時(shí)，運(yùn)用傳統(tǒng)式計(jì)算方式與評(píng)測換算部分瞬間推動(dòng)力信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可以看出：推動(dòng)承受力滿足預(yù)期的目標(biāo)要求，計(jì)劃方案可靠精確。特別是在要注意的是感應(yīng)器在安裝流程中的位置至關(guān)重要，它感應(yīng)面始終保持在液壓缸垂直的方向上。運(yùn)用高速攝影記錄投放運(yùn)動(dòng)軌跡，并通過圖像檢測軟件完成典型狀態(tài)圖像分析與運(yùn)動(dòng)軌跡判斷以獲得典型性實(shí)驗(yàn)狀況下分離出來軌跡數(shù)據(jù)，從而更加精確地確定位置和方向，在通過數(shù)據(jù)制圖進(jìn)一步地對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，這將大幅提升投放的精確度。

4 結(jié)束語

投放自動(dòng)控制系統(tǒng)選用工控電腦及電子計(jì)數(shù)器主控板做為操縱時(shí)鐘頻率的核心，并且通過與此相匹配的相對應(yīng)投放、助推、高速攝影及瞬間風(fēng)速精確測量等設(shè)施，完成高達(dá)四路投放隨意組合模式全自動(dòng)精準(zhǔn)時(shí)序控制，投放運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)可視化判斷分析等作用，在證實(shí)推動(dòng)方式穩(wěn)定性前提下，可以滿足低速檔乘波體中飛機(jī)外掛物放樣實(shí)驗(yàn)的要求。由于該系統(tǒng)軟件g已很好地運(yùn)用在某型高達(dá)四路外掛物投放風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，并得出了多種投放模式的測試數(shù)據(jù)，全面驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。