史占付,梁瑊輝,楊 琳,謝衛(wèi)鋒
(1.機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710065;2.北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所,北京 100076)
理論上可通用的機(jī)械引信已多次在155mm等火炮的特定彈種上發(fā)生大量瞎火或提前解除保險(xiǎn),甚至炮口炸的情況。美國(guó)、新加坡等國(guó)也出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似情況,以經(jīng)典引信環(huán)境理論均無(wú)法解釋這種現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)回收的測(cè)試引信觀察發(fā)現(xiàn),零件有損傷、位移甚至鐘表機(jī)構(gòu)脫離嚙合的情形,在采取增加零件強(qiáng)度措施后可以解決。分析原因,懷疑是火炮作用在彈底的加速度振動(dòng)分量與彈引系統(tǒng)諧振造成的。
中北大學(xué)對(duì)此展開(kāi)過(guò)相關(guān)研究,利用壓電傳感器和彈載測(cè)試芯片HB0202等組成測(cè)試系統(tǒng),測(cè)到了引信膛內(nèi)軸向和徑向加速度幅值、方向等信息,但其徑向加速度曲線中疊加軸向加速度信號(hào),且基線發(fā)生漂移,不能準(zhǔn)確反映引信膛內(nèi)加速度相關(guān)信息。為此,本文提出了一種三維加速度測(cè)試傳感器橫向靈敏度交叉影響消除方法。
傳統(tǒng)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)由加速度傳感器、電源變換模塊、信號(hào)處理電路、彈載存儲(chǔ)記錄器構(gòu)成[1]。記錄器包括AD轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、微控制器等。采用加速度傳感器作為過(guò)載敏感元件,測(cè)量火炮發(fā)射過(guò)程輸出的加速度信號(hào),此信號(hào)經(jīng)預(yù)處理電路放大、濾波等調(diào)理后,進(jìn)入存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng),完成采集和存儲(chǔ)操作。功能框圖如圖1所示。
中北大學(xué)用于加速度測(cè)試的測(cè)量裝置由壓電傳感器、專(zhuān)用ASIC、高速AD轉(zhuǎn)換器和存儲(chǔ)器組成[2]。其控制部分采用彈載測(cè)試芯片HB0202,大致包括通信模塊、編程模塊、電源控制模塊、芯片復(fù)位模塊、采樣頻率模塊,存儲(chǔ)器寫(xiě)、讀模塊、地址發(fā)生模塊、觸發(fā)模塊及負(fù)延時(shí)等功能模塊。試驗(yàn)后獲取了引信膛內(nèi)軸向和徑向加速度幅值、方向等信息,但得到的測(cè)試曲線基線發(fā)生了漂移。這是由于壓電型加速度傳感器在受到高加載沖擊時(shí),其基座圓柱段在質(zhì)量塊和自重的作用下產(chǎn)生了塑性變形,致使敏感元件上產(chǎn)生殘余壓力,形成了電荷積累。積累電荷的釋放過(guò)程表現(xiàn)在加速度曲線中即為下降段趨勢(shì)緩慢,由此造成基線漂移,不能準(zhǔn)確反映引信膛內(nèi)加速度信息。
圖1 傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)功能框圖Fig.1 Conventional test system function diagram
為了解決引信研制過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題,分析判斷并定位故障部位,引信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從80年代末期就開(kāi)始了彈載存儲(chǔ)測(cè)試的工程化應(yīng)用研究,至今積累了不少寶貴的經(jīng)驗(yàn)。尤其在高過(guò)載存儲(chǔ)測(cè)試方面,技術(shù)領(lǐng)先,可靠性高,測(cè)試成功率幾乎達(dá)到100%。在三維加速度測(cè)試中,為消除壓電傳感器自身固有的缺陷,選用MEMS壓阻傳感器作為過(guò)載敏感元件,運(yùn)用經(jīng)典存儲(chǔ)測(cè)試?yán)碚撛O(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng),測(cè)量火炮發(fā)射過(guò)程膛內(nèi)的加速度信號(hào)。同時(shí),還提出了一種消除三維加速度測(cè)試傳感器橫向靈敏度交叉影響的方法,該方法通過(guò)靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)和相關(guān)計(jì)算得出加速度橫向靈敏度校正矩陣,再利用校正矩陣對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,便可得出引信安全系統(tǒng)部位內(nèi)彈道中間段的三維加速度。采用這種方法可保證測(cè)得的加速度曲線基線穩(wěn)定,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、有效。
另外,為了降低測(cè)試系統(tǒng)對(duì)電源能量的要求,測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)為上電預(yù)采集模式,即火炮發(fā)射前系統(tǒng)上電開(kāi)始循環(huán)采集[3-4],當(dāng)彈丸發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的后坐加速度峰值達(dá)到設(shè)定的閾值后,觸發(fā)采集功能,測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)始正常采集記錄。
測(cè)試系統(tǒng)中三維加速度傳感器分為一個(gè)軸向和兩個(gè)側(cè)向,三個(gè)方向兩兩正交。在裝配過(guò)程中,盡可能使傳感器軸線與測(cè)試彈軸線重合,以保證將傳感器安裝在被測(cè)件的“中心點(diǎn)”上,這樣一來(lái),既不影響被測(cè)件的振動(dòng)頻率特性,又會(huì)將傳感器的橫向效應(yīng)降至最低程度。同時(shí),為保證彈載存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)能可靠地測(cè)試引信安全部位內(nèi)彈道中間段的加速度,需要進(jìn)行橫向交叉靈敏度分析,這樣才能確保測(cè)試得到的中間彈道加速度曲線與真實(shí)情況無(wú)限接近。
對(duì)于三軸加速度傳感器來(lái)說(shuō),由于設(shè)計(jì)和加工工藝等因素的影響,橫向靈敏度不可忽視。橫向靈敏度是指加速度計(jì)在承受一個(gè)正交于靈敏軸方向的振動(dòng)時(shí),其靈敏軸方向的輸出與輸入振動(dòng)量的比值。如果Z軸方向承受一個(gè)加速度a,在理想狀態(tài)下,Z軸方向應(yīng)該輸出與加速度a成線性關(guān)系的電壓,而在X軸、Y軸方向的輸出應(yīng)為零。但實(shí)際情況下,在它的X軸和Y軸方向同樣也有電壓的輸出,這樣就產(chǎn)生了橫向靈敏度,其數(shù)值大小就是X軸或Y軸方向輸出的電壓值與加速度傳感器承受的加速度a的比值。橫向靈敏度產(chǎn)生的原因主要是:當(dāng)其靈敏方向承受一個(gè)加速度時(shí),它的測(cè)量靈敏方向的結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生了變形,因此可以測(cè)到靈敏方向的加速度大小。同樣,在非靈敏方向的結(jié)構(gòu)也受到了較小的力作用,致使橋臂電阻發(fā)生變化,從而非靈敏方向產(chǎn)生電壓輸出。
根據(jù)理論計(jì)算得知,當(dāng)加速度傳感器的橫向靈敏度小于0.5%時(shí),且要求測(cè)量誤差小于10%時(shí),三個(gè)方向加速度信號(hào)的相互影響可以忽略不計(jì)。如果加速度傳感器的橫向靈敏度不能夠滿足小于0.5%的條件,則要標(biāo)定出加速度傳感器三個(gè)正交方向的靈敏度,此過(guò)程就是尋找傳感器的輸出讀數(shù)與對(duì)應(yīng)的作用在傳感器上的加速度之間的數(shù)量關(guān)系,得到的結(jié)果可稱(chēng)之為校正矩陣??捎孟率奖硎鲞@種數(shù)量關(guān)系:
式中,A= [AxAyAz]T,Ax,Ay,Az即為加速度傳感器坐標(biāo)系中X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)的加速度,a= [axayaz]T,ax,ay,az為加速度傳感器輸出分量,S是校正因子,用矩陣可表示為:
S作為校正矩陣,其分量 Sxx,Sxy,Sxz,Syx,Syy,Syz,Szx,Szy,Szz則分別為X、Y、Z軸在X、Y、Z三個(gè)方向上的正交靈敏度。鑒于結(jié)構(gòu)和工藝水平等因素的制約,作用到傳感器上的加速度分量基本都會(huì)對(duì)傳感器的輸出產(chǎn)生相應(yīng)的影響,這種耦合作用的特征就是系數(shù)矩陣S中所有矩陣元素都不為零,矩陣中非對(duì)角線上的系數(shù)表示為維間耦合的大?。?]。在式(2)中,對(duì)角線上的系數(shù)Sij(i=j(luò))為實(shí)際加速度輸入的各分量與輸出之間的關(guān)系;非對(duì)角線上的系數(shù)Sij(i≠j)代表著不同維間的耦合關(guān)系,如Sxz表示x通道的輸入對(duì)z通道輸出的耦合大小。
校正矩陣可通過(guò)傳感器的標(biāo)定來(lái)確定。文中利用沖擊臺(tái)對(duì)傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定,首先給傳感器施加n(n≥3)個(gè)線性獨(dú)立的加速度向量,然后讀取對(duì)應(yīng)的加速度傳感器輸出,采用矩陣直接求逆法獲得標(biāo)定矩陣的解,此時(shí):
式中,a= [a1a2a3]T為傳感器輸出加速度的3×3矩陣;ai= [ai1,ai2,ai3],i=1,2,3,aij為第j次傳感器輸出加速度ai的數(shù)值;A= [A1A2A3]T為所施加的加速度向量的3×3的矩陣;Ai=[Ai1,Ai2,Ai3],i=1,2,3,Aij為第j次所施加的加速度向量中Ai的數(shù)值。
為便于試驗(yàn)和計(jì)算,取n=3,在沖擊臺(tái)上進(jìn)行多次試驗(yàn),即可得到對(duì)應(yīng)的a和A矩陣,再經(jīng)過(guò)計(jì)算便可以得出標(biāo)定矩陣S,此校正矩陣即為加速度橫向靈敏度校正因子。在沖擊標(biāo)定實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,為保證標(biāo)準(zhǔn)輸入加速度較高的精度,通過(guò)增加試驗(yàn)次數(shù)和采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法得到輸入加速度值,并借鑒相關(guān)標(biāo)定方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正,得到最終的標(biāo)準(zhǔn)輸入加速度值。
為了保證測(cè)試系統(tǒng)可靠回收,設(shè)計(jì)了包括制式彈丸和測(cè)試引信的專(zhuān)用回收裝置。測(cè)試引信外形、與彈丸的接口關(guān)系設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)引信完全相同,同時(shí)加速度傳感器位于引信保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)部位,以便能準(zhǔn)確獲得保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)處的過(guò)載情況。
由于新155mm底排彈全裝藥測(cè)試時(shí)彈丸出炮口的速度較大,如果不能有效地減小彈丸的出炮口速度,測(cè)試引信回收比較困難。在測(cè)試引信采用制式引信外形的情況下,彈體侵入沙土堆后,出現(xiàn)彈體幾乎全部碎裂的情況,沒(méi)有回讀到有效數(shù)據(jù)。針對(duì)這種情況,我們?cè)O(shè)計(jì)了帶阻力環(huán)的測(cè)試引信,以增加阻力,降低彈速。并利用ANSYS仿真軟件模擬了彈丸出炮口時(shí)的初速度,以及不同落角時(shí)測(cè)試引信各部位的受力情況。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和仿真結(jié)果,優(yōu)化設(shè)計(jì)了回收裝置的結(jié)構(gòu),將阻力環(huán)與存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)殼體加工成一體,試驗(yàn)后測(cè)試系統(tǒng)電路完好。
對(duì)回收的測(cè)試系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)讀取,將回讀得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理[6],得到未進(jìn)行校正的曲線,如圖2所示。
由圖2可以看出,未經(jīng)校正的過(guò)載曲線基線發(fā)生偏移,與真實(shí)承受過(guò)載情況存在偏差,不能準(zhǔn)確反映引信膛內(nèi)加速度相關(guān)信息。
圖2 未校正的發(fā)射過(guò)載曲線Fig.2 No correct launch transship curve
對(duì)回讀的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理后,繪制出的過(guò)載曲線如圖3所示。
圖3 校正后的發(fā)射過(guò)載曲線Fig.3 Corrected launch transship curve
從實(shí)測(cè)的三向加速度曲線(圖3、圖4)可知,每個(gè)軸向加速度和徑向加速度曲線可分為三個(gè)階段[7]:0~17ms,17~21ms以及21~45ms。其中0~17 ms為內(nèi)彈道階段,可以看到在此期間曲線振幅振蕩較為平穩(wěn),最大過(guò)載約為12 000 g;17~21ms為后效期,在此期間曲線出現(xiàn)了突變而且震蕩激烈,尤其在20ms前后的幅值變化最為明顯,而這一階段正好是整個(gè)發(fā)射過(guò)程的出炮口階段,正向最大過(guò)載約為15 000g,負(fù)向最大過(guò)載約為20 000 g,出炮口處的振蕩幅值明顯高于膛內(nèi)峰值,約為膛內(nèi)峰值的1.6倍;21~45ms為外彈道階段,在此期間曲線振幅振蕩變化緩慢而平和,最大過(guò)載約為3 000 g。
圖4 側(cè)向合成過(guò)載曲線Fig.4 Diameter direction compose launch transship curve
分析上述三個(gè)階段可知,對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)解保過(guò)程影響最小的是出炮口后的外彈道階段,幾乎可以忽略不計(jì),其次是內(nèi)彈道時(shí)期,這一時(shí)期的Z軸(彈軸)振幅較大,而X軸和Y軸(彈徑)的振幅相對(duì)較小,對(duì)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)影響最大的是出炮口階段,此刻三個(gè)軸出現(xiàn)的振幅均為最大,振蕩也最為激烈。因此,底排彈引信在出炮口瞬間承受的大過(guò)載以及在過(guò)載中疊加的大量的高頻振蕩信號(hào),可能是導(dǎo)致底排彈在出炮口瞬間早炸的主要原因。
中北大學(xué)研究表明,在出炮口處(即17ms左右)由于彈丸飛出身管,壓力突然卸載,導(dǎo)致引信受到巨大沖擊,軸向振蕩正向峰值達(dá)31 346 g,負(fù)向峰值為-22 029 g,約是膛內(nèi)峰值的1.8~2.5倍;徑向振蕩最大值高達(dá)-17 914 g,是膛內(nèi)峰值的1.5倍。由此得出結(jié)論:在出炮口時(shí),按承受膛內(nèi)最大沖擊值而設(shè)計(jì)的引信零件無(wú)法承受如此高的沖擊,導(dǎo)致引信失去炮口保險(xiǎn),發(fā)生早炸。
但是,本文通過(guò)分析多例采集到的引信安全部位內(nèi)彈道中間段軸向和徑向加速度信號(hào),發(fā)現(xiàn)其幅值并沒(méi)有達(dá)到足以破壞機(jī)構(gòu)的程度,試驗(yàn)結(jié)果不太理想。或許增加阻力環(huán)后所獲取的數(shù)據(jù),不能完全真實(shí)反映底排彈出炮口時(shí)的加速度情況,這有待通過(guò)進(jìn)一步仿真及試驗(yàn)證實(shí)。
通過(guò)對(duì)試驗(yàn)獲取的155mm底排彈三向發(fā)射加速度曲線進(jìn)行頻譜分析,得出其功率譜特征大致相同,典型功率譜如圖5所示。
圖5 155mm彈發(fā)射過(guò)載軸向加速度信號(hào)的功率譜Fig.5 155mm pellet launch transship axel direction acceleration signal power spectrum
由圖5可知,加速度信號(hào)功率譜的頻率成分以3 kHz和6kHz頻率分量為主。頻譜分析結(jié)果說(shuō)明,在加速度曲線中疊加了頻率為3kHz和6kHz兩種頻率分量的振蕩信號(hào)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),功率譜圖中約62Hz的頻率是內(nèi)彈道過(guò)載段包絡(luò)的頻率,即3kHz頻率為彈丸出炮口過(guò)程炮口震蕩產(chǎn)生的,6 kHz頻率是應(yīng)力波在試驗(yàn)彈彈體上傳遞產(chǎn)生的。
對(duì)于155mm試驗(yàn)彈,彈體長(zhǎng)度約為900mm,根據(jù)應(yīng)力波傳遞理論可計(jì)算出應(yīng)力波在彈體上傳遞時(shí)間約為0.18ms,即應(yīng)力波在彈丸整體長(zhǎng)度上的傳遞頻率約為5.56kHz。由于應(yīng)力波在剛體中的傳播速度是比較概略的數(shù)據(jù),因此可以推斷,曲線上6 kHz附近的波峰是對(duì)應(yīng)的應(yīng)力波傳遞頻率。在試驗(yàn)彈出炮口的加速過(guò)程中,疊加在加速度信號(hào)上的振蕩信號(hào)是應(yīng)力波在彈體上傳遞產(chǎn)生的。
文中提出了消除加速度傳感器橫向靈敏度交叉影響的彈道加速度測(cè)試方法。該方法首先利用沖擊臺(tái)靜態(tài)標(biāo)定加速度傳感器,得出加速度橫向靈敏度校正矩陣,再對(duì)測(cè)得的加速度進(jìn)行校正便可得出引信安全系統(tǒng)部位內(nèi)彈道中間段三維加速度。分析與試驗(yàn)表明:將加速度橫向靈敏度作為三向加速度校正因子,能夠確保三維加速度測(cè)試曲線準(zhǔn)確、有效,提高了單次測(cè)試的可靠性,有助于分析和判斷引信瞎火甚至早炸故障。但是,增加阻力環(huán)后進(jìn)行試驗(yàn)所獲取的數(shù)據(jù),能否完全真實(shí)反映底排彈出炮口時(shí)的加速度情況,有待進(jìn)行進(jìn)一步仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。
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