模擬導(dǎo)彈發(fā)射的空氣炮啟動帶矢量轉(zhuǎn)臺離心機(jī)

張艷兵，馬鐵華，祖 靜，孫江濤

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；3.中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009）

0 引言

離心機(jī)通過高速旋轉(zhuǎn)能產(chǎn)生幾十倍重力加速度的超重環(huán)境，可檢查儀器設(shè)備在超重環(huán)境下的性能指標(biāo)［1］，從而對其制導(dǎo)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及相應(yīng)器件的性能進(jìn)行仿真和測試，以獲得充分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并以此為依據(jù)，指導(dǎo)其設(shè)計(jì)和改進(jìn)，達(dá)到總體設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)要求。隨著航空航天的發(fā)展，離心機(jī)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在火箭、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、飛機(jī)、火炮和魚雷等武器系統(tǒng)的研制中起著極其重要的作用［2］。

導(dǎo)彈發(fā)射時，要求其軸向加速度在很短的時間內(nèi)達(dá)到設(shè)定值，而橫向加速度為零。但是常規(guī)的離心機(jī)都是通過電機(jī)加載［3］，其啟動時間大都需要幾秒甚至是幾分鐘的時間，而且加速過程中會產(chǎn)生一定的切向加速度，不能模擬導(dǎo)彈的發(fā)射過程。

針對離心機(jī)加速慢，無法準(zhǔn)確模擬導(dǎo)彈加速度曲線上升沿等問題，本文綜合運(yùn)用離心機(jī)、轉(zhuǎn)臺以及空氣炮，設(shè)計(jì)了空氣炮啟動的帶矢量轉(zhuǎn)臺離心機(jī)。

1 離心機(jī)、空氣炮和伺服電機(jī)

離心機(jī)通過電機(jī)加載后，高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生幾十倍于重力加速度的向心加速度，能對加速度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)，也可對戰(zhàn)略導(dǎo)彈、火箭等現(xiàn)代化武器裝備的慣性裝置進(jìn)行加速度試驗(yàn)。但是離心機(jī)達(dá)到設(shè)定的角速度需要幾秒的時間，而導(dǎo)彈的發(fā)射過程在0.2s內(nèi)完成，因此普通離心機(jī)由于角加速度不夠，上升沿太慢，不能模擬導(dǎo)彈的發(fā)射過程。

空氣炮利用壓縮空氣突然釋放產(chǎn)生的氣流，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，是目前世界上公認(rèn)的最先進(jìn)、最環(huán)保、最安全的破拱助流設(shè)備［4］，常用于獲得推力、加速度和線速度。本離心機(jī)就是在常規(guī)離心機(jī)的基礎(chǔ)上，利用空氣炮產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊力助推轉(zhuǎn)臂，使試件的軸向加速度瞬間達(dá)到設(shè)定值。

控制系統(tǒng)中選用了美國丹納赫傳動的AKM52K伺服電機(jī)及其驅(qū)動器。AKM52K電機(jī)提供了非常高的扭矩、密度和加速度，能夠滿足高速設(shè)備的要求，其電氣特性如表1所示。

表1 AKM52K的電氣特性Tab.1 Electrical specifications of AKM52K

2 空氣炮啟動的帶矢量轉(zhuǎn)臺離心機(jī)

空氣炮啟動的帶矢量轉(zhuǎn)臺離心機(jī)由空氣炮助力系統(tǒng)、離心機(jī)和矢量轉(zhuǎn)臺組成，空氣炮助力系統(tǒng)包括滑塊、空氣炮、空壓機(jī)及壓力控制系統(tǒng)?；瑝K和離心機(jī)轉(zhuǎn)臂位于同一旋轉(zhuǎn)平面，垂直于轉(zhuǎn)臂，對準(zhǔn)轉(zhuǎn)臂的一端，空氣炮的推桿低于這一旋轉(zhuǎn)平面。發(fā)射時，空氣炮的推桿通過滑塊助推轉(zhuǎn)臂，矢量轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)軸安裝在離心機(jī)轉(zhuǎn)臂的另一端，垂直于離心機(jī)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)平面，被試件安裝在矢量轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)臂的端部，與轉(zhuǎn)臺臂同軸，見圖1。

2.1 空氣炮啟動離心機(jī)原理

通過控制空氣炮發(fā)射時的壓力，可以控制空氣炮發(fā)射的加速度?？諝馀诎l(fā)射過程在很短的時間內(nèi)產(chǎn)生很大的沖擊力，助推轉(zhuǎn)臂，大大提高了角加速度，縮短了加速度上升時間，實(shí)現(xiàn)了離心機(jī)的瞬間啟動。

同時過大的沖擊力也會使轉(zhuǎn)臂產(chǎn)生很大的切向加速度［5］，為了保證試件的橫向加速度為零，就需要運(yùn)用轉(zhuǎn)臺控制技術(shù)，在轉(zhuǎn)臂上利用伺服電機(jī)實(shí)時適配矢量軸轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制。試驗(yàn)過程中，通過控制空氣炮腔內(nèi)的壓力，可使推桿一直向前，最后停在最大行程處。發(fā)射后，滑塊倒下，保證矢量轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過來不反撞空氣炮推桿及滑塊。

2.2 矢量轉(zhuǎn)臺工作原理

當(dāng)矢量轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)臂與離心機(jī)轉(zhuǎn)臂軸線平行時，隨著離心機(jī)旋轉(zhuǎn)，被試件只承受軸向離心力（距離離心機(jī)主轉(zhuǎn)軸1m）。但是，當(dāng)空氣炮推動轉(zhuǎn)臂時，被試件會承受額外的橫向力。此時如果矢量轉(zhuǎn)臺與離心機(jī)轉(zhuǎn)軸不平行，如圖1所示，則離心力可以被分解為沿被試件軸線x與軸線垂線y兩個分量。橫向推力也可以被分解為x與y兩個分量，并且離心力與橫向力的y分量方向相反。由于分量大小與矢量軸轉(zhuǎn)角φ相關(guān)，可以通過伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)試件的矢量軸轉(zhuǎn)角，使試件的橫向（y向）合加速度為0，兩個軸向（x向）加速度合成為試件的加速度。矢量轉(zhuǎn)臺的方向設(shè)定如圖1所示。

圖1 矢量轉(zhuǎn)臺的方向設(shè)定Fig.1 The direction of vector turntable

模擬導(dǎo)彈發(fā)射過程中主轉(zhuǎn)軸加速旋轉(zhuǎn)，矢量轉(zhuǎn)臺矢量軸軸心處的切向加速度和法向加速度分別為：

其合成加速度為：

式（2）中，At、Ar、A分別為矢量軸軸心處的切向加速度、法向加速度及合成加速度。

根據(jù)二維矢量分配原則，A可以分解為試件的x向和y向的加速度，即：

式（3）中，Ax為試件x向加速度，Ay為試件y向加速度。

發(fā)射過程結(jié)束后主轉(zhuǎn)軸以角速度ω勻速旋轉(zhuǎn)，主轉(zhuǎn)臺只有法向加速度，則有A＝Ar，同理A可以分解為x向和y向的加速度。

以上過程中，伺服電機(jī)控制試件的x向適時跟蹤矢量軸軸心處的合成加速度，因此

2.3 系統(tǒng)工作流程

試驗(yàn)時試件被固定在矢量轉(zhuǎn)臺上，模擬導(dǎo)彈發(fā)射過程分為三步：1）變頻電機(jī)先行啟動，達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，但是電磁離合器不接通，因此轉(zhuǎn)臂不動；2）空氣炮發(fā)射，通過氣動助力系統(tǒng)給轉(zhuǎn)臂施加助推力，使其快速啟動，把空氣炮的線速度瞬間轉(zhuǎn)化為離心機(jī)的切線速度，達(dá)到所需的轉(zhuǎn)速；3）接通電磁離合器，實(shí)現(xiàn)接力，變頻電機(jī)帶動轉(zhuǎn)臂，以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。為了保證試件的橫向加速度為零，以上過程中伺服電機(jī)帶動轉(zhuǎn)臺，控制試件的轉(zhuǎn)角，使其軸向永遠(yuǎn)指向轉(zhuǎn)臂的合成加速度方向。矢量轉(zhuǎn)臺離心機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 離心機(jī)總體結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of the centrifuge

3 仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 模擬導(dǎo)彈發(fā)射過程的計(jì)算與仿真

通過空氣炮給主轉(zhuǎn)臂施加助推力，使矢量轉(zhuǎn)臺在很短的時間內(nèi)達(dá)到所需要的加速度，用來模擬導(dǎo)彈的發(fā)射環(huán)境力。

1）導(dǎo)彈發(fā)射過程試件的加速度仿真

在模擬導(dǎo)彈發(fā)射過程中，利用空氣炮產(chǎn)生助推的切向加速度，使得矢量轉(zhuǎn)臺設(shè)備的切向加速度和法向加速度的合加速度等于試件x向加速度，同時保持試件y向加速度為零。圖3為模擬導(dǎo)彈建立試件x向50 g時，轉(zhuǎn)臂的切向加速度（At）、法向加速度（Ar）、合成加速度（A）曲線。

根據(jù)導(dǎo)彈在發(fā)射過程中需要建立的不同g值，可以得到空氣炮發(fā)射時對應(yīng)的初始壓力值，通過助推系統(tǒng)，可以使矢量轉(zhuǎn)臺上的試件得到如圖4的加速度仿真曲線。

圖3 x向加速度50 g時轉(zhuǎn)臂加速度曲線Fig.3 The accelerating curves of tumbler，while Ax ＝50 g

圖4 x向加速度50 g時試件的加速度仿真曲線Fig.4 The simulated accelerating curves of test specimen，while Ax ＝50 g

2）模擬導(dǎo)彈發(fā)射過程伺服控制

在模擬導(dǎo)彈發(fā)射過程中，通過氣動助力系統(tǒng)使矢量轉(zhuǎn)臺在要求的時間內(nèi)產(chǎn)生較大的角加速度，從而得到較大的切向加速度；角加速度對時間的積分得到角速度，這樣又產(chǎn)生了較大的法向加速度；通過伺服電機(jī)改變試件矢量軸轉(zhuǎn)角，使得試件x向的加速度重合于矢量轉(zhuǎn)臺產(chǎn)生的合加速度方向。

欲建立穩(wěn)態(tài)的x向和變化的y向加速度，伺服電機(jī)必須適時調(diào)整試件矢量軸轉(zhuǎn)角，使矢量軸轉(zhuǎn)角滿足圖5的仿真曲線，通過該曲線可以得到矢量轉(zhuǎn)軸的角加速度仿真曲線，如圖6所示。

圖5 矢量軸角位移仿真曲線Fig.5 The simulated angular displacement curves of vector axis

圖6 矢量軸角加速度仿真曲線Fig.6 The simulated accelerating curves of vector axis

從圖5和圖6可以看出，模擬導(dǎo)彈發(fā)射過程中，在0.06s內(nèi)建立了試件x向的加速度50 g，此時試件x向加速度完全由矢量轉(zhuǎn)臺在安裝試件處的法向加速度提供，矢量轉(zhuǎn)臺的角位移為90°，但此時矢量轉(zhuǎn)臺仍具有較高的角加速度，雖然矢量轉(zhuǎn)臺對試件產(chǎn)生的x向和y向加速度誤差非常小，但矢量轉(zhuǎn)軸存在“過沖現(xiàn)象”，不能在90°位置停下來，所以不能按照圖6中的角加速度規(guī)律對試件矢量轉(zhuǎn)軸進(jìn)行加載?？梢愿鶕?jù)矢量軸轉(zhuǎn)角規(guī)律，用逼近該轉(zhuǎn)角的方法得到可行的試件矢量軸轉(zhuǎn)角的角加速度加載規(guī)律，最簡單的角速度規(guī)律如圖7所示。

圖7 試件角速度曲線Fig.7 The angular velocity curve of test specimen

在圖7中，陰影部分的面積等于角速度對時間的積分，即圖5中的矢量軸轉(zhuǎn)角在0.06s時的角位移90°，因此

由圖7，t2＝0.073s，可以求得ωmax＝43.04rad／s。

根據(jù)該加載規(guī)律對時間的積分得到角位移規(guī)律，并和理想的角度曲線相比較，如圖8所示。

圖8 矢量軸角位移曲線Fig.8 The angular displacement curves of vector axis

對應(yīng)的x向和y向的過載情況如圖9所示。

從圖9中可以看出，實(shí)際曲線已經(jīng)比較逼近理想的曲線了，但在t＝0.06s時y向加速度有比較大的幅值，達(dá)到11.3 g，整個過程x向加速度在50 g附近波動，最大波動幅度達(dá)3.4 g，誤差為6.8%，在允許范圍內(nèi)。

圖9 試件X向和Y向加速度曲線Fig.9 The curves of Axand Ay

3.2 空氣炮啟動矢量轉(zhuǎn)臺離心機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證

本系統(tǒng)在某導(dǎo)彈的模擬試驗(yàn)中已經(jīng)成功應(yīng)用，設(shè)定導(dǎo)彈的發(fā)射加速度為20 g，實(shí)測的加速度曲線如圖10所示。

圖10 試件加速度曲線Fig.10 The acceleration curves of the aircraft

從圖10中可以看出，空氣炮啟動，變頻電機(jī)接力，伺服電機(jī)跟蹤后，試件的軸向加速度在120ms內(nèi)達(dá)到20 g，而橫向加速度為0，控制誤差在±5%以內(nèi)，滿足應(yīng)用要求，較好地模擬了導(dǎo)彈的發(fā)射過程。

考慮到試件長度及引信安保系統(tǒng)偏離矢量轉(zhuǎn)臺軸心產(chǎn)生的加速度偏差，需要設(shè)計(jì)夾具［6］，把試件固定在夾具上。試驗(yàn)時根據(jù)試件長度及重心位置，調(diào)節(jié)試件和夾具，使其重心與矢量轉(zhuǎn)臺的軸心、雙軸加速度的中心重合，這樣可以減小試件軸向和橫向的加速度偏差，提高系統(tǒng)精度［7］。

4 結(jié)論

本文提出的空氣炮啟動的帶矢量轉(zhuǎn)臺離心機(jī)，用空氣炮助推的方式提高了角加速度，縮短了加速度上升時間，實(shí)現(xiàn)瞬間加速，同時用伺服電機(jī)帶動矢量轉(zhuǎn)臺，抵消了空氣炮的橫向沖擊力，模擬導(dǎo)彈的發(fā)射過程。實(shí)測結(jié)果表明：該離心機(jī)可以模擬導(dǎo)彈的發(fā)射過程，在120ms內(nèi)建立所需的加速度，滿足模擬試驗(yàn)的要求，為火箭、導(dǎo)彈等產(chǎn)品配用引信的安保系統(tǒng)解除保險(xiǎn)試驗(yàn)提供了實(shí)用化的平臺。該系統(tǒng)還可以推廣應(yīng)用于火箭等加速度曲線量值相近的其它機(jī)械或電子部件進(jìn)行加速度試驗(yàn)，有廣闊的應(yīng)用前景。

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