小量程抗高過載空投加速度記錄儀*

何志文，杜紅棉，李新娥，宓 莎，楊 帆

(1中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051;2 中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051)

0 引言

開傘過載是降落傘的一項主要性能指標。一方面將直接決定降落傘的傘衣和傘繩的安全性和使用壽命;另一方面會對空投的設備儀器的性能和空降人員的安全產生影響［1］。為此需要對過載值進行測量，確保空投過程的安全。

空投過程傘彈系統運動形式在短時間內發生劇烈變化，會出現過載現象，而初始條件、系統參數及周圍環境因素都會對過載值產生影響［2］?，F存的測試系統能夠測量開傘過程的加速度，但是難以在空投著地這一高沖擊過程存活。文中針對這一難題研制了小量程抗高過載加速度記錄儀。此系統可有效獲取開傘過載信號，為降落傘的設計及空投設備性能考核提供依據。

1 過載最大值的理論推導

總結了一系列空投試驗結果發現［3］，可以有以下假設和推導:

①最大開傘動載Fk，max為充滿瞬間傘衣阻力Qm的兩倍，即:

②充滿距離Sm與傘衣面積As的關系可表示為:

其中，常數C決定于傘型及織物透氣量。

③充氣過程中傘衣阻力系數Cs保持不變。

根據以上假設，當物傘系統做垂直下降時，出現最大動載瞬間的運動方程為:

式中:mxi為物傘系統質量;Gxi為物傘系統重量為出現最大動載時，物傘系統的加速度。通常＜0為減速度，用平均加速度表示，即:

式中:ka為加速度修正系數;vm為充滿速度;vl為拉直速度。

式中kv為速度修正系數。整理以上式子得:

式中K決定于傘型、材料及透氣量，由試驗確定。

一般情況下，物傘系統重量Gxi=Qm，故開傘動載最大值 Fk，max又可表示成［3］:

式中:Δ=ρ/ρ0為相對密度;vz為著陸速度。

物體所受過載的定義為物體所受慣性力與重力的比值。在計算時，運用牛頓第二定律，將開傘動載Fk轉化為開傘時加速度ak，即可求得開傘過載nk=ak/g。因此，開傘過載最大值可表示為:

2 系統設計

2.1 記錄儀系統的總體設計

1)記錄儀系統工作原理設計

記錄儀主要由加速度傳感器、適配電路、A/D轉換器、FLASH 存儲器、殼體等組成［4-6］，原理框圖如圖1。

圖1 記錄儀原理框圖

加速度傳感器接收物理信號并將其轉換為電信號，經調理電路后調整為A/D轉換范圍內的電壓信號，再由A/D進行模數轉換，最后存儲到FLASH存儲器中。過程中，電源控制器為系統供電，中心控制器負責系統的邏輯運算。實驗結束后通過USB接口與計算機相連，通過LABVIEW軟件讀取數據。

2)記錄儀工作狀態設計

記錄儀工作狀態包括:休眠狀態、等待觸發態、采樣存儲態、數據保持態、讀取數據態、擦除態。圖2為系統的工作狀態轉移圖，分別有以下6個狀態:

圖2 記錄儀的工作狀態流程

①休眠狀態:即低功耗狀態，電流＜10 μA。

②等待觸發態:拔掉脫插件，計數器開始工作，電路進行1s延遲后自動觸發。

③采樣存儲態:電路觸發進入采樣狀態。此時電路的地址發生器的地址不斷推進，記錄有效信號。

④數據保持態:記錄完成后，記錄儀進入微功耗狀態，等待讀數。

⑤讀數態:記錄儀通過USB接口與計算機相連，讀取記錄儀中數據。

⑥擦除態:讀出數據后，將閃存擦除進入下一試驗周期。

2.2 抗高過載設計

空投航彈時為保證準確性，開傘過載值通常小于20 g，因此空投開傘過載記錄儀的量程設計為100 g即可滿足需求。當航彈落地時，落地過載可達幾千個g。因此空投開傘過載記錄儀的特點應為小量程抗高過載。記錄儀的主要過載參數設置見表1。

表1 系統抗過載參數

2.2.1 傳感器的選擇

考慮到系統對傳感器的量程、抗沖擊能力以及非線性度要求。選擇美國SILICON公司的 Model 1221x-100電容式加速度傳感器，具有精度高、噪聲特性好、漂移低、溫度敏感性小、功耗低、結構簡單等優點。能夠很好的滿足記錄儀對傳感器的參數需求，具體技術指標見表2。

表2 Model 1221x-100技術指標

2.2.2 系統量程設計

傳感器滿量程為4 V，偏置電壓為1 V，所以輸出電壓最大值為5 V。而A/D轉換器所能轉換電壓最大為2.5 V，因此進入A/D轉換器前信號幅值應在2.5 V以內。采用兩個10 kΩ的等值電阻進行分壓，從而得到0～2.5 V的信號。傳感器自帶濾波器，所以信號調理電路中不需要加入濾波器，即傳感器采集回來的信號在通過分壓處理后可以直接進入A/D轉換器。如圖3所示。

圖3 信號調理電路

2.2.3 記錄儀殼體抗沖擊能力設計

主要從殼體設計和強化緩沖兩個方面對記錄儀抗高過載性能進行優化設計。該記錄儀的機械殼體內部分為兩部分:一邊是剛性螺母固定的加速度傳感器，另一邊為測試電路和供電電池。如圖4為機械結構圖。

圖4 記錄儀的機械結構圖

記錄儀外鋼殼為6 mm厚的特種鋼，經過淬火和陽極氧化處理后，機械強度增大，確保高沖擊后不變形。電路模塊采用高強度高硬度環氧樹脂真空灌封工藝，確保在高沖擊作用下，不致因灌封材料彈塑性變形拉斷板間連接線和板上焊點。如圖5為實物圖。

圖5 加速度記錄儀實物圖

3 試驗

3.1 馬歇特錘沖擊試驗

1)試驗設備:馬歇特錘、加速度記錄儀、邏輯分析儀。

2)實驗條件:在記錄儀正常工作情況下，用馬歇特錘對加速度記錄儀進行強度為65 g、5 000 g和65 g的沖擊。

3)實驗結果:圖6為經5 000 g加速度強沖擊前后，用馬歇特錘加相同加速度信號后記錄儀的輸出信號曲線。

圖6 強沖擊前后信號曲線

由圖發現，經5 000 g加速度沖擊后，記錄儀工作正常，滿足設計需求。

3.2 火箭滑車試驗

1)試驗設備:加速度記錄儀、火箭滑車?；鸺囍饕▌恿ο到y、制動系統、測控設備、滑車車體滑塊等，示意圖如圖7。

圖7 火箭滑車試驗示意圖

2)試驗條件:由火箭發動機推動火箭橇加速到192 m/s后停止加速，隨后打開航彈傘作為剎車裝置使滑行速度減小至90 m/s。所用航彈傘傘衣面積23 m2，傘衣阻力特征值12.65 m2。記錄儀記錄開傘全過程的加速度。

3)試驗結果

第一次開傘試驗加速度曲線如圖8。

圖8 第一次試驗加速度曲線

由實驗數據曲線知，火箭滑車試驗航彈傘在11.455 s開始充氣，11.986 s時充氣結束。開傘過載最大值出現在充氣結束點，過載值為4.645 g。

第二次開傘試驗加速度曲線如圖9。

圖9 第二次試驗加速度曲線

由圖9可知火箭滑車試驗航彈傘在11.572 s開始充氣，在12.270 s充氣結束。開傘最大過載值為4.252 g。

發現兩次開傘試驗所得數據重復性較好，曲線在充氣過程急速上升，下降過程成指數下降，這與Qm和vm成正比相符合。按照理論公式(8)，可以計算出開傘理論過載值應為4.591 g。與第一發數據相差0.054 g，與第二發數據相差 0.393 g，經多次驗證發現理論計算和現場試驗數值誤差在8%范圍內。證明該記錄儀可以用于空投過程的過載測量。

4 結論

文中主要從傳感器選擇、系統測量范圍設計、殼體抗沖擊力設計3個方面加強了記錄儀的抗過載性能。經過馬歇特錘沖擊試驗驗證，發現系統的抗沖擊能力在5 000 g以上，能夠很好的滿足空投中的高過載需求。最后驗證系統的測量準確度，經火箭滑車模擬實驗，發現記錄儀能夠滿足系統精確度需求，所以該記錄儀可以用于空投測試。

［1］《降落傘技術導論》編寫組.降落傘技術導論［M］.北京:國防工業出版社，1977.

［2］余莉，明曉，胡斌.降落傘開傘過程的試驗研［J］.南京航空航天大學學報，2006，38(2):176-180.

［3］王利榮.降落傘理論與應用［M］.北京:宇航出版社，1997.

［4］張文棟.存儲測試系統的設計理論及其應用［M］.北京:高等教育出版社，2002.

［5］朱仕永，祖靜，范錦彪.基于CPLD的彈載加速度存儲測試儀［J］.探測與控制學報，2009，31(3):42-45.

［6］文豐，任勇峰，王強.高沖擊隨彈測試固態記錄器的設計與應用［J］.爆炸與沖擊，2009，29(2):221-224.