航行體出水載荷測試技術研究

陳柯勛

（北京強度環境研究所，北京100076）

航行體出水載荷測試技術研究

陳柯勛

（北京強度環境研究所，北京100076）

以實驗技術的手段獲取航行體水下和出水過程航行體表面壓力和運動姿態參數是獲取出水載荷和出水姿態參數的重要手段；提出了航行體水下試驗的航行體表面測量方法，設計了航行體出水載荷和姿態測量系統，將測量系統應用于水下試驗，成功獲得了航行體表面壓力和姿態參數；試驗結果表明：該系統滿足水下測量要求。

水下航行體；測量技術；測試系統；出水姿態；出水載荷

航行體在水下高速運動時，其表面低壓區的水會相變為水蒸氣，會在航行體表面產生空化現象，形成水汽混合的空泡。空泡（化）現象是一種十分復雜的物理現象，當航行體在水中高速運動時，其表面某些部位的壓力會因繞流的作用而降低。當流經這些部位的水因壓力過低而蒸發汽化，使流場局部呈現水-汽二相流動時，就標志著流場中發生了空泡（化）現象。空泡現象是航行體水下繞流中最重要的流動現象之一［1］。

隨著航行體的運動，空泡逐漸發展并在末端形成高壓回射流，當航行體出水時，空泡內的壓力升高，導致其中的水蒸氣會再次相變成為水，形成潰滅。空泡潰滅將在航行體表面產生非常高的壓力和沖擊形成所謂的空泡潰滅壓力脈沖，進而在結構中形成較高的彎矩載荷，很容易造成航行體結構破壞。因此利用試驗技術的方法，對空泡內的壓力隨速度的變化、出水時空泡潰滅的壓力特征以及航行體的姿態進行研究，并結合結構動力學方法，分析結構載荷形成的機理和規律，對于航行體的結構強度設計以及安全發射有著非常重要的意義［2-3］。

對于航行體水下試驗，采用有引線的測試方法不現實，采用無線的方法，價格昂貴、時間、效率和可靠性都不能滿足水下測量要求。圍繞這一需求，本文設計了航行體出水載荷和姿態的測量系統，測量系統放置于航行體內隨航行體一起運動，實時測量航行體表面壓力和運動姿態參數，試驗結束回收航行體讀取數據。

1 航行體出水載荷和姿態測量的總體設計

航行體出水載荷和姿態測量系統主要由傳感器陣列、電纜網、數據采錄裝置和讀數口組成。數據采錄裝置是整個系統的核心部分。

系統的總體設計思路：在模型表面沿軸向多個截面布置壓力傳感器，在航行體的質心處安裝慣性測量組件，模擬前端板將傳感器的輸出信號經信號調理、濾波等處理，傳送給數字采集板；數字采集板接收同采樣頻率的模擬前端板送來的電壓信號，經多路開關選擇后，由AD將電壓信號轉換成數字信號，并記錄在存儲單元中；試驗結束后回收航行體讀取數據。系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

航行體出水載荷和姿態測量系統的工作狀態有兩種，即在線監控狀態和飛行狀態。如圖試驗前航行體與地面監測計算機通過脫插連接，地面監測計算機通過發送命令讓數據采錄裝置執行狀態監控、采編和啟動記錄任務；數據采錄裝置收到記錄數據命令時，即進入飛行狀態，此時斷開和地面監測計算機之間的連接電纜，數據采錄裝置應保持記錄，并在達到記錄數據命令要求的時間時停止記錄。試驗后回收航行體并讀取數據。

2 航行體出水測量系統關鍵技術解決方法

2.1 數據采錄裝置硬件設計

數據采錄裝置是試驗測量系統的核心設備，主要由換流電源模塊、模擬前端板、數字采集板、監控電路板組成，完成試驗壓力、過載、角速度及時統信號的采集、編碼和存儲任務。試驗結束后，數據采錄裝置回收，與地面監測計算機配合，完成數據的讀取、分析和處理。數據采錄裝置原理框圖如圖2所示。

2.1.1 模擬前端板和數字采集板設計

模擬前端板將傳感器給出的信號作信號適配及濾波處理，然后送給數據采集板。數字采集板是整個數據采錄裝置的核心，由多路選擇器、AD轉換器、CPU、存儲單元、總線接口等組成。A/D轉換器是將輸入模擬電壓信號轉換為數字信號的關鍵部位。設計中采用AD公司的高速（1Msps）16位A/D轉換器AD7671。根據系統CPU高速數據采集、大容量存儲等特點，設計采用高速數字信號處理芯片TMS320LF2407A來實現。

存儲單元采用的是電子盤（工業級）存儲器。與普通Flash存儲器相比，電子盤具有速度快、容量大的優點；與普通硬盤相比，電子盤工作環境溫度寬、抗沖擊振動能力強、體積小、安裝形式多，更適合本測量系統。

圖2 系統總體框圖

2.1.2 監控電路板

監控電路板由RS422通訊電路、監控CPU、總線接口電路等幾個部分組成。監控CPU選用具有51單片機內核的C8051F320，它內置了溫度傳感器可以完成對內部溫度的測量，并且有USB控制器，支持USB 2.0協議，可以輕松實現USB通訊，而且具有功耗低、操作簡單等特點［4］。RS422通訊電路芯片選用MAXM公司的MAX3491 RS-485/RS-422收發器，如圖3所示。

圖3 MAX3491連接電路

總線接口電路負責將各個采集板上的存儲器數據通過并口總線傳送到監控電路板，再通過監控電路板上的USB口或RS422口上傳到監控計算機。總線接口電路電原理圖如圖4所示。

2.2 航行體和地面設備的接口設計

通過設計一個脫插實現地面設備與航行體的通訊，試驗前地面設備給出數據采錄裝置的啟動信號，控制系統給出時統信號，伴隨航行體的運動尾部電纜斷開，存儲器持續記錄數據至試驗結束。脫插接頭需考慮水下使用的安全性，避免短路引起數據采錄裝置的損壞。

2.3 系統低功耗設計

低功耗作為水下儀器中最重要的考慮因素之一，整個系統需要供電的模塊有壓力傳感器和變送器、慣性測量組件、換流電源模塊、模擬前端板、數字采集板、監控電路板等。系統的工作電流近2A，如不采用有效的低功耗設計方法直接影響試驗的數據采集［5］。本系統采用如下設計，最大限度降低功耗。如圖5所示。

選用TI公司的MSP430低功耗單片機作為系統的電源管理控制芯片，芯片工作電流小于7 mA。系統在采集啟動前為休眠狀態，整個系統只有MSP430單片機為激活狀態，當接收到系統的采集啟動信號后，單片機產生一個中斷，開啟模擬電路和數字電路電源，系統按照編程設定的參數采集數據。利用單片機內部的定時器設置系統的工作時間，當采樣結束時，單片機的定時器產生一個斷電中斷，斷開系統的模擬電路和數字電路的電源。系統采樣前和采樣結束后的工作電流小于10 mA，采樣工作時電流近2 A。采用這種方法實現了系統的低功耗設計。

圖4 并口總線接口電路

圖5 系統低功耗設計

3 測量系統在水下試驗的應用

航行體出水載荷和姿態測量系統多次成功應用于水下試驗，成功獲得近100%的有效數據。該系統抗干擾能力強，系統具有高可靠性能多次重復使用，系統防水性能良好，滿足水下測量要求。典型的航行體表面壓力和姿態參數如圖6～圖9所示。

圖6 航行體表面不同位置的壓力曲線

圖7 X向角速度隨時間變化曲線

圖8 Y向角速度隨時間變化曲線

圖9 Z向角速度隨時間變化曲線

航行體出水載荷和姿態測試數據有很好的信噪比，完全滿足水下測量的要求，為航行體出水載荷和出水姿態的研究提供了關鍵數據。

4 結束語

本文介紹了航行體出水載荷和出水姿態的測量方法。根據水下航行體表面壓力和姿態的測量要求，提出了系統的總體設計方案，對數據采錄裝置的核心模塊進行了設計，系統采用低功耗設計思想。試驗結果表明，測量系統能夠滿足航行體水下測量要求。該系統亦可用于更嚴酷的航行體水下試驗，其他無引線測量的場合，也具有一定的參考價值。

［1］權曉波，李巖，魏海鵬.大攻角下軸對稱航行體空化流動特性試驗研究［J］.水動力學研究與進展，2008，23（6）: 663-667.

［2］曹少珺，孫發魚.一種基于慣性測量組合的彈箭飛行姿態測試方法［J］.探測與控制學報，2007，29（6）:63-68.

［3］李代金，張宇文，黨建軍.潛艇垂射航行體出筒姿態的研究［J］.彈箭與制導學報，2009，29（4）:172-174.

［4］鄭雙，王悅.嵌入式系統電源的設計與調試［J］.單片機與嵌入式系統應用.2007（11）:67-68.

［5］陳淵睿，伍堂順，毛建一.動力鋰電池組充放電智能管理系統［J］.電源技術，2009（8）:666-670.

（責任編輯周江川）

Measurement Research of Under Water Vehicles of Out-of-Water Load

CHEN Ke-xun
（Beijing Institute of Structure&Environment Engineering，Beijing 100076，China）

The surface pressure of out-of-water progress and out-of-water attitude were analyzed.The method of underwater vehicle measurement was suggested and the sur-face load and out-of-water attitude testing system used in underwater experiment was designed.The sur-face pressure and out-of-water attitude were acquired by the testing system.The experimental result indicates that this system settles for underwater test.

underwater vehicle；measurement technique；testing system；out-of-water attitude；out-of-water load

陳柯勛.航行體出水載荷測試技術研究［J］.四川兵工學報，2015（11）：38-40.

format：CHEN Ke-xun.Measurement Research of Under Water Vehicles of Out-of-Water Load［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2015（11）：38-40.

TJ760.1

A

1006-0707（2015）11-0038-04

10.11809/scbgxb2015.11.011

2015-05-18

陳柯勛（1984—），男，工程師，主要從事光學工程與電子技術研究。