高超聲速火箭橇橇載遙測系統

劉 鵬，杜劍英，王西泉，王 茜，李鵬勃

(中國兵器工業試驗測試研究院，陜西 華陰 714200)

0 引言

火箭橇試驗是依托地面專用滑軌，以火箭發動機為動力進行的高速地面模擬試驗，能夠在地面有效模擬1∶1質量、外形的武器系統或關鍵部件的真實工作狀態。目前國外該類試驗技術中，美國的火箭橇地面最高速度可達到8.7Ma[1]，國內相關單位也在持續開展火箭橇試驗方面的研究，火箭橇試驗的速度已經從亞音速發展到超音速，現在正在向高超音速發展[2]。

火箭橇運行過程中，滑靴與滑軌間的間隙會引起劇烈的振動沖擊，火箭橇速度越高振動沖擊越劇烈、頻率越高，并且是X、Y、Z三個方向，特別是高超聲速火箭橇試驗，其振動峰峰值可達20 000g，這對橇載測試系統的環境適應性和可靠性提出了嚴苛的要求。測試數據是試驗評估的重要參考依據，而高超聲速火箭橇試驗橇體難以回收，只能依靠遙測獲取橇載測試數據。現有彈載遙測系統在火箭橇試驗近地飛行、尾焰衰減、高振動的工況下難以全程可靠運行。針對高超聲速火箭橇試驗工況，分析現有存儲系統和彈載遙測系統的不足，總結高超聲速火箭橇遙測系統的特點，設計適用于高超聲速火箭橇試驗的橇載遙測系統，使其滿足試驗測試需求。

1 火箭橇橇載測試現狀

1.1 橇載存儲系統

橇載存儲系統原理如圖1所示[3]。存儲系統由電源模塊、AD采集控制模塊、Flash組成。存儲系統電路簡單、功耗小、電池容量小、體積小，因此系統的抗振性好、防護簡單。

圖1 存儲系統原理Fig.1 Storage system principles

存儲系統適用于回收類火箭橇試驗，而近年來回收類試驗越來越少，高速侵徹類試驗越來越多，在侵徹類試驗中，彈藥撞擊目標靶板后，由于爆炸和劇烈的碰撞，存儲系統不僅難于回收，而且還面臨著裝置自身由于抗強沖擊、抗高振動能力不夠，導致不能及時、可靠地獲得試驗測試數據；同時采用的存儲方式也不能滿足有實時性要求的試驗需求[4]。

1.2 彈載遙測系統

彈載遙測系統主要用于導彈科研試驗、批抽檢或訓練等飛行試驗，實時監測導彈飛行試驗工作狀態，獲取飛行試驗數據，為導彈性能的分析、評估與改進設計提供科學數據依據[5]。將彈載遙測系統直接應用于火箭橇試驗中，存在以下問題：

1) 導彈飛行試驗中，只在主動段受到航向的過載較大，其過載一般不超過50g；而火箭橇運行全程，由于滑靴與滑軌的摩擦、約束，不僅有較大的航向過載，還有更大的三向振動，峰峰值可達10 000g以上，并且相比于存儲系統，遙測系統增加了發射機、天線等模塊，電池容量更大，這就對火箭橇遙測系統的環境適應性提出了嚴苛的要求。

2) 導彈飛行高度高，對于遙測地面站接收來說，不存在多徑效應的問題；而火箭橇全程貼地運行，遙測接收天線一直低仰角接收，造成遙測接收站的多徑干擾比較嚴重。

3) 導彈飛行過程中，發動機主動段時間短，并且遙測站可布設位置靈活，一般不用考慮尾焰對遙測無線信號的衰減；而火箭橇運行過程中，遙測接收站只能布設于火箭橇發射點的側后方，發動機全程有尾焰，對遙測無線信號的衰減至少20 dB[6]。

4) 火箭橇運行過程中，力學振動測試點位多、頻率高，相較于彈載遙測系統，火箭橇遙測系統傳輸碼速率高。

5) 為了準確分析火箭橇運行過程中的力、熱等特性，要求同類傳感器同步采集。

6) 彈載遙測系統一般采用全向天線，而火箭橇運行過程中，遙測地面站與火箭橇彈道相對位置固定，因此可將發射天線設計為定向。

7) 彈箭類飛行過程中的過載、沖擊比較小，遙測系統不需要進行灌封，其發射機的功放可通過殼體、彈體、空氣進行散熱；而火箭橇遙測系統必須進行灌封，灌封材料的導熱性能差，并且火箭橇尾焰衰減大，要求的發射功率比較大，因此在灌封時要充分考慮功放的散熱。

現有存儲、遙測系統均不能滿足火箭橇試驗橇載測試數據的可靠獲取要求，針對彈載遙測系統的不足，主要從系統抗振性、天線、信道裕量等方面開展研究，設計適用于火箭橇試驗的遙測系統。

2 橇載遙測系統

火箭橇橇載遙測系統應具備傳輸碼率高、定向天線、信道裕量大、抗振性好等特點。

橇載遙測系統采用模塊化設計，如圖2所示。系統由采編模塊、發射機模塊、鋰電池模塊、天線等獨立功能模塊組成。各模塊有自身的金屬殼體，模塊內單獨灌封，從而提高系統的可靠性和維修性。橇載遙測系統完成對傳感器供電；傳感器信號的調理變換、隔離采集編碼，并形成串行PCM數據流，在發射機內部進行基帶調制和上變頻；功率放大后，通過發射天線向空間輻射。

圖2 遙測系統總體框圖Fig.2 Telemetry system principle

2.1 采編模塊設計

采編模塊主要完成傳感器信號調理、AD采樣、PCM編碼功能，其原理如圖3所示。火箭橇運行時，橇載各點位數據相互耦合，特別是振動數據，為保證橇載數據分析的精確性，要求傳感器數據同步采集。

圖3 采編模塊原理圖Fig.3 Acquisition coding principle

采編模塊信號調理包含振動、沖擊、過載、溫度、靜壓、動壓等多種信號調理電路，其調理電路的輸出統一為±5 V的電壓信號。

AD采樣電路將調理電路輸出的±5 V模擬電壓信號轉換為數字信號，為實現同步采樣，選擇的AD轉換芯片為ADI公司AD7656，可實現6路ADC獨立采樣，吞吐速率為250 ksps，可實現6路模擬量的同步采集。如果單片AD7656不能滿足多路信號的同步采集，可將多片AD7656共用一套控制信號，以實現多路的模擬信號同步采集[7]。

PCM編碼模塊主要完成遙測數據PCM編碼，原理如圖4所示。PCM編碼模塊根據中心控制電路設定的碼率、碼型等信息，從雙口RAM中按照地址順序按位讀取數據進行PCM編碼、碼型變換、極性變換等處理，輸出PCM信號到發射機模塊。

圖4 PCM編碼原理圖Fig.4 PCM coding principle

2.2 發射機模塊

為保證橇載遙測系統的抗振性，發射機模塊需進行灌封，因此要充分考慮功放電路的散熱性。

發射模塊主要由調制器、上變頻器、功放組成，其原理如5所示[8]。調制器將采集到的數字量、模擬量編輯遙測數據幀，并調制為330 MHz中頻信號，經放大后輸出0 dBm中頻信號。上變頻器將330 MHz中頻信號帶通濾波后再次放大至+15 dBm，混頻為幅度約+8 dBm，頻率2.2～2.3 GHz的射頻信號，再經過RF帶通濾波，輸出+5 dBm射頻信號。功放內具有兩級放大電路，具有33 dB信號增益，功放級OP1 dB為+38 dBm。功放輸出通過隔離器與外部天線匹配。為改善功放散熱，選用效率大于40%，帶散熱封裝的功放電路，將功放芯片直接固定在殼體上，以整個殼體作為功放散熱器進行散熱，以滿足功放散熱要求。

圖5 發射模塊系統原理圖Fig.5 Transmitting system principle

2.3 天線設計

火箭橇試驗時，火箭橇運行軌道與遙測接收站的位置相對固定，因此將發射天線的輻射方向設計為定向，與彈載遙測天線相比較，其定向輻射增益可提高3 dB以上。

1) 天線波束寬度計算

火箭橇與遙測接收站的位置布局如圖6所示，火箭橇、火箭橇軌道和遙測接收站在同一水平面上。圖6中，火箭橇所運行的軌道長度為9 000 m，軌道B端距離遙測接收站1 000 m，且遙測接收站在偏離軌道軸線5°的方向上。當火箭橇在軌道A端時，經計算，遙測接收站在偏離軌道軸線0.499 5°的方向上。因此，建立如圖中所示的仿真坐標系，火箭橇位于坐標原點。在XOY平面上，遙測接收站位于角度為0.499 5°～5°所夾的波束寬度范圍內。遙測接收站距地面高度為3 m，因此，可以認為橇載天線與遙測接收站天線在同一水平面上。由于遙測接收站采用圓極化天線，從橇載天線需要小型化的角度考慮，橇載天線設計為線極化天線[9]。

圖6 橇載天線與遙測接收站的位置布局示意圖Fig.6 Location of antenna and telemetry station

考慮當天線安裝在火箭橇側壁的典型情況，如圖6所示，遙測接收站近似位于橇載天線的水平正后方，即XOY平面中，與X軸夾角為90°，YOZ平面中，與Z軸夾角為90°。

根據火箭橇試驗要求，采用低剖面的微帶形式。天線在火箭橇的徑向方向上增益最大，即圖6中的Y方向上，天線的增益最大。

2) 天線設計結果

天線在2.2～2.3 GHz范圍內，電壓駐波比VSWR≤1.5的工作帶寬大于30 MHz。天線在火箭橇的徑向±90°方向上的系統增益分別為1.480 5和1.453 9 dBi。天線增益在橇體前后方向的增益較高。

針對實際使用中的情形，對共形安裝到火箭橇表面的天線做天線-載體的一體化的建模仿真，在所建模型圖中，保持與實際使用情形一致，將所設計的天線共形安裝到火箭橇的表面。將火箭橇建模為長度800 mm，直徑為300 mm，底厚為6 mm的圓筒。此仿真模型忽略了實際火箭橇沿徑向的半徑變化，也對火箭橇的長度做了截斷簡化，仿真結果如圖7所示，天線在橇體前后方向增益較高，為2.7 dB。

圖7 天線仿真結果Fig.7 Antenna simulation results

2.4 系統抗振性設計

橇載遙測系統的環境適應性設計是本設計的難點，針對橇載振動、沖擊高的特點，主要采用以下措施提高其環境適應性。

2.4.1模塊化設計

采用模塊化設計，根據火箭橇遙測系統功能，將系統劃分為安裝桶、采編模塊、數據存儲模塊、發射機模塊、鋰電池模塊、天線等具有獨立功能的模塊。各模塊具有獨立的金屬殼體，模塊進行單獨灌封。這樣做既提高了系統的維修性又提高了設備的可靠性。

2.4.2元器件選型原則與連接方式設計

元器件全部選用BGA、QFP、SOP、PLCC等封裝，如圖8所示，這些貼片式元器件重量輕、高度矮、焊接方式可靠，可提高元器件與印制板連接的抗振動沖擊能力。

圖8 元器件圖Fig.8 Component diagram

連接器與電路板使用柔線與PCB電路板柔性連接，同時連接器通過螺釘與殼體剛性連接，PCB電路板與殼體通過螺釘剛性連接，并且電路板四周螺釘的間隔不超過3 cm，電路板中間位置也要有支撐柱支撐，并用螺釘進行剛性連接，同時對PCB電路板進行加厚設計，其厚度設計為1.5 mm，安裝殼體的厚度不小于6 mm，以保證遙測系統在受力情況下殼體和PCB電路板的形變盡可能小，避免元器件損壞。

2.4.3灌封材料選取

火箭橇試驗中，低頻振動(1 kHz以內)幅值一般不超過200g[10]，而高頻振動(10 kHz左右)的幅值達到5 000g以上。高頻高幅值振動是電子元器件失效的重要原因，因此，需通過灌封材料減小火箭橇遙測系統在火箭橇運行過程中的高頻高幅值振動，以提高系統可靠性。

選取聚氨酯PU、有機硅橡膠、環氧樹脂三類常用的灌封材料，設計結構件(如圖9所示)，利用振動臺進行隨機振動試驗，使用數據采集設備，同時采集安裝在結構件和預埋在灌封材料中的振動傳感器數據，通過頻譜分析，比較不同灌封材料的減振效果。

圖9 結構件安裝Fig.9 Installation of Structural parts

對無減振和三種灌封材料的振動傳感器數據進行頻譜分析，如圖10—14所示。可以看出三種減振材料對高頻沖擊都具有一定的減振效果，其中硅膠減振效果最好，并且硅橡膠越厚，低頻共振點頻率越低。

圖10 無減振狀態下的結構件隨機振動頻域Fig.10 Frequency domain without damping state

圖11 PU聚氨酯材料隨機振動頻域Fig.11 Frequency domain of polyurethane

圖12 環氧樹脂材料隨機振動頻域Fig.12 Frequency domain of epoxy resin

圖13 有機硅橡膠材料隨機振動頻域Fig.13 Frequency domain of organic silicone rubber

圖14 不同厚度有機硅橡膠頻譜Fig.14 Spectrum of organosilicone rubber with different thickness

2.4.4灌封要求

1) 模塊調試完成，各項功能指標滿足技術指標后，再對模塊進行整體灌封，確保模塊灌封為一個整體，提高模塊抗振動沖擊能力。

2) 各模塊與安裝桶安裝完成后，再對模塊與安裝桶進行灌封，確保模塊與安裝桶灌封為一個整體(過線孔除外)，提高模塊抗振動沖擊能力。

3) 數據采集子系統與單彈體安裝完成后，對過線孔進行灌封，提高線纜及連接器的抗振動沖擊能力。

通過以上抗振性設計，對有機硅橡膠灌封前后的模塊進行結構力學仿真，仿真結果如圖15所示，結果表明加灌封材料后設備一階固有頻率和變形有明顯提高。

圖15 灌封前與灌封后一階固有頻率Fig.15 First order natural frequency before and after potting

2.5 遙測傳輸鏈路計算

傳輸距離不小于10 km，遙測頻率為2.3 GHz，碼速率為10 Mbps，按便攜式地面站對橇載遙測系統的通信距離作估算，如表1所示。電平裕量為23.3 dB，發動機尾焰對遙測信號的衰減為20 dB左右，因此橇載遙測系統可以滿足10 km火箭橇試驗測遙測需求。

表1 系統裕量計算Tab.1 System margin calculation

3 試驗驗證

3.1 沖擊響應譜試驗

對火箭橇遙測裝置進行了X、Y、Z三個方向的沖擊響應譜試驗，如圖16所示，沖擊響應譜參數如表2所示，遙測裝置全程工作正常。

圖16 沖擊響應譜試驗Fig.16 Impact response spectrum test

表2 沖擊響應譜參數Tab.2 Impact response spectrum parameters

3.2 火箭橇試驗

火箭橇遙測裝置如圖17所示，搭載某型號3Ma以上火箭橇試驗，采集火箭橇橇載數據，在高沖擊、高振動的環境下，可靠獲取全程橇載測試數據；通訊距離、遙測誤碼率、測試精度均達到試驗測試要求，其中某點位的三向(橫向、垂向、切向)振動傳感器數據如圖18所示，振動峰峰值近20 000g。

圖17 火箭橇遙測系統Fig.17 Rocket sled telemetry system

圖18 火箭橇某點位三向振動數據Fig.18 Triaxial vibration data

4 結論

針對高超聲速火箭橇試驗中，橇載遙測系統所受沖擊振動大，遙測信號受尾焰干擾衰減嚴重，遙測信號傳輸碼率高，遙測信號多徑效應等特性，設計了一種適用于高超聲速火箭橇試驗的橇載遙測系統。為改善高超聲速火箭橇試驗高頻高幅度振動對遙測系統的影響，通過振動試驗優選出有機硅橡膠進行灌封，并對器件選型、連接固定、結構、灌封流程等提出設計要求。針對火箭橇特殊的試驗現場，設計了適用于火箭橇試驗的微帶覆形定向天線，在火箭橇運行全程，其發射天線的增益可以達到2.7 dB。通過理論計算，驗證了系統設計滿足10 km火箭橇試驗在全程尾焰衰減情況下的信道傳輸。該火箭橇遙測系統已應用于多個火箭橇試驗，其最大速度3Ma以上，均可靠取得全程橇載測試數據。