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(tài)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?？胀哆^程的安全。

空投過程傘彈系統(tǒng)運動形式在短時間內發(fā)生劇烈變化，會出現(xiàn)過載現(xiàn)象，而初始條件、系統(tǒng)參數(shù)及周圍環(huán)境因素都會對過載值產生影響［2］?，F(xiàn)存的測試系統(tǒng)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(tǒng)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(jù)。

1 過載最大值的理論推導

總結了一系列空投試驗結果發(fā)現(xiàn)［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(shù)C決定于傘型及織物透氣量。

③充氣過程中傘衣阻力系數(shù)Cs保持不變。

根據(jù)以上假設，當物傘系統(tǒng)做垂直下降時，出現(xiàn)最大動載瞬間的運動方程為:

式中:mxi為物傘系統(tǒng)質量;Gxi為物傘系統(tǒng)重量為出現(xiàn)最大動載時，物傘系統(tǒng)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(shù);vm為充滿速度;vl為拉直速度。

式中kv為速度修正系數(shù)。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(tǒng)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(tǒng)設計

2.1 記錄儀系統(tǒng)的總體設計

1)記錄儀系統(tǒng)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(shù)轉換，最后存儲到FLASH存儲器中。過程中，電源控制器為系統(tǒng)供電，中心控制器負責系統(tǒng)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(shù)據(jù)。

2)記錄儀工作狀態(tài)設計

記錄儀工作狀態(tài)包括:休眠狀態(tài)、等待觸發(fā)態(tài)、采樣存儲態(tài)、數(shù)據(jù)保持態(tài)、讀取數(shù)據(jù)態(tài)、擦除態(tài)。圖2為系統(tǒng)的工作狀態(tài)轉移圖，分別有以下6個狀態(tài):

圖2 記錄儀的工作狀態(tài)流程

①休眠狀態(tài):即低功耗狀態(tài)，電流＜10 μA。

②等待觸發(fā)態(tài):拔掉脫插件，計數(shù)器開始工作，電路進行1s延遲后自動觸發(fā)。

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

④數(shù)據(jù)保持態(tài):記錄完成后，記錄儀進入微功耗狀態(tài)，等待讀數(shù)。

⑤讀數(shù)態(tài):記錄儀通過USB接口與計算機相連，讀取記錄儀中數(shù)據(jù)。

⑥擦除態(tài):讀出數(shù)據(jù)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(shù)設置見表1。

表1 系統(tǒng)抗過載參數(shù)

2.2.1 傳感器的選擇

考慮到系統(tǒng)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(yōu)點。能夠很好的滿足記錄儀對傳感器的參數(shù)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(tǒng)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(yōu)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(huán)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(fā)現(xiàn)，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(tǒng)、制動系統(tǒng)、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(fā)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)兩次開傘試驗所得數(shù)據(jù)重復性較好，曲線在充氣過程急速上升，下降過程成指數(shù)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(fā)數(shù)據(jù)相差0.054 g，與第二發(fā)數(shù)據(jù)相差 0.393 g，經多次驗證發(fā)現(xiàn)理論計算和現(xiàn)場試驗數(shù)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(tǒng)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(fā)現(xiàn)系統(tǒng)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(tǒng)的測量準確度，經火箭滑車模擬實驗，發(fā)現(xiàn)記錄儀能夠滿足系統(tǒng)精確度需求，所以該記錄儀可以用于空投測試。

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