張冬旭,姚曉先,陳 爽,張 鑫

(北京理工大學宇航學院,北京 100081)

一種二維彈道修正機構的仿真測試系統(tǒng)*

張冬旭,姚曉先,陳 爽,張 鑫

(北京理工大學宇航學院,北京 100081)

為了測量一種新型二維彈道修正機構的參數(shù)與動態(tài)性能,搭建了針對該修正機構的仿真測試系統(tǒng)。該仿真測試系統(tǒng)模擬了修正機構的工作環(huán)境,通過傳感器測量并記錄了修正機構在工作過程中的轉速、電磁轉矩、繞組電流等重要參數(shù),并對所記錄的數(shù)據(jù)進行處理和分析,評估修正機構的性能。實際應用表明,該仿真測試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,測量結果可為修正機構的設計與控制策略的制定提供實驗依據(jù)。

虛擬儀器;彈道修正機構;微型發(fā)電機;測試系統(tǒng)

0 引言

常規(guī)彈藥制導化是當今武器發(fā)展的一個主要趨勢。為傳統(tǒng)的榴彈、火箭彈、迫彈、航空炸彈等彈藥加裝控制模塊、探測模塊、慣性模塊、執(zhí)行機構等模塊后,傳統(tǒng)彈藥則具備了精確打擊能力。自20世紀60年代起,各發(fā)達國家就開始了對制導彈藥的研制[1]。彈道修正彈是制導彈藥的一種,其概念是美國人在20世紀70年代提出的[2]。其實施方式是在原有的榴彈、迫彈、火箭彈的引信位置加裝修正機構,由GPS或地面雷達探知彈丸飛行中某幾個時刻的空間位置,并將此位置與地面火控計算機或彈載計算機中預先裝定的理想彈道比較,根據(jù)偏差大小,控制彈上的修正機構對射程和方向進行一兩次或三四次修正[3]。

修正機構是彈道修正彈的重要部件,其性能決定了彈道修正能力。國內外對修正機構進行了大量研究。美國的北美BAE公司研制成功一種CCF,可用于旋轉穩(wěn)定彈的二維修正。瑞典的FFV公司研制的Strix迫彈采用脈沖發(fā)動機進行二維彈道修正。國內南京理工大學的黃建勛、馬少杰等研制了一種三位置電磁式舵機,用于火箭彈的二維彈道修正[4]。沈陽理工大學的孟慶宇、郝永平等研制了一種線性電動舵機,并對其氣動特性進行了計算[5]。國防科技大學的張曉今課題組對將脈沖發(fā)動機作為修正機構時的點火時序和控制方法也都進行了探討[6]。

1 工作原理和待測參數(shù)

1.1 彈道修正原理

文中所述二維彈道修正機構的核心是一個微型永磁同步發(fā)電機,用于旋轉穩(wěn)定彈。其結構如圖1所示。發(fā)電機線圈繞組鑲嵌在與彈體固聯(lián)的內軸上,永磁體鑲嵌在發(fā)電機外殼體的內部。外殼體和彈體內軸之間通過兩個軸承聯(lián)結。4片舵片固聯(lián)在外殼體上,均與彈體縱軸成一個固定的角度。其中舵片8與舵片10為操縱舵,舵片9與舵片11為差動舵。彈丸發(fā)射后,彈體在膛線的作用下高速旋轉,轉速可達16 000 r/min。彈丸在飛行中,差動舵會產生氣動滾轉力矩,在該力矩的操縱下,外殼體會減旋至反向旋轉,轉速較低,不超過700 r/min。

由于線圈繞組和永磁體間相對高速轉動,繞組中會產生感應電動勢。將繞組閉合后,繞組中會產生感應電流,彈體內軸和發(fā)電機外殼體間將產生電磁轉矩。作用在外殼體上的電磁轉矩和氣動滾轉力矩方向相反。通過調整電磁轉矩的大小,則可以調整外殼體的運動狀態(tài),進而調節(jié)操縱舵相對大地的位置。通過調整操縱舵的方位,則可以改變彈體的飛行方向,實現(xiàn)彈丸在射程和方向上的二維修正。

圖1 二維彈道修正彈執(zhí)行機構示意圖

1.2 待測參數(shù)

設作用在發(fā)電機外殼體上的氣動滾轉力矩為Ta,電磁轉矩為Te,摩擦轉矩為Tf,外殼體的轉動慣量為J,相對大地的轉速為ω。外殼體受力情況如圖2所示。那么發(fā)電機外殼體的動力學方程為:

(1)

由式(1)可以看出:電磁轉矩是發(fā)電機的一個重要指標,其決定了執(zhí)行機構的彈道修正能力。摩擦轉矩也是不可忽略的因素,其會影響到修正機構的動態(tài)特性。測試系統(tǒng)將測量發(fā)電機在不同轉速下的空載摩擦轉矩、滿載電磁轉矩、繞組電流等相關參數(shù)。對測量數(shù)據(jù)進行存儲、分析,以此來評估執(zhí)行機構的性能。

圖2 發(fā)電機外殼體受力示意圖

2 測試系統(tǒng)的組成

2.1 測試系統(tǒng)的功能

測試系統(tǒng)的功能概括起來有兩點:1)對發(fā)電機的工作環(huán)境和工作過程進行模擬;2)測試發(fā)電機在工作過程中的各項性能指標,完成對數(shù)據(jù)的采集、存儲和分析。測試系統(tǒng)主要由工控機模塊、傳感器模塊、電動機模塊、測試臺架及附屬裝置等組成。各個模塊的數(shù)據(jù)流向如圖3所示。測試系統(tǒng)的實體圖片如圖4所示。從左至右主要部件依次為高速電主軸、待測發(fā)電機、轉矩轉速傳感器和永磁同步電動機。所有部件均固定在測試臺架上。

圖3 測試系統(tǒng)框圖

圖4 測試系統(tǒng)實體圖

2.2 工控機模塊

工控機模塊是測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)核心,其通過運動控制卡向高速電機驅動器和低速電機驅動器發(fā)送運動控制指令,控制兩個電機運動;通過數(shù)據(jù)采集卡采集電流傳感器測量的繞組電流信號;通過串口卡接收轉矩轉速傳感器測量的轉矩信號和外殼體的轉速信號。測試軟件對反饋數(shù)據(jù)讀取、存儲,供實驗分析調用。

2.3 電動機模塊

電動機模塊包括高速電主軸和永磁同步電動機。高速電主軸采用數(shù)控磨床的電主軸,其輸出轉速最高可達20 000 r/min。電主軸通過法蘭與彈體連接,可帶動彈體高速旋轉。電主軸驅動器接受運動控制卡的速度指令,控制電主軸的轉速,使電主軸按照規(guī)劃好的轉速-時間曲線運轉,測試中用來模擬彈體轉速的變化。

永磁同步電動機采用高性能伺服電動機。其通過聯(lián)軸器與轉矩轉速傳感器和外殼體連接,三者共同旋轉。測試中用來模擬彈丸在飛行中修正機構的反向低速旋轉和所受的氣動滾轉力矩。該電動機的驅動器接受運動控制卡的速度和轉矩指令,精確控制電動機的轉速和轉矩輸出,用來準確模擬修正機構在實際飛行過程中的運動狀態(tài)。

2.4 傳感器模塊

傳感器模塊包括電流傳感器和轉矩轉速傳感器。電流傳感器用于測量發(fā)電機的繞組相電流和母線電流,接口電路如圖5所示。傳感器型號采用ACS712,其可將被測電流轉換為與之成比例的電壓信號。采集卡將4路電流信號采集后存入工控機磁盤。

轉矩轉速傳感器可以動態(tài)的測出作用在外殼體上的轉矩和其轉速,其輸出為幅值一定頻率可變的脈沖信號,待測轉矩和轉速為脈沖頻率的線性函數(shù),如式(2)所示。T、n為待測轉矩和轉速,f為輸出脈沖信號的頻率,a、b、c為傳感器的儀器常數(shù)。接口電路采用嵌入式處理器,將脈沖信號解算為轉矩值和轉速值,通過串口發(fā)送給工控機。

T=a·f+b

n=c·f

(2)

圖5 電流傳感器接口電路

圖6 轉矩轉速傳感器接口電路

2.5 測試臺架及附屬機構

為保證高速電主軸與永磁同步電機裝配的同軸性,減少測試過程中的震動,所有的機械部件均固定在由車床床身改造的測試臺架上。系統(tǒng)中還包括導電滑環(huán)、冷卻裝置、夾具等附屬機構。測試過程中,發(fā)電機在電主軸的驅動下高速旋轉,導電滑環(huán)將發(fā)電機的線圈繞組連接至電流傳感器接口電路。電主軸的高速旋轉會產生大量的熱,為保證測試系統(tǒng)的穩(wěn)定和器件的使用壽命,電主軸和導電滑環(huán)還分別配備了水冷系統(tǒng)和氣冷系統(tǒng)。其中包括水泵、液氮罐、閥門、循環(huán)管路等器件。

3 軟件設計及數(shù)據(jù)測量

3.1 測試軟件概述

測試軟件采用虛擬儀器技術開發(fā)。測試系統(tǒng)啟動后,首先進行初始化,配置采集卡和串口卡的參數(shù)。然后,將彈丸在飛行過程中彈體轉速和修正機構轉速的變化規(guī)律以及所受氣動滾轉力矩的變化規(guī)律裝定入工控機。工控機通過運動控制卡控制兩臺電動機以裝定的規(guī)律運動,分別模擬飛行過程中彈體和執(zhí)行機構的轉速變化。采集卡和串口卡分別采集和接收傳感器測量的數(shù)據(jù),存入計算機,以便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。

圖7 測試流程圖

圖8 測試軟件主面板3.2 空載測試

摩擦轉矩Tf主要來源于軸承,其大小會影響修正機構的動態(tài)特性。若令圖5中發(fā)電機的負載電阻開路,則繞組中沒有感應電流,此時電磁轉矩Te為零。將永磁同步電動機的轉速設定為恒定值,則測試系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后動力學方程(1)化為:

Ta=Tf

(3)

此時,轉矩傳感器的輸出就是摩擦轉矩。調節(jié)電主軸的轉速,分別測量電主軸在不同轉速時的摩擦轉矩。測量結果如表1所示。

表1 摩擦轉矩測量值

根據(jù)以上測量結果可以得到:摩擦轉矩的大小相對于電主軸的轉速變動不大。組與組之間的測量值差異主要是由軸承的品質和裝配精度引起的。選用高質量軸承,保證裝配精度,可以大大減小摩擦轉矩。

3.3 滿載測量

電磁轉矩Te的大小將決定修正機構的修正能力。如圖5所示的閉合回路,調整負載電阻的阻值,調整電主軸的轉速,永磁同步電動機的轉速保持恒定(約10r/s)。系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后,式(1)化為:

Ta=Te+Tf

(4)

此時,轉矩傳感器的輸出為電磁轉矩和摩擦轉矩的和。測量結果如表2所示。

表2 滿載測量結果

由測量結果可以看出,摩擦轉矩與電磁轉矩相比值很小,電磁轉矩的大小與電主軸的轉速成正相關,與負載電阻阻值成負相關。電磁轉矩的大小將為執(zhí)行機構的氣動設計和控制策略的制定提供依據(jù)。

4 結語

文中提出了基于虛擬儀器的二維修正彈修正機構的仿真測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可有效模擬修正機構的工作環(huán)境和工作過程,并能夠精確測量微型發(fā)電機工作過程中的重要參數(shù)。測試軟件界面友好,操作簡單,可進行實時配置,并能夠準確記錄、分析測量結果,為二維修正彈氣動外形的設計和控制策略的制定提供實驗依據(jù)。

[1] 祁載康. 制導彈藥技術 [M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2002.

[2] Regan F J. Aeroballistics of a terminally corrected spinning projectile (TCSP) [J]. J. SPACECARFT AIAA. 1975.

[3] 譚鳳崗. 彈道修正彈的概念研究 [J]. 彈箭技術, 1998(4): 2-11.

[4] 黃建勛. 彈道修正彈電磁式舵機系統(tǒng)設計 [D]. 南京: 南京理工大學, 2009.

[5] 孟慶宇. 二維彈道修正彈修正機構設計及其氣動特性分析 [D]. 沈陽: 沈陽理工大學, 2012.

[6] 劉欣. 脈沖式彈道修正彈運動穩(wěn)定性分析 [D]. 南京: 南京理工大學, 2007.

Research on Simulation and Measurement System of a Two-dimensionalTrajectory Correction Mechanism

ZHANG Dongxu, YAO Xiaoxian, CHEN Shuang, ZHANG Xin

(School of Aerospace Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

The simulation and measurement system was designed for a new type of two-dimensional trajectory correction mechanism in order to measure the parameters and dynamic performance of the new correction mechanism. With the simulation and measurement system, the working situation of the correction mechanism could be simulated and the pivotal parameters such as relative speed, electromagnetic torque and winding current could be sampled, stored and analyzed to evaluate the correction mechanism. Experiment shows that the simulation and measurement system has stable performance and the measurement results could lay experimental foundation for design and control of the correction mechanism.

virtual instrument; trajectory correction mechanism; micro generator; measurement system

2014-03-14

張冬旭(1986-),男,吉林長春人,博士研究生,研究方向:彈上執(zhí)行機構。

TJ765.4

A