王毅，張榮閣

(昆明船舶設(shè)備研究試驗中心計量站，云南昆明650051)

0 引言

空投魚雷是魚雷的一個類別，它是由飛機攜帶投放用于攻擊潛艇或水面艦艇的魚雷。在空投魚雷的外場試驗中，船載空投魚雷模擬發(fā)射裝置可以模擬直升飛機或固定翼飛機發(fā)射的環(huán)境條件。船載的發(fā)射架為垂直于發(fā)射甲板的門形架，在兩個門形架上部安裝有用于前飛模擬或懸停模擬的可運動的魚雷掛架車，發(fā)射裝置通過提升裝置安裝在掛架上。模擬發(fā)射架可以實現(xiàn)懸停發(fā)射、變角發(fā)射和帶速模擬發(fā)射等多種空投發(fā)射的試驗。在上述發(fā)射試驗中涉及到的主要參數(shù)包括:掛架運行速度、掛架發(fā)射懸停高度、掛架發(fā)射前飛投放平飛時間、變角發(fā)射角度等。與主要參數(shù)相關(guān)的輔助發(fā)射參數(shù)包括:發(fā)射氣瓶工作壓力、發(fā)射償壓、載雷車剎車時間、載雷車帶雷運行加速度、剎車力等。

在空投魚雷試驗過程中，投放位置環(huán)境因素對魚雷有重要影響。比如:船載發(fā)射架的隨機擺動而產(chǎn)生的投放點三維動態(tài)偏移及加速度、發(fā)射氣瓶產(chǎn)生的對載雷車的沖擊、載雷車投放魚雷時的速度方向、投放點周邊的風(fēng)力等。此類參數(shù)是試驗結(jié)果分析的重要支持數(shù)據(jù)，有必要進行測試、校準，為試驗提供完整的試驗環(huán)境動態(tài)數(shù)據(jù)。

由于空投魚雷在試驗前的靜態(tài)測試和試驗后對控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集無法對各種試驗參數(shù)數(shù)據(jù)的實時性、動態(tài)性進行描述，無法為試驗過程及空投魚雷在空中彈道初始時刻的動態(tài)參數(shù)提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析。而空投魚雷在空中彈道起始時刻的技術(shù)參數(shù)恰恰是影響其魚雷空中飛行姿態(tài)的最重要數(shù)據(jù)，也是影響空投試驗成功與否的關(guān)鍵。因此，對空投模擬發(fā)射裝置的關(guān)鍵運動部件在發(fā)射時的動態(tài)參數(shù)的計量測試和校準是非常重要的。

1 發(fā)射架結(jié)構(gòu)及運動模型分析

1.1 發(fā)射架、載雷車掛架結(jié)構(gòu)原理

魚雷高空投放模擬裝置(綜合發(fā)射船)包括:雙體船、測控系統(tǒng)、水聲測量校準裝置、懸停模擬裝置、專用發(fā)射裝置、發(fā)射架、前飛模擬發(fā)射裝置等組成。前飛發(fā)射裝置集成了載雷車和掛架，被安放在雙體船的門形發(fā)射架上，懸停發(fā)射裝置安裝在船尾架體中部，位置如圖1所示。

圖1 模擬發(fā)射裝置示意圖

加速裝置用于投雷裝置的加速，以模擬直升機前飛狀態(tài)投雷。由于帶有空投附件(降落傘等)的魚雷不能直接進行管裝發(fā)射，因此，作為該加速裝置驅(qū)動的高壓空氣不直接作用在魚雷上，而是作用在掛有空投魚雷的載雷車上。載雷車達到預(yù)定速度后，釋放空投魚雷。載雷車運動相關(guān)部件包括滾輪、車架、軌道和活動氣缸等，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 載雷車掛架結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 運動分析

通過對空投魚雷發(fā)射架及掛架的運動部件和固定部件的分析研究，根據(jù)其運動原理，確定各結(jié)構(gòu)部件對運動性能的影響，建立運動數(shù)學(xué)模型，解析從加速、勻速到減速過程的特征點，為傳感器選型參數(shù)提供數(shù)據(jù)支持。從分析數(shù)據(jù)得出懸停狀態(tài)、前飛狀態(tài)及變角狀態(tài)等投放模式下的掛架動態(tài)參數(shù)測量方法。

在試驗起動時刻，魚雷掛車從氣動沖擊得到前行動力，魚雷及掛架處于加速運行狀態(tài)。在加速運行后，轉(zhuǎn)變成短暫的勻速巡行，此時，釋放魚雷。此后，掛架小車在液壓剎車系統(tǒng)作用下開始剎車，最后停止。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)加速時間T1，勻速運行時間T2，減速運行時間T3，勻速時速度Vs。其理想運行速度變化曲線如圖3。

圖3 載雷車掛架運行速度變化曲線

事實上，在試驗開始時，由于高壓氣瓶的沖擊作用，發(fā)射架上的導(dǎo)向軌道必將產(chǎn)生振動。載雷車運動時，也一定會受到發(fā)射架軌道振動復(fù)雜噪聲的影響。因此，在釋放魚雷時，魚雷的姿態(tài)也必將受到影響。而具體影響的量化指標(biāo)補償，將可以在以下幾方面的數(shù)據(jù)分析中得到，即:①載雷車運行速度、加速度測試數(shù)據(jù);②發(fā)射架軌道三維振動沖擊測試數(shù)據(jù);③發(fā)射架軌道傾角檢測數(shù)據(jù)。在變角投放魚雷時，最重要的參數(shù)是變角角度。變角角度的靜態(tài)測量和校準是必須的，但發(fā)射狀態(tài)為動態(tài)過程，因此，需要根據(jù)實時測量的船體及發(fā)射架傾角姿態(tài)參數(shù)進行修正校準。

懸停投放時，投放架位置的三維姿態(tài)參數(shù)也是投放參數(shù)的重要校準數(shù)據(jù)。

2 工作原理與技術(shù)指標(biāo)

2.1 工作原理

1)前飛速度測量原理

光電編碼器是一種常用的精確測速傳感器，根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。本方案采用增量式編碼器對掛車前飛運動進行數(shù)據(jù)采集。

將增量式旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在魚雷掛車的滾輪上，編碼器固定采用抗震抗沖擊處理，結(jié)構(gòu)見圖4。編碼器聯(lián)軸器安裝在隨滾輪旋轉(zhuǎn)的同步傳動架反向軸上，在掛車運動時，滾輪軸固定編碼器不旋轉(zhuǎn)只作水平運動，同步傳動架隨滾輪同步轉(zhuǎn)動，將滾輪的轉(zhuǎn)動角度信息傳遞給編碼器，編碼器檢測到信號并由編碼器組件內(nèi)的電路、軟件進行處理并保存。

圖4 編碼器安裝結(jié)構(gòu)

魚雷掛車前進速度計算方法:設(shè)滾輪半徑R，滾輪周長C=2πR，轉(zhuǎn)動圈數(shù)為n，移動時間為t時，水平速度V=n·C/t。

編碼器分辨力為Pn=2000 p/r(即每圈2000個脈沖)時，根據(jù)在一定時間內(nèi)檢測到的脈沖數(shù)，就可以計算出魚雷掛車前進的速度。

設(shè)旋轉(zhuǎn)編碼器響應(yīng)頻率:100 KHz，上升/下降時間:100 ns，系統(tǒng)采樣頻率設(shè)定為1 MHz，即可滿足波形采樣的完整性。在實際數(shù)據(jù)分析時，采樣間隔取0.1 ms，即10000點/秒，可以繪制出速度變化曲線并滿足測量精度與數(shù)據(jù)分析的要求。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集檢測電路以單片機為控制核心，旋轉(zhuǎn)編碼器配置信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)保存芯片、時鐘、現(xiàn)場電源等部件，組成現(xiàn)場測試與數(shù)據(jù)采集組件，用以檢測旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖并計算滾輪轉(zhuǎn)速和魚雷掛車的運行速度。試驗后，現(xiàn)場傳感器組件采集到的數(shù)據(jù)通過RS485數(shù)據(jù)接口傳送到主機，用以進行數(shù)據(jù)分析。

2)沖擊振動測量原理

系統(tǒng)采用軸加速度傳感器進行沖擊振動測量。由于發(fā)射過程是以高壓氣瓶的氣動力為發(fā)射動力，由此而產(chǎn)生的對發(fā)射架和魚雷掛車軌道的沖擊和振動也是不可避免的。而魚雷掛車和固定在發(fā)射架上的結(jié)構(gòu)部件位于發(fā)射架頂部，也將產(chǎn)生瞬時多維擺動。因此，將沖擊測量傳感器安裝在發(fā)射機頂部軌道初始段位置，可以準確測量沖擊的影響。由于該安裝位置在非運動結(jié)構(gòu)架上，因此，可以用屏蔽電纜將傳感器連接的放大器信號引出到船上工作臺位置，實時進行數(shù)據(jù)采集。工作原理見圖5。

圖5 沖擊測量原理

3)姿態(tài)傾角測量原理

X-Y軸傾角傳感器安裝在掛架小車導(dǎo)軌平面上，安裝方式如圖6。在導(dǎo)軌所在水平面上，當(dāng)發(fā)射時產(chǎn)生沖擊或振動導(dǎo)致該平面傾斜時，傾角數(shù)據(jù)實時傳送到監(jiān)控主機并保存。傾角傳感器測量的X-Y軸傾角數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器的RS485接口通過屏蔽電纜傳送到監(jiān)控主機。

圖6 傾角傳感器安裝方式

4)采樣初始點同步原理

系統(tǒng)采用現(xiàn)場分離式和在線檢測式綜合數(shù)據(jù)采集模式。用旋轉(zhuǎn)編碼器組件對魚雷掛車的速度數(shù)據(jù)采集為現(xiàn)場分離式采集方式。因測速傳感器需要隨載體高速運動，因此，不適宜采用長距離的通訊線路。采集的實時數(shù)據(jù)保存在測速組件的存儲器內(nèi)，試驗進行后，從其通訊接口讀出。沖擊和傾角數(shù)據(jù)采集為在線檢測方式。上述兩種方式數(shù)據(jù)采集存在的問題是起始時間的統(tǒng)一模式。

由于整個系統(tǒng)的運動是從高壓氣瓶的開啟而起動的，無論是傾角數(shù)據(jù)的變化、沖擊數(shù)據(jù)的變化還是掛車的水平運動，起始信號都是高壓氣瓶的沖擊推力。因此，在離線的旋轉(zhuǎn)編碼器組件內(nèi)集成一個水平方向的加速度傳感器并配置信號放大器，將起始沖擊信號設(shè)定閾值，作為速度采集的起始點時間。該沖擊信號值與三軸加速度傳感器的X軸(水平橫向)信號相一致，從而使系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集起始時刻相一致。

圖7 采樣初始點同步原理

2.2 技術(shù)指標(biāo)

最大速度測量誤差:(40±0.025)m/s;

投放高度測量補償誤差:±0.1 m;

前飛投放平飛有效采樣時間:0～5 s;

載雷車加速距離:(3±0.1)m;

發(fā)射架穩(wěn)定參數(shù)測量誤差:橫搖、縱搖≤±0.01°;

系統(tǒng)采樣頻率:1 MHz。

3 數(shù)據(jù)采集與分析

3.1 數(shù)據(jù)分析軟件

完成測試及數(shù)據(jù)采集后，數(shù)據(jù)分析軟件將得出以下分析數(shù)據(jù):①魚雷及掛車的運行加速度、速度、加速運行距離、勻速運行距離、投雷點相對位置;②掛雷車軌道沖擊振動三維數(shù)據(jù)分析曲線;③水平導(dǎo)軌動態(tài)傾角變化分析曲線、投雷點垂直面位移數(shù)據(jù)。

根據(jù)系統(tǒng)特點，采用VC++實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集、整理和保存。在離線數(shù)據(jù)分析階段采用Matlab數(shù)據(jù)分析軟件進行。從空投試驗開始到魚雷投放結(jié)束，系統(tǒng)采樣時間小于2 s，并且采樣環(huán)境存在沖擊和振動等干擾，因此，各個傳感器采集的數(shù)據(jù)不可避免地存在數(shù)據(jù)噪聲和奇異點等特征。Matlab軟件提供了大量的數(shù)據(jù)處理函數(shù)可以有效地解決上述問題，為試驗結(jié)果提供合理有效、準確的分析數(shù)據(jù)。例如，在旋轉(zhuǎn)編碼器對掛車水平前飛速度采集時，由于導(dǎo)軌的沖擊和振動，編碼器輸出的計數(shù)信號有可能出現(xiàn)較大的波動。Matlab中提供了快速實現(xiàn)多項式擬合的方法polyfit()函數(shù)。該多項式擬合的目的是使整體的擬合誤差達到最小。假設(shè)在某一數(shù)據(jù)段的1 ms內(nèi)采集11個數(shù)據(jù)，x表示時間采樣點，y表示速度采樣值。為了用polyfit，我們必須給函數(shù)賦予數(shù)據(jù)和我們希望最佳擬合數(shù)據(jù)的多項式的階次。如果我們選擇n=1作為階次，得到最簡單的線性近似。通常稱為線性回歸。相反，如果我們選擇n=2作為階次，得到一個2階多項式。現(xiàn)在，我們選擇一個3階多項式。Matlab代碼和運行結(jié)果如下:

由圖8可以看出在速度采樣值波動較大時，經(jīng)過曲線擬合處理，可以有效獲得準確的采樣分析數(shù)據(jù)。

圖8 速度波形擬合

3.2 速度采集誤差分析

影響魚雷掛車水平運動速度、加速度檢測精度的原因主要有滾輪抖動誤差、脈沖采集誤差和安裝同軸誤差。

1)滾輪抖動誤差

滾輪抖動誤差主要是由于運行軌道的沖擊、振動而導(dǎo)致的滾輪摩擦力的動態(tài)變化。傳導(dǎo)至編碼器，使輸出信號周期與相位改變?？梢圆捎锚毩⒌碾S掛車在軌道上運動的防震防滑滾輪結(jié)構(gòu)設(shè)計而消除或降低誤差。

在實際數(shù)據(jù)分析時，可以根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力、滾輪實時速度和運行距離計算的脈沖數(shù)對實時采樣丟失數(shù)據(jù)進行擬合補償。

在實時采集數(shù)據(jù)情況下，假設(shè)滾輪周長500 mm，水平運行距離20 m，時間為1 s，則滾輪轉(zhuǎn)速40 r/s，速度波動范圍是(40±1)r/s，最大與最小相差為2 r/s。穩(wěn)速誤差為

式中:k為增量編碼器旋轉(zhuǎn)一周輸出的信號脈沖個數(shù)。編碼器精度k=2000時，δ1=3.24″。

2)脈沖采集誤差

脈沖采集誤差是由于編碼器輸出信號頻率過高而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣速率較低造成數(shù)據(jù)采集誤差。系統(tǒng)采樣頻率為1 MHz時，對編碼器輸出信號進行采集時，可能造成Δχ=1/1000000的采樣誤差。

當(dāng)速度為40 r/s時，誤差取得最大值為

3)安裝同軸誤差

通過剛性聯(lián)軸節(jié)將編碼器與滾輪連接，聯(lián)軸節(jié)安裝誤差是支架設(shè)計時已經(jīng)限定。其誤差最大為δ3=±2"。

4)誤差合成

滾輪抖動誤差、脈沖采集誤差和安裝同軸誤差是獨立存在的誤差。因此，系統(tǒng)總的誤差為

在速度波動范圍是(40±1)r/s時，系統(tǒng)測量誤差為6.43″，完全可以滿足使用要求。

4 結(jié)束語

本文通過對空投模擬魚雷發(fā)射架結(jié)構(gòu)及掛架運動模型的研究、對空投魚雷模擬試驗發(fā)射過程的環(huán)境數(shù)據(jù)采集方法的研究、對數(shù)據(jù)采集傳感器的適應(yīng)性研究，配置了高精度、高可靠性、高穩(wěn)定性、動態(tài)檢測元件和設(shè)備，采用現(xiàn)場分離部件同步采樣、實時動態(tài)數(shù)據(jù)存儲和集成式數(shù)據(jù)采集分析技術(shù)，設(shè)計了空投魚雷發(fā)射掛架動態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。從而提高靶場試驗數(shù)據(jù)的可靠性和權(quán)威性。同時，使試驗數(shù)據(jù)更加準確，為各試驗參試單位和部門提供科學(xué)、完善的數(shù)據(jù)分析環(huán)境，提高我國水中兵器湖上試驗水平，加快空投魚雷的研制和試驗進程。

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