趙卓茂,于 楊,丁 沛,任海臣

(北京強度環(huán)境研究所， 北京 100076)

航天器在飛行過程中部件分離、姿軌控制等動作的指令，往往通過各類火工裝置觸發(fā)功能部件執(zhí)行。關(guān)鍵性動作，如助推器分離、整流罩分離和級間分離等均需地面試驗考核[1]。快速展開機構(gòu)覆貼在結(jié)構(gòu)主體外圍，同樣需要地面試驗驗證支持。快速展開板繞固定軸旋轉(zhuǎn)展開，展開角度一般不超過30°，需要實現(xiàn)氣動特性功能。該機構(gòu)多含有軸對稱分布的數(shù)組結(jié)構(gòu)組件，具有打開時間短，定位精度高和同步性高等特點。若打開動作執(zhí)行不力，可能導(dǎo)致航天器整體性能損傷甚至失效[2-3]。地面試驗主要考核快速展開板打開同步性和驗證限位功能可靠性。必要時還需獲取旋轉(zhuǎn)角度隨時間歷程變化的詳細動態(tài)數(shù)據(jù)，為建立和修正仿真模型提供支撐[4]。

航天器的動態(tài)角度測量，一般采用在火工品工作完全結(jié)束后，由陀螺傳感器獲取角速度數(shù)據(jù)后積分的方法[5-6]?；鸸て饭ぷ鲿r，傳感器處于振動環(huán)境，數(shù)據(jù)積分后精度很差。目前，關(guān)于涉火工裝置的動態(tài)角度測量研究很少，尚未見到相關(guān)方法的系統(tǒng)分析。根據(jù)快速展開機構(gòu)以剛性運動為主的特點，提出了位移測量結(jié)合幾何關(guān)系計算獲取快速展開板動態(tài)角度的問題解決思路。

出于技術(shù)沿用性和可靠性考慮，航天器火工裝置動作行程的測量常采用靶線傳感器和拉線位移傳感器。但其均為接觸式測量，存在可能干擾功能性動作、精度較差的明顯缺點，并非最優(yōu)選擇。而近年來發(fā)展迅速的非接觸式傳感器在地面試驗中的優(yōu)勢逐步顯現(xiàn)，數(shù)據(jù)捕捉相對更精細準確，是傳統(tǒng)方法的替代或補充[7]。其中的代表是激光測距和高速攝像測距。

結(jié)合以上四種方法的特點和以往試驗經(jīng)驗分析，對于航天器快速展開機構(gòu)展開試驗的角度測量需求，應(yīng)可給出針對性強、可實施的方案和技術(shù)實現(xiàn)細節(jié)，并能通過試驗結(jié)果進一步總結(jié)各方法的優(yōu)劣勢和適應(yīng)性。文中僅涉部分利于闡述和比較方法的數(shù)據(jù)，不再展開詳述試驗過程和全部數(shù)據(jù)對比分析。

1 展開角度的幾種測量方法

航天器快速展開機構(gòu)示意圖如圖1所示，數(shù)組快速展開機構(gòu)沿結(jié)構(gòu)主體中心軸對稱環(huán)向分布。每組快速展開機構(gòu)接到發(fā)控指令后，動作器牽動快速展開板繞固連在結(jié)構(gòu)主體上的旋轉(zhuǎn)軸，由內(nèi)向外從豎直方向開始展開直至限位。限位機構(gòu)在動作執(zhí)行后應(yīng)可靠自鎖，并保證快速展開機構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性?？焖僬归_機構(gòu)整個動作時間為數(shù)百毫秒，快速展開板大幅旋轉(zhuǎn)持續(xù)時間為幾十毫秒。為快速執(zhí)行動作，動作器由火工品觸發(fā)，不局限于頂桿形式[8]。為保證快速展開機構(gòu)動作的一致性，多快速展開板可共用1個動作器或設(shè)置聯(lián)動機構(gòu)。試驗不要求小角度測量的準確性和高分辨率。靶線通斷法、拉線位移法和三角激光法均需要同時布置多套傳感器，一套傳感器對應(yīng)一個快速展開板。高速攝像法僅需一臺像機即可同畫幅囊括整個試件。

圖1 航天器快速展開機構(gòu)示意圖

1.1 靶線通斷法

靶線通斷法常見于軍品彈藥性能測試，一般用于獲取炸藥爆速、彈丸彈道速度和分離切割物的斷開時間等[9]。其原理為被測物體高速穿破靶線，形成通—斷或斷—通的電參數(shù)改變，可根據(jù)變化量來直接或間接計算求得變化時間或飛行速度，但不能直接得到連續(xù)位移信息。靶線一般選取延展率較低的纖細金屬絲。如圖2所示，對單個快速展開機構(gòu)而言，可將一組不同長度的連續(xù)靶線分別固定在主體和快速展開板上。每組靶線含L1～L5共5根，按快速展開板完全張開的5%、25%、50%、75%、95%調(diào)整連接長度后依次固定。各靶線串接對應(yīng)電阻R1～R5后并聯(lián)成一靶體，再整體串聯(lián)Rx后兩端施加預(yù)設(shè)電壓U。當快速展開板展開時，L1～L5依次在各預(yù)設(shè)角度斷裂，采集器獲取的Rx電壓信號同時躍變，可據(jù)此判斷快速展開板展開過程。

圖2 一組靶線測量原理圖

采集器獲取的Rx兩端電壓的5次階躍幅值應(yīng)大致相等。直流電源的輸出電壓可設(shè)為12 V，各電阻阻值應(yīng)遠大于靶線本體電阻且阻值不能隨意選取。以Rx為參照電阻，各電阻阻值和計算電壓值見表1。當參照電阻Rx=1 000 Ω時，R1、R2、R3、R4、R5應(yīng)分別選333 Ω、1 000 Ω、2 000 Ω、3 333 Ω、5 000 Ω阻值電阻或阻值相近的標準電阻。測量精度主要受靶線本身斷裂時受拉變形和安裝工藝影響。實際應(yīng)用時，多組快速展開板數(shù)據(jù)間同步性對比散差會十分明顯。靶線相對纖弱，在安裝過程中和安裝后容易脆斷，極大限制了試驗其他操作和應(yīng)用環(huán)境。

表1 各電阻阻值及計算電壓值

1.2 拉線位移法

拉線位移傳感器內(nèi)設(shè)旋轉(zhuǎn)編碼器和絞盤組件，因其具有結(jié)構(gòu)小巧、便于布置、價格低廉的優(yōu)勢，在制造業(yè)中普遍應(yīng)用[10]。傳感器引出拉線測量直線位移，可作單軸位移測量和動態(tài)空間測量。根據(jù)不同個數(shù)的排布特點，可分為一站法、二站法、三站法以及四站法，實現(xiàn)空間點坐標測量的要求。在航天領(lǐng)域，該類傳感器在地面和飛行試驗中均可見到，常用于運載器和武器的整流罩分離、各級間分離和尾罩分離等關(guān)鍵時刻的相對行程參數(shù)位置判斷，是重要的彈上“兩器”部件[11]。

展開試驗選點應(yīng)以無干涉、位移最大化，以及拉線延長線與結(jié)構(gòu)主體軸線垂直相交為原則。如圖3所示，傳感器主體通過支架安裝在主體近末端內(nèi)壁，牽引線水平拉出后將端頭固定在快速展開板上，保證初始位置落入測量有效區(qū)間。

圖3 拉線位移安裝及幾何關(guān)系示意圖

快速展開板旋轉(zhuǎn)會改變引出線與水平線的夾角，需根據(jù)牽引線運動路徑范圍在結(jié)構(gòu)壁面預(yù)擴長條通孔，起到避免測量時牽引線因剮蹭致彎曲或損壞的作用。忽略快速展開板厚度，可推導(dǎo)出快速展開板張開角α與引出線位移s間的關(guān)系為：

s2=h2(1-cosα)2+(d+hsinα)2

(1)

式(1)中：h是引出線快速展開板固定點到旋轉(zhuǎn)軸的長度，d是初始位置牽拉長度。

由于火工品的作用，拉線位移傳感器實際往往處于高速拉伸狀態(tài)，在加速和減速兩階段會因力的相互作用而拉伸變形或形成過沖，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。所以實測數(shù)據(jù)的判讀應(yīng)當審慎，必要時需對拉線傳感器進行動態(tài)標定，或結(jié)合其他手段輔助判讀。

1.3 三角激光法

激光測距是快速發(fā)展的新興技術(shù)，優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單、精度高、速度快和非接觸等，廣泛應(yīng)用于工業(yè)測量領(lǐng)域[12-14]。但目前仍存在難以兼顧精度和量程，長時監(jiān)測和功耗能力不夠完善，激光設(shè)備對力學(xué)環(huán)境要求相對苛刻等局限。這使得激光測距技術(shù)在航天器地面試驗的應(yīng)用遠多于飛行試驗?？焖僬归_板打開角度同樣可由快速展開板特征位置的位移根據(jù)幾何關(guān)系求得。三角法是其中一種優(yōu)選的激光位移測量方式。

以圖4直射式測量原理為例，激光源發(fā)射出一束激光，穿過聚焦透鏡L1打到快速展開板特定位置，經(jīng)反射通過接收物鏡L2至光電耦合器件成像。激光源、快速展開板和接收器之間形成一個幾何三角關(guān)系。當快速展開板轉(zhuǎn)動時，帶動表面的光斑位置信息改變，從而使接收器元件上的光斑位置信息和傳感器輸出電量相應(yīng)變化。一般為保證測量的準確度，激光三角法嚴格要求傳感器安裝方式，要求被測表面與光源路徑夾角垂直，移動路徑與光源路徑相同[15]。同時被測表面與光源間距離在傳感器有效測量范圍內(nèi)嚴格受限。例如參與試驗的某型高精度激光傳感器允許的測量范圍是55～135 mm。

圖5是三角激光法測量方案示意圖。將產(chǎn)品整體倒置，根據(jù)布置關(guān)系計算傳感器固定工裝高度和傾斜角β，以使快速展開板在轉(zhuǎn)動全程中避免與傳感器接觸，且利用到傳感器的近2/3量程，即70～125 mm。光源路徑應(yīng)與轉(zhuǎn)動半程時的快速展開板表面法線一致。快速展開板打開角α與激光測距響應(yīng)距離Δs相關(guān)：

a=tan-1(Δs·cosβ·(h-Δh)-1)

(2)

式(2)中: Δs=s0-s+η，Δh=Δs·sinβ,h是激光光斑到旋轉(zhuǎn)軸的距離，s0、s分別是傳感器輸出的初始距離和實時距離，η是因非垂直入射產(chǎn)生的趨勢項。

圖4 激光三角法測量原理

圖5 三角激光法測量方案示意圖

由于不滿足垂直入射條件，當快速展開板轉(zhuǎn)動時，激光路徑不變，傳感器輸出位移隨角度變化會產(chǎn)生一定的趨勢性誤差[16-17]。雖然該誤差不影響快速展開機構(gòu)打開同步性的判定，但不能直接用數(shù)據(jù)通過幾何關(guān)系判斷快速展開板轉(zhuǎn)動角度。試驗前實物標定，剝離混雜的被測物位移和轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，直接獲得轉(zhuǎn)角和傳感器輸出值的關(guān)系曲線，可以消除這一誤差。由于光電耦合器件對光照的敏感性，使用時要注意將傳感器放置在昏暗環(huán)境下，以保證性能正常發(fā)揮。試驗前應(yīng)注意避免傳感器長時間通電，否則可能出現(xiàn)嚴重時飄?？焖僬归_板表面光潔度差時，應(yīng)適當打磨或覆蓋更優(yōu)的標識物面。

1.4 高速攝像法

高速攝像法是航天器地面試驗中較常見的非接觸測量方法。一般見于火工品參與的分離、高速撞擊和旋轉(zhuǎn)等試驗，用于記錄結(jié)構(gòu)體的位置、狀態(tài)、運動姿態(tài)和電連接器的分離特性等性能參數(shù)。測量方法多為等待式測量，即高速攝像機靜置固定后對目標區(qū)域標定，試驗時由時統(tǒng)信號觸發(fā)啟動，通過光學(xué)原理對動態(tài)目標拍攝序列圖像。后利用數(shù)字圖像處理分析技術(shù)和解算算法對目標物進行準確測量或合理估計。根據(jù)攝像機參數(shù)、目標物和目標區(qū)域的不同，拍攝頻率多在200～50 000幀s-1。除獲取物體運動信息數(shù)據(jù)、測量范圍大、精度高和非接觸外，最大的優(yōu)勢是同時能直觀地記錄試驗時的其他現(xiàn)象[18-19]。

試驗可由圖6所示的1臺高速攝像機俯拍完成測量。由被測物直徑尺寸和快速展開板張開包絡(luò)確定機位高度。產(chǎn)品就位后攝像單元調(diào)試，利用標定設(shè)備及標定軟件進行測量標定。產(chǎn)品四周應(yīng)布置充足的新聞燈，提供滿足2 000幀s-1的照明條件。與火工發(fā)控系統(tǒng)時統(tǒng)聯(lián)試后可實施試驗。試驗獲得的照片可以直觀地對比各組快速展開板在同一時刻的瞬間位置和相對狀態(tài)。根據(jù)標定結(jié)果和制定關(guān)鍵追蹤點，通過程序?qū)D像的自動分析處理，解算快速展開板標識物位置和速度。角度換算關(guān)系與可參照拉線位移測量方法。

圖6 高速攝像法測量方案示意圖

快速展開板標識物通常是粘貼在快速展開板移動邊緣的黑白標準色塊?？焖僬归_板邊緣相對較薄，但成像處理有分辨率下限要求，所以該方法需要按照預(yù)先計算結(jié)果配置滿足像素要求的高速攝像機。像機技術(shù)能力略欠缺時，快速展開板端部可以粘貼數(shù)個帶有標識物的膠質(zhì)塊，增大標識視場比。若序列圖像噪聲相對較大，應(yīng)對圖像濾波去噪，采用小波變換或其他算法增強圖像弱邊緣區(qū)域，從而提高數(shù)據(jù)精度。另外，像機景深必須包絡(luò)快速展開板垂直向的運動范圍。機位的高空架設(shè)和垂直度保證也應(yīng)在試驗前予以考慮。

2 方法對比分析

4種方法的最主要差異是接觸與否。因方法的相對優(yōu)缺點與試驗?zāi)康?、試驗適應(yīng)性設(shè)計和操作工藝密切相關(guān)，基于某試驗狀態(tài)的量化分析參考意義不大，所以給出了用于動態(tài)角度測量的各方法的定性對比，見表2。非接觸式方法不干涉試驗過程和不損傷產(chǎn)品，天然比接觸式方法有較大優(yōu)勢。從測量精度看，兩種非接觸式方法更好，但它們的問題是使用條件較為苛刻，擴大應(yīng)用范圍有待相關(guān)技術(shù)的進一步發(fā)展。參與飛行遙測試驗時，技術(shù)方案會受到箭上空間狹小，環(huán)境復(fù)雜，儀器設(shè)備可能面臨高量級沖擊振動、高溫強光考驗的局限，按目前現(xiàn)有的技術(shù)條件可能只能選擇拉線位移法。但地面試驗可以同時利用多種手段獲取數(shù)據(jù)，后根據(jù)天地差異再類比分析修正拉線位移數(shù)據(jù)。所以實際使用時應(yīng)根據(jù)試驗特點選用其中一種或多種組合方法。一般地，靶線法干擾因素較多，同步性分析時一般不建議優(yōu)先使用。其余三種方法均能較好地滿足快速展開板打開的一致性測量需求。如需更準確的快速展開機構(gòu)角度隨時間歷程數(shù)據(jù)，應(yīng)盡可能地完成特種標校以提高精度。

表2 動態(tài)角度測量手段優(yōu)缺點對比

3 試驗驗證

依照四種方法對應(yīng)的技術(shù)方案，選用了靶線通斷法、拉線位移法和三角激光法實施試驗，基本達到了預(yù)期效果。采集發(fā)控系統(tǒng)主要由傳感器組、采集器、電阻模塊盒、地面發(fā)控臺、直流穩(wěn)壓電源和電纜網(wǎng)等構(gòu)成，設(shè)計框圖見圖7。

圖7 采集發(fā)控系統(tǒng)設(shè)計框圖

試驗舍棄高速攝像法的主要原因是三角激光法和高速攝像法對光照要求互斥，不便同時使用。同時，高速攝像法在航天地面試驗中應(yīng)用更為成熟，相對可以不再驗證其可行性和實施效果。另考慮到試驗?zāi)康?、成本和多方法互補的原因，拉線位移傳感器也未動態(tài)標定。

數(shù)據(jù)處理后發(fā)現(xiàn)，試驗結(jié)果和數(shù)據(jù)特點基本符合前文分析。三角激光法測量結(jié)果最為理想，信號曲線光滑完整，呈現(xiàn)了快速展開機構(gòu)快速展開板開始轉(zhuǎn)動、凹口螺釘斷裂、快速展開板限位、火工品動作結(jié)束和快速展開板回縮至穩(wěn)定等5個關(guān)鍵點和變化過程，與物理規(guī)律一致，可作為試驗的主要依據(jù)。圖8中挑選了兩組同步性較差的快速展開板旋轉(zhuǎn)動態(tài)角度試驗數(shù)據(jù)。其中，靶線信號階躍明顯，可清晰判讀靶線斷裂對應(yīng)打開角的時間點。雖然點位數(shù)據(jù)與激光結(jié)果基本相符，但散差相對較大，不利于同步性判定。拉線位移法數(shù)據(jù)同步性區(qū)分度高，能夠確定快速展開板的限位時刻。但出現(xiàn)難以忍受的“延遲-過沖”現(xiàn)象，如果不對照動態(tài)標定進行修復(fù)處理，動態(tài)角度數(shù)據(jù)則是無效的。

圖8 兩組快速展開板動態(tài)角度

4 結(jié)論

結(jié)合航天器典型快速展開機構(gòu)展開地面試驗需求，提出了利用位移參數(shù)測量結(jié)合幾何關(guān)系獲取旋轉(zhuǎn)動態(tài)角度的解決思路，并對四種測量手段進行了逐一分析和給出了適應(yīng)性參數(shù)獲取方案。從技術(shù)特點、優(yōu)缺點分析和試驗結(jié)果看，四種方案均具有可操作性。實際中可按照具體試驗?zāi)康暮蛯嵤l件選擇相應(yīng)的技術(shù)方案。整體上，非接觸式方法相較接觸式方法更具先進性和發(fā)展空間。后續(xù)應(yīng)當對兩種光學(xué)測量方法從標定方法、精度和誤差等方面繼續(xù)深入研究。