薛云芳，張 飛，楊建波，陳 熠

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所 結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

1 引 言

飛機(jī)起落架落震試驗(yàn)用于模擬飛機(jī)在著陸/著艦過程中的動(dòng)態(tài)特性，以往針對飛機(jī)著陸載荷的分析，通?；趩误w起落架的落震試驗(yàn)結(jié)果分析全機(jī)的著陸/著艦特性[1]，數(shù)據(jù)支撐不夠全面和完整。全機(jī)落震試驗(yàn)是驗(yàn)證艦載機(jī)著艦動(dòng)載荷預(yù)測方法和結(jié)構(gòu)/結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的唯一可靠方法，所以開展全機(jī)落震試驗(yàn)研究勢在必行。

全機(jī)落震試驗(yàn)旨在考核飛機(jī)在各種著艦邊界條件下的強(qiáng)度，通過分析飛機(jī)起落架和機(jī)身各部件承受的載荷來判斷機(jī)體是否產(chǎn)生結(jié)構(gòu)失效，以此驗(yàn)證機(jī)體的結(jié)構(gòu)完整性。全機(jī)落震試驗(yàn)不僅要驗(yàn)證艦載機(jī)著艦時(shí)起落架的沖擊載荷、緩沖性能和越過甲板障礙物等動(dòng)態(tài)特性，還要考核駕駛員以及飛機(jī)上的油箱、電子系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、外掛等設(shè)備在著艦沖擊環(huán)境下承受的過載是否超過允許值等。在更為嚴(yán)酷的沖擊條件下，結(jié)構(gòu)的彈性效應(yīng)和起落裝置的非線性特性難以通過計(jì)算得到準(zhǔn)確的結(jié)果，所以基于著艦沖擊試驗(yàn)的載荷分析在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中起著非常重要的作用。全機(jī)落震試驗(yàn)可以通過控制飛機(jī)的著艦姿態(tài)(俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航)考核著艦沖擊載荷和機(jī)體各關(guān)鍵部位的彈性響應(yīng)，獲得更準(zhǔn)確、更完整的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而支撐飛機(jī)設(shè)計(jì)和研制。

全機(jī)落震試驗(yàn)中測量項(xiàng)目多、測點(diǎn)位置分布廣、采集數(shù)據(jù)體量大、測試環(huán)境復(fù)雜，早期集中式測試系統(tǒng)已無法滿足現(xiàn)在大型飛機(jī)全機(jī)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的測試需求。本文基于全機(jī)落震試驗(yàn)中這些難點(diǎn)和需求，采用分布式網(wǎng)絡(luò)化動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)，解決了全機(jī)落震試驗(yàn)中測試系統(tǒng)出現(xiàn)的各種問題，滿足試驗(yàn)測試要求，獲得了準(zhǔn)確、可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 全機(jī)落震試驗(yàn)分布式網(wǎng)絡(luò)化動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)組成

所謂分布式網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)是指通過局域網(wǎng)將分布于各個(gè)測控點(diǎn)且能獨(dú)立完成特定測試功能的測量單元連接起來，達(dá)到測量資源共享、協(xié)同工作、集中管理、負(fù)載均衡、過程監(jiān)控和設(shè)備診斷等目的，具有智能性、動(dòng)態(tài)性、分布性、實(shí)時(shí)性、擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)。

在全機(jī)落震試驗(yàn)中，根據(jù)被測試驗(yàn)件測點(diǎn)繁多、測位復(fù)雜、測試數(shù)據(jù)體量大，以及試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)采集的高同步性、高精度等特點(diǎn)，開發(fā)了一套分布式網(wǎng)絡(luò)化的測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)將各測量單元就近分布安置在飛機(jī)各個(gè)被測量端附近，這種系統(tǒng)布置法減少了測試線纜的數(shù)量，縮短了線纜長度，便于測試系統(tǒng)的維護(hù)和排故。網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)各測量單元不僅可以獨(dú)立工作，還可以與其他測量單元實(shí)現(xiàn)同步觸發(fā)、同步采集和試驗(yàn)數(shù)據(jù)同步上傳，并且試驗(yàn)人員可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，各子系統(tǒng)通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)采集設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備和數(shù)據(jù)處理分析設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。該測試系統(tǒng)主要包含多通道動(dòng)態(tài)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速攝像圖像采集分析處理系統(tǒng)、非接觸式全機(jī)姿態(tài)紅外三維運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)、分布式全視場實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)等子系統(tǒng)，具有高可靠性、高精度、高采樣、高同步、高實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)。全機(jī)落震試驗(yàn)分布式網(wǎng)絡(luò)化動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

2.1 動(dòng)態(tài)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

動(dòng)態(tài)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個(gè)測試系統(tǒng)的核心測量設(shè)備，該套系統(tǒng)主要由動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集器(共10套子系統(tǒng))、交換機(jī)、測試計(jì)算機(jī)，以及數(shù)據(jù)采集、分析軟件等組成，連接示意圖如圖2所示。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集器根據(jù)各傳感器分布位置，采用分布式在試驗(yàn)件周圍就近安裝定位，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各下位機(jī)通過IRIG-B-DC高精度同步時(shí)鐘完成各通道間的同步采集和同步觸發(fā)，再通過交換機(jī)連接至數(shù)據(jù)采集中心(上位機(jī))，通過交換機(jī)進(jìn)行集中數(shù)據(jù)交換，所有參數(shù)設(shè)置、試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存均由上位機(jī)統(tǒng)一配置和操作。測試完成后，所有動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集器的測試數(shù)據(jù)可以整合為一個(gè)數(shù)據(jù)文件，可實(shí)時(shí)完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的上傳、分析、再計(jì)算和顯示監(jiān)控等。

圖2 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)組成示意圖

2.2 非接觸式高速攝像圖像采集分析處理系統(tǒng)

由于試驗(yàn)環(huán)境會(huì)受到強(qiáng)電磁干擾、強(qiáng)振動(dòng)、大過載、安裝位置受限等因素的影響，為完成落震試驗(yàn)過程中起落架輪軸中心的位移測量，在被測試驗(yàn)件上安裝傳統(tǒng)的位移傳感器(拉線、超聲波、激光等傳感器)直接測量的方法均無法滿足試驗(yàn)測試的要求，因此采用這種非接觸式高速攝像測量的方法進(jìn)行輪軸中心位移測量。

高速攝像圖像分析處理系統(tǒng)是利用高速視頻影像技術(shù)對試驗(yàn)過程中需要監(jiān)控的對象進(jìn)行定量分析，主要依據(jù)攝影測量原理，對被測目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤、采集、計(jì)算和分析。在試驗(yàn)件的被測點(diǎn)上粘貼mark標(biāo)，利用專用觸發(fā)模塊完成多個(gè)高速相機(jī)的同步觸發(fā)和同步采集。再利用圖像分析和處理軟件跟蹤并計(jì)算圖像中mark標(biāo)上任意一點(diǎn)坐標(biāo)位置繪制被測點(diǎn)的位移變化，得到需要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。高速攝像采集分析處理系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 高速攝像采集分析處理系統(tǒng)

2.3 非接觸式全機(jī)姿態(tài)紅外三維運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)

非接觸式全機(jī)姿態(tài)紅外三維運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)主要用于全機(jī)落震試驗(yàn)過程中機(jī)體的姿態(tài)監(jiān)控。該三維運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)是利用紅外高速攝像機(jī)發(fā)出特定波長的紅外線，經(jīng)過反光標(biāo)記球反射紅外線，通過TRACKER動(dòng)作捕捉軟件計(jì)算出標(biāo)記球在空間中的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)前將標(biāo)記球固定在機(jī)體的關(guān)鍵部位，通過跟蹤標(biāo)記球得到被測物體各個(gè)部位或整個(gè)機(jī)體的空間位置信息。由于是動(dòng)態(tài)持續(xù)測量，所以可實(shí)時(shí)解算得到關(guān)鍵部位的速度、加速度、俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航等數(shù)據(jù)。

該測試系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是精度高、采集范圍廣、數(shù)據(jù)處理速度快、試驗(yàn)數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)輸出。全機(jī)總體變形非接觸測量系統(tǒng)組成示意圖如圖4所示。

2.4 分布式全視場實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

利用多套攝像機(jī)組建了一套全視場視頻監(jiān)控系統(tǒng)，能夠有效地對試驗(yàn)現(xiàn)場和試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行全面掌控，同時(shí)還有助于試驗(yàn)后的分析。落震試驗(yàn)的整個(gè)過程中都需要利用該套系統(tǒng)對試驗(yàn)全程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并進(jìn)行錄像和保存。該系統(tǒng)能監(jiān)控試驗(yàn)件的航向、側(cè)向、逆航向關(guān)鍵部位以及整機(jī)的全景。多套像機(jī)通過主控計(jì)算機(jī)將視頻數(shù)據(jù)上傳至試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中心以及大屏監(jiān)控中心，現(xiàn)場人員可通過大屏監(jiān)控直接全方位觀察試驗(yàn)現(xiàn)場畫面。分布式全視場實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 分布式全視場實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

3 全機(jī)落震試驗(yàn)關(guān)鍵測試技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)的同步觸發(fā)與同步采集

全機(jī)落震試驗(yàn)要求數(shù)據(jù)采集的同步性，為滿足各測量單元同步采集和同步觸發(fā)， 需要將各測量單元的系統(tǒng)時(shí)鐘同步。本測試系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)核心交換機(jī)接收來自GPS時(shí)鐘源的時(shí)間信號，同時(shí)把主控時(shí)鐘通過以太網(wǎng)絡(luò)傳遞給下一層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘同步。通過軟件補(bǔ)償校準(zhǔn)時(shí)鐘偏差和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，從而控制各測量單元工作在同一時(shí)間點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)分布式測試系統(tǒng)同步工作。

3.2 動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量

全機(jī)落震試驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量不同于準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變測量，結(jié)構(gòu)件的應(yīng)變以應(yīng)變波的形式經(jīng)過試驗(yàn)件、彈性元件和粘合層快速傳播至應(yīng)變片，然后轉(zhuǎn)換成電阻參數(shù)的變化量，從而得到試驗(yàn)過程中試驗(yàn)件被測點(diǎn)產(chǎn)生的應(yīng)變。

應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)測量要求被測信號中的高頻分量不失真，有足夠高的頻率響應(yīng)。影響應(yīng)變片頻響最主要的因素就是選擇合適長度(標(biāo)長為I)的應(yīng)變片，應(yīng)變測量的信號是其標(biāo)長范圍內(nèi)真實(shí)應(yīng)變分布的平均值。標(biāo)長越短，應(yīng)變非均勻性造成的測量誤差越小，應(yīng)變片的頻響越高。通常要求應(yīng)變片標(biāo)長I≤(0.05～0.1)λ，此時(shí)的測量誤差≤1%，滿足試驗(yàn)要求。再配以高精度、高采樣率的應(yīng)變采集系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確采集微小的脈沖信號，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測量精度。

3.3 大數(shù)據(jù)的傳輸

本試驗(yàn)采集通道多，采樣率高，試驗(yàn)過程中采集的數(shù)據(jù)量極為龐大，試驗(yàn)過程中易發(fā)生電腦死機(jī)、網(wǎng)絡(luò)癱瘓、程序報(bào)錯(cuò)等風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)對措施是采用萬兆級交換機(jī)，所有測試計(jì)算機(jī)配備固態(tài)硬盤，規(guī)定各測量單元輸出數(shù)據(jù)格式，合理設(shè)置各測量單元的輸出帶寬等。在試驗(yàn)調(diào)試階段開展了模擬試驗(yàn)，在試驗(yàn)件靜態(tài)情況下，各測量單元進(jìn)行空采，根據(jù)采集數(shù)據(jù)量的大小摸清了測試電腦的能力，確保不在試驗(yàn)過程中發(fā)生意外。

3.4 數(shù)據(jù)的處理和分析

利用LabVIEW虛擬儀器編程軟件開發(fā)了全機(jī)落震試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示試驗(yàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果，便于試驗(yàn)操作人員實(shí)時(shí)判斷試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排查試驗(yàn)測試系統(tǒng)的異?，F(xiàn)象和故障點(diǎn)。程序界面顯示如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件界面

3.5 試驗(yàn)抗干擾技術(shù)

全機(jī)落震試驗(yàn)現(xiàn)場情況比較復(fù)雜，存在大量的電磁、機(jī)械振動(dòng)以及噪聲干擾源，這些干擾會(huì)影響傳感器、計(jì)算機(jī)甚至整個(gè)測試系統(tǒng)的正常工作，造成測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、控制狀態(tài)失靈、程序運(yùn)行失常、測試儀器失靈和損傷等現(xiàn)象。通過分析各種干擾的產(chǎn)生、來源、耦合方式和傳導(dǎo)模式，采用如下相應(yīng)的抗干擾技術(shù)手段，在試驗(yàn)中獲得高質(zhì)量、高精度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。采用屏蔽技術(shù)抑制由大功率交流電機(jī)和變頻器在通斷時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾。其中，接地降噪示意圖如圖7所示。

(1)采用帶屏蔽網(wǎng)的雙絞導(dǎo)線抑制由信號線回路產(chǎn)生的電磁干擾；

(2)采用隔離方式抑制由電源電路引起的電磁干擾；

(3)采用合理的單點(diǎn)接地方法抑制測量系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲干擾；

(4)采用合理的軟件濾波方法抑制其他因素的高頻干擾。

圖7 接地降噪示意圖

4 應(yīng)用實(shí)例

本系統(tǒng)應(yīng)用于某型飛機(jī)全機(jī)落震試驗(yàn)中，該試驗(yàn)要求動(dòng)態(tài)測試點(diǎn)多達(dá)600多個(gè)通道，需要完成姿態(tài)、加速度、應(yīng)變、載荷、速度、壓力、位移等多物理量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量，試驗(yàn)具有規(guī)模大、測試系統(tǒng)復(fù)雜、測量參數(shù)多、測點(diǎn)分布廣、測試精度高等特點(diǎn)。

4.1 測量參數(shù)

試驗(yàn)中需要測量的物理參數(shù)如下：

(1)地面載荷測量：作用在前、主起落架機(jī)輪上的航向、垂向和側(cè)向載荷分別用安裝在各機(jī)輪正下方固定于地面的三向測力平臺(tái)進(jìn)行測量；

(2)輪胎壓縮量測量：用安裝在各機(jī)輪正側(cè)面的高速攝像進(jìn)行測量；

(3)緩沖器行程：前、主起落架緩沖器行程用安裝在起落架緩沖器上的拉線位移傳感器進(jìn)行測量；

(4)氣腔壓力測量：緩沖器氣腔壓力用安裝在緩沖器充氣嘴上的壓力傳感器進(jìn)行測量；

(5)位移、速度測量：飛機(jī)指定部位的位移和速度使用全機(jī)總體變形非接觸測量系統(tǒng)(即三維運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng))進(jìn)行測量；

(6)加速度測量：用安裝在機(jī)體重點(diǎn)結(jié)構(gòu)部位的加速度傳感器進(jìn)行測量；

(7)應(yīng)變測量：用粘貼在機(jī)體疑似危險(xiǎn)部位的應(yīng)變片進(jìn)行測量；

(8)拉桿載荷測量：用粘貼在拉桿重點(diǎn)監(jiān)控位置的應(yīng)變片通過載荷標(biāo)定后，進(jìn)行載荷測量；

(9)仿升力測量：仿升力用拉壓力傳感器進(jìn)行測量；

(10)飛機(jī)姿態(tài)測量：用安裝在不同方位的慣性傳感器和攝像機(jī)同步監(jiān)控機(jī)體姿態(tài)。

4.2 測量設(shè)備

試驗(yàn)過程中用到的測量設(shè)備如表1所示。

表1 測量設(shè)備清單

4.3 試驗(yàn)流程

全機(jī)落震試驗(yàn)先進(jìn)行各子系統(tǒng)安裝和調(diào)試，再進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際測試環(huán)境情況，將各測試子系統(tǒng)合理分布在飛機(jī)四周，測試系統(tǒng)實(shí)時(shí)完成現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控、顯示、計(jì)算、分析、上傳、存儲(chǔ)等任務(wù)，并對異常信號(如漂移、突降、高頻噪聲與超載值等)進(jìn)行及時(shí)報(bào)警并進(jìn)行后續(xù)排故檢查等。全機(jī)落震試驗(yàn)程序流程圖見圖8。

圖8 全機(jī)落震試驗(yàn)程序流程圖

4.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

該分布式測試系統(tǒng)經(jīng)過多次調(diào)試和預(yù)試，最終高質(zhì)量地完成了試驗(yàn)任務(wù)，為獲取全機(jī)落震試驗(yàn)中飛機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)提供了可靠準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。全機(jī)落震試驗(yàn)典型試驗(yàn)曲線如圖9所示。

圖9 全機(jī)落震試驗(yàn)典型試驗(yàn)曲線

由于試驗(yàn)現(xiàn)場電控設(shè)備繁雜，各種干擾信號不是單一存在的，經(jīng)常耦合在一起侵入信號傳輸線路，產(chǎn)生串模和共模干擾。按照干擾源分析，來自空間的電磁干擾，采取相應(yīng)的屏蔽措施；來自過程通道干擾，采用帶屏蔽雙絞導(dǎo)線進(jìn)行屏蔽；來自供電系統(tǒng)的工頻干擾，采取單端接地和軟件濾波等措施。整個(gè)測試系統(tǒng)采用多種抗干擾方法后，信號中的干擾得到明顯消除，改善了信噪比，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的測試精度。

試驗(yàn)中，在所有用電設(shè)備開啟的情況下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的所有測試通道的干擾信號均較大。以某應(yīng)變測量通道的零位測量信號為例，干擾信號的幅值達(dá)到-80～80μm/m，干擾頻率有50～60Hz，還附加有高頻干擾信號。采用屏蔽、帶屏蔽線纜、隔離、接地、濾波等抗干擾技術(shù)處理后，干擾信號得到了明顯抑制和消除，零位干擾信號幅值降低到5μm/m以內(nèi)，試驗(yàn)測試精度得到明顯提高。測試通道采取抗干擾措施前后曲線對比如圖10所示。

圖10 測試通道采取抗干擾措施前后曲線對比

5 結(jié)束語

本文描述了全機(jī)落震試驗(yàn)分布式網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)的組成，并詳細(xì)闡述了試驗(yàn)過程中關(guān)鍵技術(shù)問題的研究及應(yīng)用。

(1)通過解決時(shí)鐘同步問題，實(shí)現(xiàn)了多套設(shè)備的同步采集和同步觸發(fā)；

(2)為了防止試驗(yàn)數(shù)據(jù)丟失和卡滯，從軟硬件提高了試驗(yàn)設(shè)備性能，解決了海量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的同步實(shí)時(shí)傳輸；

(3)將各種抗干擾方法運(yùn)用到測試系統(tǒng)中，提高了信噪比，有效增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的測試精度；

(4)根據(jù)全機(jī)落震試驗(yàn)的特點(diǎn)和要求，研制了全機(jī)落震試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)，能夠快速實(shí)時(shí)處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

分布式網(wǎng)絡(luò)化動(dòng)態(tài)測試技術(shù)是現(xiàn)場測試的發(fā)展趨勢，其智能性、擴(kuò)展性、靈活性、模塊化等優(yōu)點(diǎn)促使其成為解決大型復(fù)雜測試任務(wù)的主流試驗(yàn)測試方法。