火箭弹初始扰动实验研究①

陈 阵,毕世华,刘广璞,潘宏侠

(1.北京理工大学宇航科学技术学院,北京 100081;2.中北大学机械工程与自动化学院,太原 030051)

1 引言

初始扰动是指火箭弹在离开发射装置瞬间实际弹道和理想弹道的偏差。发射动力学的主要任务之一就是研究初始扰动的形成机理及影响因素[1]。由于火箭弹/发射装置系统结构和发射过程中系统所受激励因素的复杂性,直接建立系统动力学模型对发射过程进行数值模拟以获得初始扰动量值的方法具有很大的局限性,有时计算结果与实际数值相距甚远。因此,开展对初始扰动的实验研究具有重要的理论意义和工程应用价值。

由于火箭弹发射过程的特殊性,在不对发射过程产生影响的情况下,对初始扰动进行接触式测量是难以实现的。因此,国内外都在探索有效的非接触式测试方法,包括“光学杠杆”法、遥测和弹上记录仪等[2]。最近几年,计算机、测试技术和传感器制造技术的迅速发展,为火箭初始扰动测试技术的提高提供了更为有利的条件。

2 测量系统组成和原理

激光测量系统利用“光学杠杆”原理设计,其布置方案如图1所示。激光发生器为光源,经过分束镜后,有50%的光被透射到弹前反射镜上,再经过弹前反射镜反射到弹头反射镜上,被弹头反射镜反射回来的光束经弹前反射镜再次被反射到分束镜上,此光束的50%被分束镜反射到平行光管的透镜上,经透镜的聚焦作用投射到位置敏感探测器(Position Sensitive Detector,PSD)上,由PSD信号处理器将光点的位置信号转变为电压信号,后再由采集设备采集到计算机中,作为火箭弹的一个位置信号储存起来。

测试前调整测试装置,使入射光通过分束镜中心且垂直于分束镜镜面,使弹前反射镜反射到弹头反射镜上的光束与火箭的发射方向重合,并使入射光、透射光和弹头及弹前反射镜反射回来的反射光重合。最后,调节平行光管使最终投射到透镜上的光束经过透镜中心且平行于透镜的光轴,光线经过透镜将投射到透镜的焦点——PSD的中心点上,此时PSD上的信号即为火箭弹的初始零位。火箭弹点火后,如果只作平动,则反射光将仍与入射光重合,PSD上的光点位置将不发生改变;当火箭弹发生转动时,反射光不能与入射光重合,也不再与前一时刻的反射光平行,最终投射到透镜焦平面上的点也不会与前一时刻相同,只能投射到PSD的其他位置。这样,经PSD信号处理器和采集设备就记录下火箭弹的一个发生偏转后的信号。

图1 测试系统示意图Fig.1 Schematic diagrain of measuring system

PSD是一种利用PN结横向光电效应的传感器,能检测入射光点的照射位置,分一维PSD和二维PSD,本实验系统选用的是二维形式,可同时检测火箭弹的俯仰和方向扰动角[3]。为了简化实验数据的后处理,本系统在实验前用高精度经纬仪代替火箭弹对PSD进行标定,把经纬仪的角度变化与PSD输出的电信号对应起来。这样在实验后就能从PSD输出的信号上直接得到火箭弹的扰动角。

图1中,电涡流式位移传感器用来测量发射筒口的振动位移,结合发射筒转动中心和电涡流传感器的位置坐标,就可以计算出发射筒的角位移。当火箭弹经过时会激起阶跃信号,根据2组光电接收装置的位置和其产生的阶跃信号的时间差可以估算出火箭离筒的平均速度。

本实验用的信号采集设备共有8个通道,其中1和2通道为PSD传送的火箭方向和俯仰扰动角信号;3和4通道为电涡流传感器传送的定向管管口纵向和横向位移信号;5和6通道为光电接收器传送的火箭出筒时间信号;7通道为火箭弹点火信号,也是本实验中数据采集的触发信号;8通道为备用通道。采集设备的最高采样频率在瞬态采样时可达3 MHz,连续采样时可达100 kHz。由于火箭从点火到离筒的时间间隔很短,为了获得足够多的数据,采样频率设置不能太低,本文实验测试中的采样频率为200 kHz。从PSD、电涡流传感器、光电接收器和控制点火装置传送过来的模拟电压信号经采集设备的放大、模数转换、地址编码后变为数字信号,再经1394接口传输至计算机,进行数据的存储和后处理。采用1394接口的优点是传送速度快、稳定、不漏码,能够实现边采样、边传送、边存储、边显示的长时间连续记录功能。

3 某火箭弹初始扰动的实验测量

实验用火箭弹及其发射管如图2所示。火箭弹带尾翼,为三定心部结构,定心部直径为54 mm,全弹长440 mm,质量为3.135 kg,一、二定心部距离160mm,二、三定心部距150 mm;发射筒总长614 mm,内径54.3mm,外径67.8 mm,质量为6.68 kg。

图2 火箭弹及发射管Fig.2 Rocket and transmitting tube

发射实验中,同时测量得到了火箭弹的离筒时间约0.073 13 s,离筒速度约25.8 m/s,据此可推算出火箭推力约在0～0.072 s内从0上升(线性)到2 141 N。经过对PSD输出信号的处理,得到火箭弹在发射过程中的俯仰扰动角和方向扰动角随时间的变化曲线,如图3所示。

文献[4]、[5]中提出了2种利用发射筒的振动估算火箭初始扰动的方法。本文利用文献[5]的估算方法,把测得的发射筒振动结果代入动力学方程组中,计算出火箭弹的扰动情况,其结果如图3所示。可见,计算结果与实验数据吻合得较好。通过二者的相互验证,可以认为本实验系统测得的结果是合理可信的,文献[5]中提出的估算方法是可行的。

图3 俯仰和方向扰动角随时间的变化曲线Fig.3 Curves of longitudinal and transversal deflection angles vs time

4 测量系统误差分析

本测量系统中,量程主要与从火箭弹到平行光管的光程、反射镜和分束镜的面积大小、平行光管透镜的口径以及PSD的面积等因素有关,测角的灵敏度主要由透镜的焦距和PSD的分辨率决定。光点在PSD上的移动量u与火箭弹扰动角φ的关系为

式中 f为镜头焦距。

由于实验中测试的扰动角φ很小,可近似认为sinφ≈φ,cosφ≈1,则式(1)化为

故有火箭扰动角的微小变化Δφ与光点在PSD上的位移Δu的关系式:

系统中PSD的分辨率为10-6m,透镜的焦距为0.5 m,故扰动角的分辨率可达2×10-6rad。综合考虑系统受各种干扰噪声的影响,整个系统的测量精度会有所降低。经过对系统标定后,最终的测量误差小于2×10-5rad。

5 结论

实验系统的测量结果是合理可信的,与其他初始扰动测试系统相比,该系统的主要优点有:

(1)运用了平行光管,PSD只记录火箭弹的偏转角度,火箭弹的平移在PSD上不会有反应,从而使数据的后处理更简单方便,减小了数据后处理过程中引起的误差;

(2)由于入射光与火箭弹发射方向重合,所以火箭弹上的反射镜可做得很小,这样对火箭弹的动态特性的影响就很小,使实验与实际火箭发射条件更接近;

(3)由于PSD位置分辨率可达10-6m,响应时间可达0.8μs,所以可获得很高的测量精度;

(4)激光传播速度快,测量结果相对于被测物理量的滞后可忽略,能够保证瞬态变化的同步测量;

(5)实验成本低,可操作性强,一次实验除了火箭本身外,只损失一块弹前反射镜片。

[1] 姚昌仁,宋廷伦.火箭弹发射动力学[M].北京:北京理工大学出版社,1996.

[2] 芮筱亭,等.多管火箭发射动力学仿真与试验测试方法[M].北京:国防工业出版社,2003.

[3] 霍震,唐诗才.位置敏感光电探测器[J].半导体光电,1998,19(1):60-66.

[4] 陈阵,毕世华,高波.用定向管的振动估算火箭弹初始扰动[J].北京理工大学学报,2004,24(1):23-26.

[5] Chen Zhen,Bi Shi-hua.Estimation of initial disturbances for rockets based on interactions of rockets and directional tubes[J].Journal of BeiJing Institute of Technology,2006,15(1):9-12.