火箭导弹发射过程人员安全性实验系统构建＊

张贵林，李永胜，徐立黄，张波涛，谢家松

（1南京理工大学机械工程学院，南京 210094；2中国兵器工业集团湖北江山重工有限责任公司，湖北襄樊 441003）

0 引言

火箭导弹发射时产生的高温、辐射噪声与冲击波，以及引起的振动，会影响周围工作人员的身体健康与生命安全。准确、合理的测量出这些噪声特性有着十分重要的意义。

目前，在火箭发射系统方面，人员安全的研究试验都相对较少。研究工作更多地集中在固体火箭发动机羽流特征信号检测、固体火箭发动机冲击信号响应谱分析和固体火箭发动机燃烧室内声波振荡的数值研究。通过查阅国内外各种卫生标准、行业标准以及国家相关的军用标准，系统的总结出火箭导弹发射时各种因素的安全限值，以此作为人体安全评价的标准；另外，通过各种测量规范标准以及相关的论文文献资料，确定实验测试系统中传感器的各项性能指标以及其它硬件设施的性能参数，构建了测试系统。

1 振动、噪声、温度与冲击压力波的相关标准

《ISO2631／1—1985人承受全身振动的评定 第1部分 一般要求》中对“舒适性降低界限”、“疲劳工效降低界限”和“暴露极限”作出了明确的规定；《GB／T 13441.1－2007机械振动与冲击人体暴露与全身振动的评价第1部分：一般要求》中从健康舒适度方面对振动加速度进行综合评价：＜0.315 m／s2，感觉不到不舒适；0.315到0.63 m／s2，有点不舒适；0.5到1 m／s2，相当不舒适；0.8到1.6 m／s2，不舒适；1.25 到2.5 m／s2，非常不舒适；＞2.5 m／s2，极不舒适，并具体划分出健康警告区域。

火箭弹在连续发射时，产生的是尖锐的脉冲噪声，因此可参照国家军用标准《GJB 12－84导弹火炮在舰上发射时的脉冲噪声对听觉的安全限值》，该标准中对脉冲噪声的安全限值规定如表1所示，T为脉冲噪声的持续时间（ms）。

表1 舰艇导弹（含火箭深弹）及舰艇火炮脉冲噪声对人体听觉的安全限值（峰值压力：d B）

《GJB 898－90工作舱（室）温度环境通用医学要求》中规定了温度的舒适限、工效降低限以及安全耐受限等评价标准，如表2中的温度环境的耐受限值（表中作业服隔热值1col＝0.155 m2·℃／W，RH为空气湿度）。

表2 工作舱室温度环境耐受要求环境参数的限值

脉冲噪声与冲击波对人员听觉器官的损伤的安全限值见《GJB 2 A－1996常规兵器发射或爆炸时脉冲和冲击波对人员听觉器官损伤的安全限值》。

2 测量系统硬件的选配

实验系统包括传感单元、信号调理模块、数据记录仪器以及计算机软件系统。振动、噪声、冲击波与温度测量系统的构成如图1所示。

图1 测量系统构成示意图

2.1 振动测量系统

由《GJB 965－1990人体全身振动环境的测量规范》中的相关规定可知，测量乘员舱内的振动要分别测量乘员与座椅之间、乘员与乘员舱地板之间的振动。《GB／T4970－1996汽车平顺性随机输入行驶试验方法》与《QC／T 474－1999客车平顺性评价指标及限值》对整个振动测量系统中各元件的性能规定如下：磁带记录仪的信噪比应优于40d B；人体振动测量仪的性能规格频率范围为0.1～1000 Hz，动态范围为100～166d B，误差≤0.5d B。

由以上标准对传感器的性能指标的要求以及ISO2631要求安装在座位处的传感器能测中心频率为0.5～80 Hz范围的振动，以及《GJB59.15－88装甲车辆试验规程野外振动实验》中的相关规定，可确定传感器的频率范围为0.1～1000 Hz，动态范围为100～166d B，误差≤0.5d B，传感器采样频率必须高于200 Hz；磁带记录仪频响：0～1000 Hz，其每通道采样频率可取400 Hz或更高，必须保证30 min以上的存储深度，信噪比应该优于40d B；前置放大器频宽0.01～1000 Hz，另外还要灵敏度高，动态范围大，低频响应性能好，信噪比高，输入阻抗高，输出阻抗低，相位失真小。

振动传感器应该布置在与人接触的支撑界面处，即乘员舱地板中央、司机座椅垫的中部。地板测点传感器应置于双脚之间。

2.2 冲击与噪声测量系统

《GJB349.28－1990常规兵器定型试验方法 炮口冲击波超压测试》中规定传感器的技术要求如下：用于冲击波测量的传感器低频响应不大于20 Hz，高频不小于40k Hz；非线性度不大于3%；谐振频率应大于75 Hz；低频下限截止频率应为0 Hz，最大不能超过4 Hz；温度效应小；传感器敏感元件的直径应尽可能小；冲击波传感器的轴向加速度灵敏度应不大于0.1014k Pa／g，横 向 加 速 度 灵 敏 度 应 不 大 于0.069k Pa／g；敏感元件的光效应尽可能小，以减小射流火光的影响；上升的时间不超过20μs；响应滞后时间尽可能小，漂移现象不明显；传感器（含所使用的仪器在内）在测量前后都要进行静态和动态校准，若动态校准与静态校准出入较大，以动态校准为准。根据实际情况，冲击波传感器的动态量程必须满足20～30k Pa的压力测量，采样频率不得低于10k Hz。

《GJB2 A－1996常规兵器发射或爆炸时脉冲和冲击波对人员听觉器官损伤的安全限值》中规定：用于测量噪声的传声器频率响应在0.02～70k Hz范围内，平坦动态响应应优于±2d B，上升时间应不大于18μs，线性动态范围应不低于172d B，其采样频率不得低于40k Hz。

《GJB59.2－86装甲车辆试验规程 噪声测量》中规定：整个测量系统中的辅助仪器（如磁带记录仪、电平记录仪与噪声频谱分析仪等）其性能应符合GB3785－1983声级计的电、声性能及测试方法中的有关规定，整个测量系统精度为±2d B。测量使用的磁带记录仪要求：畸变小、抖动小、动态范围大；频率响应在20～20000 Hz平直，至少要求在所分析的频率范围内有平直的频率响应［3］。

冲击波与噪声测量系统中的磁带记录仪的频响应优于0～40k Hz，频响衰减特性为36d B／倍频程，其时间分辨率不应大于1μs，记录系统的信噪比最低为25d B［2］，每通道采样间隔不得高于10μs，可记录30 min或更长［1］；记录仪器采用瞬态记录仪时，记录采样率不少于200千样点／s，模数转换优于8位［2］。

声级计与冲击波传感器应该放置在噪声源与最靠近噪声源（或冲击波源）的一耳的连线上，距耳15c m，且使传感器的敏感面向上。

2.3 温度测量系统

由《GJB 898－90工作舱（室）温度环境通用医学要求》中环境温度要求及对火箭发射时的实际温度辐射的大致估计，确定温度测量范围为±60℃，时间常数小于30 ms，采样频率可确定为10k Hz，共采用6个通道。数据记录装置每通道采样间隔不得高于50μs，且必须能够具备30 min的记录深度。由于高温主要是对人体的皮肤有损伤，则温度传感器应该均匀的布置在距离脸部以及身体表面5～10c m处。

根据测量系统的技术指标和实验的实际环境，测试综合误差为5%～10%。测试过程中必须对整个实验系统进行有效的防护，传感器与其支架连接要有减振措施并与地绝缘尽量减少支架对噪声、冲击波的阻挡和反射；传感器的长传输电缆要进行适当的防护，以免受冲击波的冲击而损坏，近场的电缆还要进行适当固定，以防电缆出现振动噪声影响测量结果。

3 结论

现在越来越注重人员安全，人 机 环境的设计也越来越重要，构建实验系统评价人员安全也显得越来越重要，因此对火箭发射系统建立振动、噪声、温度以及压力波实验测试系统是十分重要的。对火箭发射过程中人员承受的振动、噪声、高温以及冲击波进行实验分析，得到各种物理量的数据分布规律，根据各种人员耐受标准综合评价各物理量对人员的影响程度，保证工作人员的舒适、健康以及生命安全。

［1］ 黄正平.爆炸与冲击电测技术［M］.北京：国防工业出版社，2006.

［2］ 孙忠良.GJB 349.28－1990常规兵器定型试验方法炮口冲击波超压测试［S］.北京：国防科工委军标出版发行部，1990.

［3］ 王佐民.噪声与振动测量［M］.北京：科学出版社，2009.