模拟导弹发射的空气炮启动带矢量转台离心机

张艳兵，马铁华，祖 静，孙江涛

（1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；3.中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009）

0 引言

离心机通过高速旋转能产生几十倍重力加速度的超重环境，可检查仪器设备在超重环境下的性能指标［1］，从而对其制导系统、控制系统以及相应器件的性能进行仿真和测试，以获得充分的试验数据，并以此为依据，指导其设计和改进，达到总体设计的性能指标要求。随着航空航天的发展，离心机得到了越来越广泛的应用，在火箭、卫星、导弹、飞机、火炮和鱼雷等武器系统的研制中起着极其重要的作用［2］。

导弹发射时，要求其轴向加速度在很短的时间内达到设定值，而横向加速度为零。但是常规的离心机都是通过电机加载［3］，其启动时间大都需要几秒甚至是几分钟的时间，而且加速过程中会产生一定的切向加速度，不能模拟导弹的发射过程。

针对离心机加速慢，无法准确模拟导弹加速度曲线上升沿等问题，本文综合运用离心机、转台以及空气炮，设计了空气炮启动的带矢量转台离心机。

1 离心机、空气炮和伺服电机

离心机通过电机加载后，高速旋转产生几十倍于重力加速度的向心加速度，能对加速度计进行标定和校准，也可对战略导弹、火箭等现代化武器装备的惯性装置进行加速度试验。但是离心机达到设定的角速度需要几秒的时间，而导弹的发射过程在0.2s内完成，因此普通离心机由于角加速度不够，上升沿太慢，不能模拟导弹的发射过程。

空气炮利用压缩空气突然释放产生的气流，产生强大的冲击力，是目前世界上公认的最先进、最环保、最安全的破拱助流设备［4］，常用于获得推力、加速度和线速度。本离心机就是在常规离心机的基础上，利用空气炮产生的强大冲击力助推转臂，使试件的轴向加速度瞬间达到设定值。

控制系统中选用了美国丹纳赫传动的AKM52K伺服电机及其驱动器。AKM52K电机提供了非常高的扭矩、密度和加速度，能够满足高速设备的要求，其电气特性如表1所示。

表1 AKM52K的电气特性Tab.1 Electrical specifications of AKM52K

2 空气炮启动的带矢量转台离心机

空气炮启动的带矢量转台离心机由空气炮助力系统、离心机和矢量转台组成，空气炮助力系统包括滑块、空气炮、空压机及压力控制系统。滑块和离心机转臂位于同一旋转平面，垂直于转臂，对准转臂的一端，空气炮的推杆低于这一旋转平面。发射时，空气炮的推杆通过滑块助推转臂，矢量转台的转轴安装在离心机转臂的另一端，垂直于离心机转臂旋转平面，被试件安装在矢量转台转臂的端部，与转台臂同轴，见图1。

2.1 空气炮启动离心机原理

通过控制空气炮发射时的压力，可以控制空气炮发射的加速度。空气炮发射过程在很短的时间内产生很大的冲击力，助推转臂，大大提高了角加速度，缩短了加速度上升时间，实现了离心机的瞬间启动。

同时过大的冲击力也会使转臂产生很大的切向加速度［5］，为了保证试件的横向加速度为零，就需要运用转台控制技术，在转臂上利用伺服电机实时适配矢量轴转角，实现运动控制。试验过程中，通过控制空气炮腔内的压力，可使推杆一直向前，最后停在最大行程处。发射后，滑块倒下，保证矢量转台转过来不反撞空气炮推杆及滑块。

2.2 矢量转台工作原理

当矢量转台转臂与离心机转臂轴线平行时，随着离心机旋转，被试件只承受轴向离心力（距离离心机主转轴1m）。但是，当空气炮推动转臂时，被试件会承受额外的横向力。此时如果矢量转台与离心机转轴不平行，如图1所示，则离心力可以被分解为沿被试件轴线x与轴线垂线y两个分量。横向推力也可以被分解为x与y两个分量，并且离心力与横向力的y分量方向相反。由于分量大小与矢量轴转角φ相关，可以通过伺服系统调节试件的矢量轴转角，使试件的横向（y向）合加速度为0，两个轴向（x向）加速度合成为试件的加速度。矢量转台的方向设定如图1所示。

图1 矢量转台的方向设定Fig.1 The direction of vector turntable

模拟导弹发射过程中主转轴加速旋转，矢量转台矢量轴轴心处的切向加速度和法向加速度分别为：

其合成加速度为：

式（2）中，At、Ar、A分别为矢量轴轴心处的切向加速度、法向加速度及合成加速度。

根据二维矢量分配原则，A可以分解为试件的x向和y向的加速度，即：

式（3）中，Ax为试件x向加速度，Ay为试件y向加速度。

发射过程结束后主转轴以角速度ω匀速旋转，主转台只有法向加速度，则有A＝Ar，同理A可以分解为x向和y向的加速度。

以上过程中，伺服电机控制试件的x向适时跟踪矢量轴轴心处的合成加速度，因此

2.3 系统工作流程

试验时试件被固定在矢量转台上，模拟导弹发射过程分为三步：1）变频电机先行启动，达到设定转速，但是电磁离合器不接通，因此转臂不动；2）空气炮发射，通过气动助力系统给转臂施加助推力，使其快速启动，把空气炮的线速度瞬间转化为离心机的切线速度，达到所需的转速；3）接通电磁离合器，实现接力，变频电机带动转臂，以稳定的转速旋转。为了保证试件的横向加速度为零，以上过程中伺服电机带动转台，控制试件的转角，使其轴向永远指向转臂的合成加速度方向。矢量转台离心机的结构示意图如图2所示。

图2 离心机总体结构Fig.2 The structure of the centrifuge

3 仿真与试验验证

3.1 模拟导弹发射过程的计算与仿真

通过空气炮给主转臂施加助推力，使矢量转台在很短的时间内达到所需要的加速度，用来模拟导弹的发射环境力。

1）导弹发射过程试件的加速度仿真

在模拟导弹发射过程中，利用空气炮产生助推的切向加速度，使得矢量转台设备的切向加速度和法向加速度的合加速度等于试件x向加速度，同时保持试件y向加速度为零。图3为模拟导弹建立试件x向50 g时，转臂的切向加速度（At）、法向加速度（Ar）、合成加速度（A）曲线。

根据导弹在发射过程中需要建立的不同g值，可以得到空气炮发射时对应的初始压力值，通过助推系统，可以使矢量转台上的试件得到如图4的加速度仿真曲线。

图3 x向加速度50 g时转臂加速度曲线Fig.3 The accelerating curves of tumbler，while Ax ＝50 g

图4 x向加速度50 g时试件的加速度仿真曲线Fig.4 The simulated accelerating curves of test specimen，while Ax ＝50 g

2）模拟导弹发射过程伺服控制

在模拟导弹发射过程中，通过气动助力系统使矢量转台在要求的时间内产生较大的角加速度，从而得到较大的切向加速度；角加速度对时间的积分得到角速度，这样又产生了较大的法向加速度；通过伺服电机改变试件矢量轴转角，使得试件x向的加速度重合于矢量转台产生的合加速度方向。

欲建立稳态的x向和变化的y向加速度，伺服电机必须适时调整试件矢量轴转角，使矢量轴转角满足图5的仿真曲线，通过该曲线可以得到矢量转轴的角加速度仿真曲线，如图6所示。

图5 矢量轴角位移仿真曲线Fig.5 The simulated angular displacement curves of vector axis

图6 矢量轴角加速度仿真曲线Fig.6 The simulated accelerating curves of vector axis

从图5和图6可以看出，模拟导弹发射过程中，在0.06s内建立了试件x向的加速度50 g，此时试件x向加速度完全由矢量转台在安装试件处的法向加速度提供，矢量转台的角位移为90°，但此时矢量转台仍具有较高的角加速度，虽然矢量转台对试件产生的x向和y向加速度误差非常小，但矢量转轴存在“过冲现象”，不能在90°位置停下来，所以不能按照图6中的角加速度规律对试件矢量转轴进行加载。可以根据矢量轴转角规律，用逼近该转角的方法得到可行的试件矢量轴转角的角加速度加载规律，最简单的角速度规律如图7所示。

图7 试件角速度曲线Fig.7 The angular velocity curve of test specimen

在图7中，阴影部分的面积等于角速度对时间的积分，即图5中的矢量轴转角在0.06s时的角位移90°，因此

由图7，t2＝0.073s，可以求得ωmax＝43.04rad／s。

根据该加载规律对时间的积分得到角位移规律，并和理想的角度曲线相比较，如图8所示。

图8 矢量轴角位移曲线Fig.8 The angular displacement curves of vector axis

对应的x向和y向的过载情况如图9所示。

从图9中可以看出，实际曲线已经比较逼近理想的曲线了，但在t＝0.06s时y向加速度有比较大的幅值，达到11.3 g，整个过程x向加速度在50 g附近波动，最大波动幅度达3.4 g，误差为6.8%，在允许范围内。

图9 试件X向和Y向加速度曲线Fig.9 The curves of Axand Ay

3.2 空气炮启动矢量转台离心机的试验验证

本系统在某导弹的模拟试验中已经成功应用，设定导弹的发射加速度为20 g，实测的加速度曲线如图10所示。

图10 试件加速度曲线Fig.10 The acceleration curves of the aircraft

从图10中可以看出，空气炮启动，变频电机接力，伺服电机跟踪后，试件的轴向加速度在120ms内达到20 g，而横向加速度为0，控制误差在±5%以内，满足应用要求，较好地模拟了导弹的发射过程。

考虑到试件长度及引信安保系统偏离矢量转台轴心产生的加速度偏差，需要设计夹具［6］，把试件固定在夹具上。试验时根据试件长度及重心位置，调节试件和夹具，使其重心与矢量转台的轴心、双轴加速度的中心重合，这样可以减小试件轴向和横向的加速度偏差，提高系统精度［7］。

4 结论

本文提出的空气炮启动的带矢量转台离心机，用空气炮助推的方式提高了角加速度，缩短了加速度上升时间，实现瞬间加速，同时用伺服电机带动矢量转台，抵消了空气炮的横向冲击力，模拟导弹的发射过程。实测结果表明：该离心机可以模拟导弹的发射过程，在120ms内建立所需的加速度，满足模拟试验的要求，为火箭、导弹等产品配用引信的安保系统解除保险试验提供了实用化的平台。该系统还可以推广应用于火箭等加速度曲线量值相近的其它机械或电子部件进行加速度试验，有广阔的应用前景。

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