飞机外挂物投放风洞试验控制及测量系统

张玉龙ZHANG Yu-long；舒凤金SHU Feng-jin；张世芳ZHANG Shi-fang；赵树朋ZHAO Shu-peng；袁永伟YUAN Yong-wei；张润森ZHANG Run-sen；贾亚雷JIA Ya-lei

（①河北农业大学机电工程学院车辆工程系，保定 071000；②保定凯博瑞机械制造有限公司，保定 071000）

0 引言

时代的发展对飞机的各项功能的优化起到了重要的推动作用，在技术支撑下当代飞机基本已经具备续航、高速传输等功能。为了进一步发挥飞机的机动性就需要对飞机的挂载、气动外形等进行优化。例如在飞机挂载上增强了外挂物种类与数量。为进一步提高飞机隐藏特性，减少摩擦阻力、提升飞机的续航性能，内嵌一些外挂物从而实现投放环节中机舱门打开后快速进行弹射发射，这些技术已经在海外很多先进的飞机上获得了运用，它一般以液压机或气动为动力装置，依靠精密的内嵌投放设备实现安全投放目的。伴随着试验的需求提升不断提升，投放试验要求也在不断增长，例如外挂物内嵌投放安全隐患。传统式自由的投放和高速摄影g已难以适应任务要求，亟需引进先进的技术，如精准时序控制，高速摄影及其当代检测方式完成多通道投放精准管理与运动轨迹判断剖析及其内嵌外挂物助推可控性等。

1 控制系统设计

1.1 全面的总体设计方案

这个系统主要包括六个部分，即工控机、电子计数器主控板、投放控制回路、助推控制回路、拍摄系统及检测装置。该系统选用工控电脑与电子计数器主控板作为控制中心，当系统结构准备就绪时，依据测试标准并依据系统设置的顺序开启电子计数器主控板相应端口的计数器产生脉冲信号，给外场操纵主控板及电源电路设定输入条件，从而引起外挂软件物投放，推动力开启，监控摄像头工作中等多种事情按设置时钟频率开展，保证了外挂物投放试验的取得成功。推动力检测装置接受触发信号并同步收集投放开始同步采集。（图1）

图1 投放控制及测量系统框图

1.2 系统配置及功能

1.2.1 投放控制板卡

多通道投放控制的核心内容是进行时序控制，以避免每一个投放目标间互相影响，进而影响投放安全性或无法达到预期的投放目标。该网站以NI记时/电子计数器主控芯片PCI6602为时序控制的核心部分，这样可以通过对原频率进行系统筛选，从而为时序的高可控性奠定基础。电子计数器主控板：NIPCI6602在时序控制中处在核心地位，它性能优劣影响控制系统精密度指标。这类主控板有如下几个指标：一是不得超过应用8路32位电子计数器/计时器；二是有100kHz、20MHz、80MHz三种源频率供选择（带预定标器能高达125MHz）；带短时间脉冲干扰数字的防抖动过滤；三是专用数字I/O线。这种计数器能够带来单脉冲、单触发脉冲、矩形脉冲和其它各种方法的脉冲。它是以源输出功率作为时间基准，脉冲时间延迟与脉冲宽度由源信号频率输入周期数确定，它的可操控时间精度达分秒量级，并且8路记时器是相对独立的，能够同步运行。它所产生的单脉冲既可以直接打开继电器输出主控芯片又可以直接用以拍照同步打开及检测系统的触发信号，定时精度高。

继电器输出板PCLD-885：因准时/记数器板数字I/O服务器端口TTL差分信号导出来，这样无法使驱动力充分地发挥出来，这也会导致各个控制回来的控制效果不佳。记数器主控芯片与待测设备间提升了中间控制模块的运行效率，可将电磁阀导出主控芯片，通过它对于外置电源电源电路进行高效控制。这种主控芯片是16路阵式单掷（SPST）常开式（NO）电磁阀的主控芯片，触点容量是5A/250VAC或者5A/30VDC。且板内有继电器动作指示和变阻器保护，用螺钉相连的方式联接内外线，方便，安全性能高，能够满足投放实验操作中各种电源控制要求。

1.2.2 投放控制电路

投放控制电路需要与外挂物投放自动控制系统匹配运用。外挂物跟子机设备连接方式一般有三种：第一种是用康铜丝连接，外挂物的重量超过额定标准，需要适当采用挂钩，在投放环节上融断康铜丝以达到外挂物的释放；另一种是由高压空气促进作动筒移动光纤激光切割数字模型进行挂线的方法；有磁性的继电器在投放前吸在一起，在投放环节上关闭电源。此设备依据融断康铜丝来达到释放出外物的目标。在图2中可以看到依据所方案设计直流电源储电机器设备以可控硅为核心元器件融断主回路是否导通，它的导通触发信号受主控机控制，电源总开关响应时间达微秒级别。继电器的使用常常会处于高电压的环境，通过接触器这个装置各个回路可以完成独立控制，之间不会发生相互影响。并且在投放结束后可以自动切断回路，有效地保证工作人员的人身安全。实验前对不同型号规格康铜丝进行了融断实验，确认了快速融断所需的供配电系统规范，同时为可调电源的储电奠定基础。模型设计时需注意绝缘层问题，重要部分运用耐高温耐高压的聚酰亚胺薄膜原料以保证融断控制电路吊架与试验模型保持充分的绝缘性。

图2 康铜丝熔断主回路

1.2.3 助推控制回路

推动控制回路一般用于投放内置式外挂物，防止在自由投放过程中对飞机场造成影响从而影响安全飞行，还能够用于需弹跳投放的重要场合。最重要的是要对外开放挂物造成必需的瞬间推动力。推动力操纵包含高压气动阀门（氮气瓶或高压气阀源站），调压阀，高压电磁阀，专用型作动筒（活塞杆）和对应的管道。根据调整所需要的压力，在康铜丝融断的瞬间，电磁阀开启，高压空气促进作动筒扩大开放挂物导致冲击力以达到跳跃投放总体目标。促进管路系统以通向型号规格液压胶管，电磁阀合作动筒为主体，根据自己的需求合理布局有4路。将储存罐设置于实体模型投放尾部最邻近的有效位置，有利于促进压力稳定并提供精确的管理和精确测量输入条件。

1.2.4 瞬时力检测系统的投放

如图3所示，促进瞬时力精准测量包括拉压力传感器，同步信号触发器原理，脉冲调制，同步数据采集模块和搜集数据分析系统等。在这其中，传感器选择ENDEVCO振动测量高频回复拉压力传感器。综合考虑其差分信号和NIA/D数据数据采集卡PXI-6123之间匹配性和提升性能等诸多要素，采用脉冲调制卡增大。监测系统只接受投放控制系统传出一类触发信号，而其它功能则相对独立性。要求压力按测试标准开展事先校正，外挂物配有2个感应器，PCI6602在铜线熔断以前向检测装置PXI6602传出上拉电阻触发信号，完成瞬时力的同步收集。由于感应器和时间非常短，为确保数据的完整性，将常规收集时长列入3s，在多通道投放的情形下应适当延长，采样频率可以从10kS·s-1以上，在程序界面上对应用于外挂物测力传感器信号分析后展示出来并存放数据，运用对应的换算关系能够测算推力值。

图3 助推力测量系统

1.2.5 高速摄影系统

为保证多方位轨迹记录，在风洞试验段的正前方、正下方和侧方位置区域设置了三个快速数字摄像机（也可以根据测试要调整频次及位置），根据和监控摄像头相符的同步组件，保证同步工作。根据工控机控制同步拍摄的运行。

1.2.6 多通道直流稳压电源

投放管理与检测系统主要包含以上各部件，根据工控电脑程序编写进行系统软件协调工作，PCI6602型计数器主控板中各电子计数器的工作比较独立，本实用新型专利可以确保每个开启动作间不受影响，保证各路投放和相关触发信号在时钟频率上精准可控。

1.3 系统软件设计

瞬时力测量程序流程用以对推动力进行数据收集，显示，储存及测算，进而认证推动方案是否可靠，精确。在随后的检测中，由于室内空间或具体的需要，有些情况下感应器安装难度大，也就不再重复了。图像检测软件运用照相机内置程序流程可以提供高达6维轨迹分析结果。而本文章主要讲述了系统软件投放监控软件设计。软件由VC++撰写，规范WINDOWS插口，并且通过NIPCI6602电子计数器板组态软件，匹配电子计数器做功并导出脉冲开启电磁阀板和检测装置以操纵监控摄像头开启，投弹，推动及精确测量收集数据信号。所有前期准备工作结束后，投放管理程序开始启动。电子计数器开始运动和单脉冲产生延迟按测试标准进行设定，保证各个阶段有序工作。编程设计师依据试验的具体操纵要求选了相对应的投放控制回路及投放方法（有没有推动）并按照时钟频率设定了时长，从而实现收集设备（监控摄像头、检测装置）操作及投放执行。全部软件界面简约、一目了然，同时程序模块可以按照需即时做出调整，满足更多任务要求。

2 实验过程

在以上的控制系统完成安装后，就需要进行地面调试，这是进行正式实验的必要步骤。其目的是为了确保调试后可以符合实验要求。调试的内容包含检测各个装备的电源以及电压是否符合正常标准；控制与弹射压力的调试与标定；检查继电器的运行情况，如吸合功能是否正常；灯光的调试则需要观察光强与位置这两个要素；高速摄影系统的运转情况，如走卷、启动与停止、走卷均匀、时标、胶卷、冲洗、药水、显定影时间等等；投放系统的综合协调。在完成以上项目的调试后，若结果符合要求，则可以进行正式实验。此外，实验后期还需要进行一定的处理，例如想要冲洗胶卷获得高质量的底片，需要通过高速摄影底片判读轨迹；剪接胶片从而方便图像的保存、复制、汇报、查看等。

3 实验结果

多通道投放控制g已被实验所验证。下面就来助推测量及轨迹记录得到的结果加以分析。当已知作动筒活塞杆总面积，感应器指数（相互关系），推动输出压力等参数时，运用传统式计算方式与评测换算部分瞬间推动力信息进行数据分析，可以看出：推动承受力满足预期的目标要求，计划方案可靠精确。特别是在要注意的是感应器在安装流程中的位置至关重要，它感应面始终保持在液压缸垂直的方向上。运用高速摄影记录投放运动轨迹，并通过图像检测软件完成典型状态图像分析与运动轨迹判断以获得典型性实验状况下分离出来轨迹数据，从而更加精确地确定位置和方向，在通过数据制图进一步地对实验进行分析，这将大幅提升投放的精确度。

4 结束语

投放自动控制系统选用工控电脑及电子计数器主控板做为操纵时钟频率的核心，并且通过与此相匹配的相对应投放、助推、高速摄影及瞬间风速精确测量等设施，完成高达四路投放随意组合模式全自动精准时序控制，投放运动轨迹数据可视化判断分析等作用，在证实推动方式稳定性前提下，可以满足低速档乘波体中飞机外挂物放样实验的要求。由于该系统软件g已很好地运用在某型高达四路外挂物投放风洞实验中，并得出了多种投放模式的测试数据，全面验证了系统的可行性。