穩態加速度模擬試驗設備：離心機設計（7）

賈普照

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

第4章 歐美其他國家離心機（續2）

4.4 美國離心機

美國是航空航天大國，當然也是包括載人離心機在內的航空航天離心機大國，研究這些離心機是觀察美國的側重點，可惜缺少細節資料。

在土力學領域，雖然早在20世紀30年代，美、蘇科學家幾乎同時率先認識離心模擬方法，但實踐中美國比較重視數值分析，只是在20世紀后期才又逐漸拾起離心模擬方法。因此，在土工離心機方面的發展美國遠不如歐洲和日本蓬勃，而且也不像蘇聯和英國那樣靠自己因陋就簡起步，他們的土工離心機基本上都是委托專業單位進行研制，起點較高，但總體水平還是沒有達到歐洲的高度。下面介紹幾個典型的離心機。

4.4.1 美國國家土工離心機

1987年8月美國加利福尼亞大學戴維斯分校（University of California, Davis, USA）從NASA接收了一臺半徑9.14 m（主軸中心至平臺的距離）的大型航空航天物體離心機。這臺離心機最先于1984在阿姆斯研究中心（Ames Research Center）首次運轉，屬于1978年與戴維斯分校雙方協作研制的，1987年才決定搬遷至戴維斯分校。

將航空航天物體離心機轉化為土工離心機，雖然只是這臺離心機的轉變，但一葉知秋，它也具體折射出整個離心機世界的興衰與變遷動向，需求決定著命運。

限于經費原因，計劃分階段逐漸將其改造為國家土工離心機：

第一步，打基礎、筑墻基先將離心機安置在露天，安裝一臺1 000馬力（相當于745.7 kW）的直流電動機轉到25 g；

第二步，修圍墻、蓋屋頂，借助封閉空間的氣團旋轉，使機器轉到100 g；

第三步，增添一臺電動機轉到170 g；

第四步，改造供電電網、再增添電動機，使離心機最后達到300 g。

可見，堂堂美國、鼎鼎名校也有著一段艱苦創業的歷史[9]。

該離心機的基本技術參數為：負載平臺的長×寬為1.82 m×2.13 m，面積達3.88 m2，模型高度可達1.52 m，結構允許安裝3 640 kg的有效載荷轉至300 g。

圖4-47表示1987年離心機被安置在露天鋼筋混凝土基礎上，以低速度徐徐轉動起來的情況，圖中可見吊籃已經被甩起的過程，表示第一階段目標實現，可以在這種環境下因陋就簡地開展實驗工作了。

1989年建起了圍護墻（見圖4-48），機器最高轉到53 g，準備通過對驅動電機和某些氣動方面的改進措施，爭取達到100 g[10]。在改造之前，他們已經在低加速度條件下積極開展了各種大尺寸模型——小模型率的實驗工作，以便將原型縮小為比高g值模擬時采用的模型大一些的縮模，而以低g值來模擬之。

圖4-47 Davis離心機第一階段在露天地坑中轉起來Fig. 4-47 The Davis centrifuge first stage operating in the outdoor pit

圖4-48 Davis離心機第二階段有了實驗室Fig. 4-48 The Davis centrifuge second stage had a laboratory

1994年報告了加裝大型振動臺的信息，即利用離心機低加速度運行狀態，改變原計劃，增添振動臺直接進入復合環境模擬階段[11]（見圖4-49和圖 4-50）。這倒是一個非常聰明的改變[12,13]，因為在加速度一時難以上去的階段，加上一臺遲早要添加的振動臺，比提高加速度容易多了，而且離心機馬上就變得十分有用。可見，目前它還只是加速度100 g以下的一臺大尺寸復合環境離心機。

圖4-49 Davis離心機復合振動臺狀態之一Fig. 4-49 Davis centrifuge complex state of the shaking tableⅠ

圖4-50 Davis離心機復合振動臺狀態之二Fig. 4-50 Davis centrifuge complex state of the shaking table II

Davis離心機基本技術參數為：

? 主軸中心線至吊籃底板9.1 m；

? 最大有效載荷 4 500 kg；

? 吊籃有效面積 4.0 m2；

? 最高運轉速度90 r/min（相當于75 g）。

驅動系統

? SCR 直流供電系統；

? GE 752 1000 HP DC 電動機；

? Falk 齒輪箱。

旋轉接頭

? 兩對壓縮空氣；

? 兩對油壓；

? 一對水；

? 一對1 000 psi（相當于6.895 MPa）壓縮氮氣；

? 備用兩對。

匯電環

? 信號環40；

? 視頻環40（20路）；

? 電源環20（10路）；

? 2路光纖視覺梯度。

監控離心機和振動臺的數采C-DAQ (centrifuge data acquisition system)及子網絡系統

PC - NGC-Main：

? PCI-6071e —振動臺控制器采集數據發送命令的多功能卡；

? PCI-6527 —控制開關與監測信號數字界面。

PC – NGC-Rotunda：

? PCI-6071e —離心機速度控制器采集數據發送命令的多功能卡。

2042-RTD —RTD溫度傳感器信號調節：

? DIO-24 —控制開關與監測信號數字界面。

ER-16 —繼電器開關。

離心機、振動臺控制分系統傳感器及信號調節監測

? 溫度；

? 振動；

? 應變/位移；

? 振動臺界面；

? 驅動電機控制；

? 閥。

警告與限制

避免停留于引發驅動系統扭轉響應頻率的下述轉速：

32.2 r/min（31.2～33.3 r/min）（約 9～11 g）；

64.3 r/min（62.3～66.3 r/min）（約 37～42 g）；

72.0 r/min（69.8～74.2 r/min）（約 47～53 g）。

附加的振動臺性能如表4-7所示。

表4-7 大型振動臺性能規格Table 4 -7 Large-scale shaking table performance specifications

圖4-51表示Davis離心機及其實驗室相關尺寸和構造的關系，圖中標識為M的是一臺750 kW的型號為GE 752直流電動機，通過減速比為2.76:1的減速器G傳遞動力到減速比為3.62:1的轉臺T；再利用轉臺垂直軸Sp上的花鍵軸，通過剪切銷聯軸節驅動離心機轉子，此安全聯軸節提供了離心機的過載保護。直流電動機由50 m開外的可控硅整流器（SCR）通過地溝U供電，齒輪箱冷卻水管也從這里穿過來。

圖4-51 Davis離心機及其實驗室尺寸和構造示意圖Fig. 4-51 Davis centrifuge and its laboratory size and structure diagram

離心機主機室天花板中央留有4.3 m見方的開口，安裝1 000路匯電環組件，其頂部覆蓋木制雨棚；雨棚延伸至整個屋頂，在屋頂適當位置留有窗口W安裝閃頻照相機用于觀察模型；而雨棚壁總計有19 m2的百葉窗L，外墻周頂均布12個0.3m ×2.4 m通風口V，作為主機室冷卻空氣的風口。

為了測量室內的風速，沿水平撐角 R不同位置安置了皮托管（空速管）。

圖4-52是Davis離心機轉子的結構分解圖，直接連接著吊籃和配重的主承力件為4根15.2 m長、橫截面為0.076 m×0.76 m的高強度鋼帶，用銷子把吊籃和鋼帶同一個中央焊接件連接起來；為防止橫向加速度造成鋼帶側彎，焊接件每邊都用11根拉桿將其拉住，鋼帶與拉桿之間墊以鋼墊圈，提供平滑的滑動表面。圖4-53為吊籃的結構圖。

圖4-52 轉子結構分解圖Fig. 4-52 Rotor structure exploded view

圖4-53 吊籃結構圖Fig. 4-53 Basket structure drawing

轉臂、主軸、軸承等驅動和支撐零件處都布置了各種測量裝置，諸如應變片、溫度計、振動傳感器等等，以便在運轉中對轉臂、吊籃、主軸、轉臺進行實時應力、應變、溫度、振動監測。離心機監測和速度控制，集中于計算機數采和控制系統中，32個傳感器分為機上和機外兩部分，所有信號都調制到40 m外的控制室的數采系統：16個機上通道可以監測承力鋼帶的拉伸與彎曲，中央焊接件的彎曲與不平衡拉伸，吊籃側板拉伸與彎曲，承力鋼帶相對于中央焊接件的偏離值等等；16個機外通道監測主軸軸承和驅動電機溫度，主軸彎曲與剪切載荷，主軸振動，轉臺振動，電動機電流、電壓和速度。檢測控制系統方塊圖如圖4-54所示。

圖4-54 檢測控制系統方塊圖Fig. 4-54 Detection-control system block diagram

根據離心機的大慣量以及速度與氣動阻力的關系，研發了專用閉環速度控制裝置，可假設離心機運動方程為

其中：ω為角速度；I為模型、吊籃、配重及轉臂的轉動慣量之和，對于Davis離心機，I的估算值為 2.4×106kg·m2；R=R(ω)為表征驅動離心機所需的穩態力矩系數，在低速狀態下由于機械摩擦為主R接近常數，在高速段時支配因素為氣動阻力，R正比于角速度的平方（或正比于離心機加速度）；T為驅動力矩，對直流串繞電動機而言，設定它等于系數k與電流i平方的乘積。

運動方程表現為一階非線性方程，可分段線性化予以簡化，將其線性化為角速度和電動機電流的函數，閉環系統表示在圖4-55中。圖中ωe為預期速度，ω為實際速度。閉環控制器為PI（比例加積分）型，當系統穩定時，將使穩態誤差(ωe– ω)接近于零。由于電動機電流和離心機的非線性，閉環控制器參數根據實時速度和電流分段予以修正。為此，利用軟件通過計算機中斷服務不斷調節控制器參數來優化系統性能。

圖4-55 閉環控制系統Fig. 4-55 Closed-loop control system

Davis離心機是目前世界上可承載模型尺寸最大的離心機，但加速度偏低，轉子潛能尚未發揮出來，加速度值與載荷容量暫時都不突出，適用于大尺寸模型—小模型率的動態試驗。

總體上為對稱轉臂，不對稱吊籃構造，這是又一種轉子形態；其最突出的結構特點是轉臂承力件為鋼帶，使得工藝性變得非常好，因為轉臂側向剛性較弱，吊籃自身相對就需要強壯一些；另外機器沒有整流，適當整流也是提高加速度的一個途徑。離心機總的特點為：

? 對稱轉臂，不對稱吊籃；

? 固定式配重；

? 配重端與轉臂同高；

? 主承力件為鋼帶；

? 下支撐；? 下傳動；? 非整流轉子；? 配備振動臺。

4.4.2 科羅拉多大學土工離心機

1985年科羅拉多大學民用環境及建筑工程系委托 Wyle Laboratories設計，Alabama Dynamics制造400 gt土工離心機，1988年全面運轉[14,15]，后來又加裝了振動臺。

圖4-56為離心機結構透視圖，形象地表達了包括實驗室在內的基本情況。轉臂與Davis離心機相仿，由兩部分組成：一個基礎的盒形結構和兩對高強度鋼帶。前者構成結構的基礎，維持整體性；后者承受主拉力。

圖4-56 Colorado離心機結構圖Fig. 4-56 Colorado centrifuge structure drawing

試驗吊籃的結構兩者有一些區別：Davis吊籃為整側板；而Colorado吊籃側板則為板條結構。

離心機驅動裝置和控制室全部置于地下，主機室沒有電動機，也就避免了Davis實驗室那樣，對暴露電動機進行整流的麻煩；同時，驅動與控制裝置都在地下，變長距離控制與傳輸為就近進行，都是一個改善，但代價就是增加了建筑物難度，控制室工作環境也不太好。

轉臂內部附加了一套運轉中自動平衡裝置，它是一套由載荷傳感器控制的氮氣壓力驅動的水箱系統。

離心機總體設計上頗具特色：轉子刻意不整流，期望盡可能推動室內氣團旋轉速度，減小相對風速以降低風阻功率，而室內熱量則靠墻壁附加的盤繞式冷卻水屏帶走。

離心機驅動系統為功率900馬力（671 kW）的直流電動機經 6.4:1直角傘齒輪減速器帶動主軸，于14 min內加速到200 g，中間加了一組4個氣動盤式制動器，用于電氣系統發電反饋制動后進行完全制動或緊急制動時使用。

離心機轉動中心至吊籃平臺的半徑為 18 ft（5.49 m），有效載荷最大尺寸為 4 ft×4 ft×3 ft(1.22 m×1.22 m×0.91 m)，最大質量為4 000 lb (1 814 kg)，最高加速度200 g，則最大載荷容量為363 gt。

離心機配有100個電滑環，3路油接頭，后者可用一路大容量水接頭替換。

離心機模型箱和實驗室配有各種各樣加載及觀察、測量裝置。

圖4-57為科羅拉多土工離心機的總體外觀圖。

圖4-57 Colorado離心機外觀圖Fig. 4-57 Colorado centrifuge outward appearance chart

科羅拉多大學除了上述大型離心機外，早在1981年就擁有一臺Genisco 1230-5型15 gt小型土工離心機，同樣加裝了振動臺，許多實際使用經驗多來自這臺機器。

科羅拉多大學離心機與Davis離心機除了吊籃有些區別以外其余基本相同，其結構特點為：

? 基本對稱的轉臂；

? 主承力件為鋼帶；

? 不對稱吊籃；

? 板條式吊籃側板；

? 配重端與轉臂同高；

? 固定式配重；

? 運轉平衡系統；

? 刻意不整流轉子；

? 實驗室墻壁配以水冷系統；

? 下傳動。

4.4.3 SANDIA國家實驗室航空航天離心機

美國Sandia National Laboratory位于新墨西哥州的Albuquerque，該實驗室除了火箭車—滑軌之外還有兩臺特殊的離心機，那就是罕見的武器試驗用物體離心機，一臺位于室內，一臺在露天。圖4-58為室內離心機的照片，離心機的規格如下[16]。

半徑：29 ft（8.84 m）；

載荷容量：1.6×106g·lb（725.6 gt）；

最大有效載荷：16 000 lb（7 257.6 kg）；

加速度：到100 g（輕載荷時最大300 g）；

最高轉速：175 r/min。

圖4-58 Sandia國家實驗室的室內離心機Fig. 4-58 Sandia National Laboratory indoor centrifuge

典型的試件為：

衛星部件；

再入飛行器；

土工模型；

火箭部件；

傳感器；

武器部件。

離心機放置在直徑 80 ft（24.38 m）、高 12 ft（3.66 m）的潔凈可調溫的地下室內。離心機已經在100 g狀態下復合了15 grms由50 Hz到2 000 Hz的振動臺，有效載荷為400 lb（181.4 kg）；進一步的發展是研制對50 lb（45.4 kg）有效載荷進行可控加速度、振動和雙軸自旋的聯合試驗。

圖4-59為室外離心機的照片，離心機的規格如下。

半徑：35 ft（10.67 m）；

載荷容量：450 000 g·lb（204.08 gt）；

最大有效載荷：10 000 lb（4 535 kg）；

加速度：到45 g；載荷1 700 lb（771 kg）時，加速度達270 g；最高轉速：150 r/min。

圖4-59 Sandia國家實驗室室外離心機Fig. 4-59 Sandia National Laboratory outdoor centrifuge

典型的試件為：

爆炸荷載；

特大型物件；

沖擊試驗釋放物件；

火箭發動機點火試驗。

如此高的加速度，看來進行土工模型試驗也是可以的。

從標識上看出是 Rucker公司產品，與圖 2-3康維爾離心機相似，具有典型的美國航空航天物體離心機的特征：

? 全整流等長臂不對稱吊籃；

? 下支撐下傳動。

4.4.4 NASA加速度模擬試驗設備

美國國家航空航天局 NASA是世界上最大的航空航天機構，承擔國防部所有民用火箭及太空計劃，進行航空技術、空間科學、生命科學的研究工作，從20世紀50年代末開始，逐漸建立起各種模擬試驗設備，例如位于艾姆斯的生命科學分部重力生物研究中心的 CGBR[17]（Center for Gravitational Biology Research）就有一批所謂國家重力生物實驗設備，主要由一系列的離心機組成：小到直徑1 ft（0.304 8 m）細胞用離心機，大到人可生活的超大型離心機，還有直線橇及多軸離心機等設備。

NASA的設備主要用于小加速度值、長期運行的人造重力生理與心理試驗項目，有別于其他載人離心機，它們種類較多，形態奇特，以下列舉幾種以窺一斑。

圖4-60為20 g離心機，可用于人、細胞、嚙齒動物、植物和硬件設備，座艙（圖4-61）具有適合人類生活的環境，其基本技術參數如下。

半徑：29 ft（8.84 m）；

有效載荷：1 200 lb（544.3 kg）；

加速度：人用到12.5 g，最大達到20 g；

最高轉速：50 r/min；除持續穩態加速度外還可進行快速加速度模擬，其變化率不詳。

圖4-60 NASA 20 g離心機Fig. 4-60 NASA 20 g centrifuge

圖4-61 NASA 20 g離心機座艙Fig. 4-61 NASA 20 g centrifuge cabin

圖4-62是一臺人力離心機，稱為 Human Powered Centrifuge (HPC)，轉臂上可頭朝里仰臥1～2人，靠人力踏動，用來進行生理、心理和功能測試，轉臂半徑6.25 ft（1.9 m），腳部最高加速度可達5 g，該離心機也可由外人踏動，用于試驗正向加速度。

圖4-62 NASA人力離心機Fig. 4-62 NASA manpower centrifuge

圖4-63為30ft直線滑橇，用來進行前庭和眼球反應研究。載人滑架置于光滑的花崗巖臺面上，二者利用低壓空氣作為支撐即空氣墊支撐；驅動采用一系列彈性纜繩，運動完全靜寂無聲；滑架上安裝著座椅，座椅用伺服電機改變其偏航角；滑臺的釋放與捕獲均靠計算機控制，可進行正弦或梯形運動。其基本技術參數如下。

滑臺位移：23 ft（7.01m）。

梯形運動

加速度：至1 g；

穩態速度：51 in/s（1.3 m/s）。

正弦運動

加速度：0.008～0.5 g；

頻率：0.2～0.6 Hz。

圖4-63 NASA 30英尺直線滑橇Fig. 4-63 NASA 30 foot straight line sled

圖4-64為NASA的52 ft直徑離心機，供人、嚙齒動物、小靈長類動物、植物進行持續加速度試驗。離心機提供兩套房間：一套配置專供動物使用；另一套人用。每一套均有17.7 m2面積，其中又分為4個小間，放置折疊床、收放桌、電腦、電視、儲物柜等。房間一端設有衛生間，中央為公共面積，置方桌供吃飯、娛樂、交流使用。其基本技術參數如下。

半徑：15～20 ft（4.57～6.1m）；

有效載荷：5 000 lb（2 268 kg）；

最大加速度：2 g；

最大轉速：21 r/min；

座艙：190 ft2（17.7 m2）。

圖4-64 NASA 52 ft英尺直徑離心機Fig. 4-64 NASA 52 foot diameter centrifuge

圖4-65為NASA的直徑24 ft離心機，該離心機有10根轉臂，每一轉臂懸掛兩個吊籃，吊籃尺寸為 2.2 ft×3.2 ft×1.8 ft（0.67 m×0.98 m×0.55 m），每一吊籃有16個安裝位置，這樣，同一臺離心機的每一次運轉過程，就可以有不同的加速度水平，而吊籃都要進行平衡且安裝在叉頭形狀的常平架上，轉動過程中自由擺動，得以按合成加速度方向定位，主要用于小動物、植物和硬件試驗。基本技術性能如下：

半徑：12 ft（3.66 m）；

最大有效載荷：100 lb（45.4 kg）/每一吊籃；

最大加速度：3 g；

圖4-65 NASA 24英尺直徑離心機Fig. 4-65 NASA 24 foot diameter centrifuge

最大轉速：30.5 r/min。圖4-66為NASA多軸離心機，用于檢驗身體按一定頻率轉動，導致眼睛運動對前庭反射的表現，來試驗小動物對角度或直線加速度與角加速度組合的生理反應。多軸離心機主體兩端固定著對稱的兩個叉頭部件，叉頭各配置一個試驗容器STC （Specimen Test Container），內部配備有試驗所需的不同裝置。

離心機共有4根運動軸：主自旋軸；外部高性能自旋軸；內部高性能自旋軸；內部定位軸。

離心機主體圍繞主自旋軸旋轉，帶著STC的內常平架與外常平架聯接體，并繞外高性能軸旋轉。STC繞內高性能軸轉動； STC還可繞定位軸轉動并在運轉中鎖定方位。離心機可以同時組合兩個運動：主自旋運動與其他一根自旋軸的運動；也可沒有主自旋運動，僅僅是繞內、外高性能自旋軸運動。

多軸離心機基本技術性能如下：

主自旋軸速度：240° /s；

主自旋軸加速度：15° /s2；

高性能軸速度：±500° /s；

高性能軸加速度：±500° /s2；

定位軸速度：55° /s；

定位軸位置界限：±180o。

半徑

STC中心：2.62 ft（0.8 m）；

STC地面：3.44 ft（1.05 m）。

最大載荷：54 lb（24.5 kg）。

最大加速度

STC中心：1.75 g；

STC地面：2.13 g。

STC體積：2.8 ft3（0.08 m3）。

圖4-66 NASA 多軸離心機Fig. 4-66 NASA multiple spindle centrifuge

NASA重力生物研究中心的各種各樣加速度試驗設備，讓我們接觸到一些另類離心機和其他一些試驗裝置，足以使我們擴展了視野。

4.4.5 HEPG空軍研究實驗室離心機

據稱自1935年就開始應用離心機進行科學研究長達 70余年的美國空軍研究實驗室 HEPG（Human Effectiveness Protectorate-G)，位于美國俄亥俄州代頓的賴特帕特森空軍基地（Wright-Patterson Air Force Base in Dayton, Ohio）。

1967年（有資料稱為1969年，取其早者）他們就開始運轉了一臺三軸載人離心機，被稱之為動態環境模擬器（Dynamic Environment Simulator，簡稱DES），終于在2007年2月運行40年以后退役。盡管該離心機已經退役，但是它完成如此之長的歷史使命值得尊敬，而且其構造也還是非常值得回顧的.其結構和外形分別如圖4-67和圖4-68所示[18,19]。

圖4-67 HEPG 動態環境模擬器結構示意圖Fig. 4-67 HEPG dynamic environment simulator structure schematic drawing

圖4-68 HEPG 動態環境模擬器外形圖Fig. 4-68 HEPG dynamic environment simulator outline drawing

在每一套匯電環尾部還附加一套液壓旋轉接頭；座艙軸也有一套匯電環部件，很可能沒有液壓接頭。

DES主要技術指標，不同資料出入頗大，取其高者列于如下。

半徑：6 m；

最高加速度：20 g；

加速度增長率：＜1 g/s；

有效載荷：1 364 kg。

除有效載荷大以外，其他指標與現代載人離心機不能相比，但其使用之久，說明仍有其存在價值，就看如何利用了。

該離心機被稱之為主臂的部分短而粗，幾乎與轉臺尺寸相當，不像是一條臂；倒是叉頭部件更像是轉臂，它伸出去構成了旋轉半徑的主要幾何尺寸。如果根據“構成離心機主要結構參數——設計半徑的重要構件”的定義來衡量，說它是轉臂也無不可，不過這個轉臂特別之處是可以繞自己的中心軸轉動，一般叉頭在離心機里都是固定不動的部件，因此，無論叉頭還是轉臂能夠自轉皆為其一大特點。

從圖 4-69可見，叉頭轉動構成了受試者眼水平的俯仰運動，座艙構成滾轉運動，座椅構成偏航運動。

該離心機的轉子靠全靜壓軸承系統支撐，我們1986年開始研制的特大型人—物兩用離心機也是全靜壓軸承系統，是因循自己大型物體離心機的靜壓導軌發展而來，可見，20世紀60～70年代靜壓技術比較時髦，至少大型軸承當時還不成熟，包括我們的座艙常平架內外環間，不得不采用自制鋼絲軌道軸承也是一例。這臺離心機叉頭所用軸承應該也是大型軸承，何種支撐形式具體情況不詳；此外，叉頭驅動是大電機還是電動機-齒輪副傳動也不詳。

總之，叉頭自轉獨出心裁，值得關注。

圖4-69 HEPG DES參考坐標系及其定向圖Fig. 4-69 HEPG DES reference coordinate system and orientation chart

該離心機結構龐大，轉臂半徑6 m而座艙直徑就達3 m，整個轉子呈短粗狀，形狀怪異，加上中央主臂和轉臺，總質量高達163 t。

離心機的配平關系不清楚，難道就因為轉速不高全靠粗壯的主軸和全靜壓軸承承擔嗎？總之，這也是一臺另類的低加速度離心機。

4.4.6 美國商品離心機

由于美國研究單位很少去自行研制離心機，基本都是委托研制或采購商品離心機，因此離心機制造商出現得早，數量也多，以下介紹兩家。

4.4.6.1 Wyle Laboratories 離心機

維勒實驗室（Wyle Laboratories）是美國著名實驗設備制造商[20]，擅長于航空航天生命科學研究訓練設備的研制，長期執行美國國防部、NASA、美國海軍等軍事部門的各種研發計劃，也參與其他民用商業活動，早在1960年因支持水星空間計劃的加速度研究和訓練任務，成為航空醫學技術的先驅，首臺離心機具有穩態加速度 20 g并配備振動和聲環境；上世紀90年代中期，購入愛姆榮工程公司（Emro Engineering Company）陸基訓練模擬器和動態運動模擬器生產線的同時也獲得了一批從事35年運動模擬和空間模擬設備的工程師，從而進一步擴大了業務范圍。

維勒實驗室可以完成包括設備實驗室及其附屬設施在內的交鑰匙工程，主要產品是離心機、運動模擬器、空間定向訓練器、轉臺及低壓艙等。而航空航天人用離心機以及依托離心機為基礎的動態飛行模擬器，包括單軸、雙軸以至三軸常平架系統。

Wyle離心機涵括4種類型：物體離心機，綜合環境離心機，土工離心機，人用離心機。

(1)Wyle物體離心機

Wyle物體離心機可以根據用戶對不同半徑、不同載荷以及各種加速度組合的要求，照單個體研發，可參照標準的組合系列，如表4-8所示。

表4-8 Wyle物體離心機標準組合Table 4 -8 Wyle object centrifuge standard combination

從系列表觀察到，他們的物體離心機有效載荷并不太大，加速度從低到高都有。

轉臂可采用鋼制也可用鋁，吊籃可對稱也可不對稱；驅動系統采用液壓或直流電機，控制部分可手動也可自動。總之，隨君屬意，點到即有。

(2)Wyle綜合環境離心機

Wyle綜合環境離心機用于敏感的電子或機械零部件進行品質檢驗，可綜合各種自然和誘導環境，如振動、加速度、溫度、氣候和高度，基本結構是在離心機轉臂一端利用絕熱耳軸固定振動、氣候/高度艙，而耳軸可將振動臺定向到與離心機主軸平行或者垂直的不同方向。Wyle典型綜合環境試驗設備 CETS （Combined Environment Test System）具有如下性能。

離心機子系統

最大有效載荷：55 lb（25 kg）；

最大加速度：50 g （試件質心處測量）；

試件最大加速度梯度：±10%；

加速度變化率：

0～10 g 不大于2 min；

10～50 g 不大于5 min；

50～100 g 不大于10 min。

控制臺： 讀轉數與時間；轉數讀出： 數字誤差±1%；

驅動：直接液壓馬達；

轉速控制：液壓伺服±2%；

安全互鎖：超速及液壓系統過熱。

振動臺子系統

50 g條件下橫向或軸向氣冷振動臺；

最大有效載荷：55 lb（25 kg）；

加速度：有效載荷55 lb（25 kg）時正弦峰值為20 g；

頻率范圍：10～2 000 Hz；

最大振幅：峰-峰值1.0 in（2.5 cm）；

正弦或隨機波；

安全互鎖：過調和過熱。

氣候子系統

不銹鋼絕熱氣候室提供高度和溫度環境，離心機不動時利用地面調節系統維持實驗條件，冷量與熱量通過流經電加熱器和液氮冷卻螺管的熱循環液體進行熱交換。

離心機運轉時，地面系統斷續工作，機上真空泵抽空并維持所需高度環境。

溫度

范圍：-65～300 oF （-36～167 oC）；

熱載荷：來自試件，連續500 W；

加熱速度：連同內部500 W載荷，由60～300 oF（33～167 oC），不大于 30 min；

冷卻速度：連同內部500 W載荷，由95～-65 oF（+53～-36 oC），不大于 45 min；

安全互鎖：過溫和欠溫。

高度

范圍：0～70 000 ft（0～21 336 m）；

變化率： 靜止或轉動， 0～70 000 ft（0～21 336 m），15 min之內；

測量設備：高度/時間控制器及記錄儀；

安全互鎖：當過海拔狀態時。

結構

室內空間：40 in3（655 cm3）；

不銹鋼內表面；

測量電纜端口。

綜合實驗性能

加速度、振動及氣候：15 min；

振動和氣候：48 h；

加速度和振動：15 min；

加速度和氣候：15 min。

綜合環境航空航天物體離心機在我國還是空白，主要可能還是試驗方法和試驗標準方面的原因，為什么美國要進行這樣的試驗值得研究。

(3)Wyle土工離心機

Wyle土工離心機，如Colorado土工離心機，此處不加贅述。

(4)Wyle人用離心機

· Wyle載人離心機

如圖4-70所示，其技術性能如下。

半徑：6.1 m；

艙體積：7.2 m3；

有效載荷：680 kg；

加速度：1～30 g；

加速度變化率：0.1～6 g/s；

峰值功率：1.5 MW；

控制形式：程序控制或人控；

閉環控制：包括F-16飛行模態；

42 in等離子顯示屏。

美國空軍HEPG Brooks基地配備此離心機。

圖4-70 Wyle載人離心機Fig. 4-70 Wyle manned centrifuge

· Wyle動態飛行模擬器DFS（Dynamic Flight Simulator）

Wyle動態飛行模擬器被加拿大和美國空軍使用，瑞典航空航天醫學訓練中心也配備了它，其外形和視窗效果分別如圖4-71和圖4-72所示。

圖4-71 Wyle動態飛行模擬器Fig. 4-71 Wyle dynamic flight simulator

圖4-72 Wyle動態飛行模擬器視窗系統效果Fig. 4-72 Wyle dynamic flight simulator Windows system effect

Wyle動態飛行模擬器的主要技術性能如下。

半徑：30 ft（9.14 m）；

最大設計加速度：15 g；

有效載荷：1 150 lb（521.6 kg）；

啟制動變化率：0～15 g/s；

雙常平架座艙：滾轉與俯仰；

座椅感知反饋；

抬頭低頭及窗外視覺系統；

生物醫學檢測系統；

提供地基模擬器功能；

離心機可以開環控制，用于G試驗與G鍛煉；或閉環控制，用于G容差生理學、空間定向、人/機界面研究、戰術機動訓練和教學。

總之，該離心機具有如下一些特點：

? 離心機轉子由大扭矩直流電動機直接驅動，其質量也由電機直接傳給地基；

? 球形座艙具有全旋能力，可按飛機座艙進行配置；

? 控制系統可模擬飛機動態響應特性；

? 再現所試飛機的控制算法，氣動力學和發動機特性；

? 知覺算法與 DFS控制系統相結合，造成一般離心機所沒有的逼真感；

? 窗外、抬頭、低頭顯示與 DFS運動及駕駛員控制輸入相結合；

? 閉環模態下飛行員全指令實飛；

? 運行過程醫學檢測資料實時傳輸；

? 用于高加速度訓練的預編程模態；

? 用戶可修正的模態。

瑞典航空航天醫學訓練中心的圖片見圖 4-73和圖 4-74[21]，它是 2001年配備的。圖 4-75是該DFS安裝前的轉子圖片[22]。

圖4-73 瑞典的DFSFig. 4-73 Sweden's DFS

圖4-74 DFS艙內Fig. 4-74 In DFS cabin

圖4-75 安裝前的瑞典空軍DFS轉臂與座艙Fig. 4-75 Swedish Air Force DFS Arm and Gondola Before Installation

4.4.6.2 ETC載人離心機

美國環境構建公司（Environmental Tectonics Corporation，ETC）由其總裁和首席執行官William F. Mitchell先生于1969年創立，他原是賓夕法尼亞州費城（Philadelphia, Pennsylvania）郊區一名鄉村高爾夫俱樂部的年輕人。公司處女作是 1971年為美國海軍研制快速減壓艙，在這基礎上發展了一系列低壓艙類設備，如生物醫學、殺菌消毒、試驗模擬等系統；后來迎合社會需求逐漸發展到空勤人員訓練設備，如今儼然成為當家技術；1999年后，運動模擬技術工程尤為突出。

國家宇航訓練研究中心（The National AeroSpace Training and Research Center）是ETC全資子公司，裝備了ETC的最新設備，供軍、民、個人航空航天模擬試驗和訓練之用，主要設備有[23]：

(1)G-Lab單軸4000型載人離心機（圖4-76）

該離心機的技術性能為：

旋轉半徑6.1 m；

最大有效載荷318 kg；

最大徑向加速度15 g；

由怠速1.4 g開始最大啟動率8 g/s；

艙內配有窗外視景顯示器；

配備中央及側面操縱桿；

座椅靠背角度可調 13°或 30°，適應大多數戰斗機幾何角度；

航空座椅可旋轉 90°，使受試者暴露于橫向加速度環境下。該離心機應用于美國空軍戰術部隊。

圖4-76 G-Lab 4000型單軸載人離心機Fig. 4-76 G-Lab 4000-single axle manned centrifuges

(2)G-FET II 雙軸載人離心機（圖4-77）

該離心機的技術性能為：

轉臂7.6 m/系統自然頻率10 Hz；

最大有效載荷350 kg；

最大徑向加速度15 g，用于訓練；

最大徑向加速度25 g，用于研究；

由怠速1.4 g開始最大啟動率為10 g/s；

gx最大值為±10 gx；

gy最大值為 0～8 gy；

主驅動為大力矩直流電動機聯接精密直角減速器；

俯仰+180o～-90o，滾轉+10o～+100o，由同步電動機帶齒輪箱驅動；

艙內配有窗外120o×50o視景顯示器；

座椅靠背角度可調 13°或 30°，適應大多數戰斗機幾何角度。

圖4-77 G-FET II 雙軸載人離心機Fig. 4-77 G-FET II two axle manned centrifuge

G-FET系列雙軸載人離心機俯仰與滾轉運動如圖 4-78所示，這類離心機加速度變化率最大可以做到15 g/s，適應目前甚至未來戰斗機性能，執行如圖 4-79空戰機動飛行剖面，成為其最現代的載人離心機或動態飛行模擬器之基礎。

離心機轉臂采用復合材料或硬鋁合金制造，最小安全系數按極限強度為5.85，系統自然頻率達到10 Hz。

圖4-78 G-FET系列雙軸載人離心機Fig. 4-78 G-FET series two axle manned centrifuge

圖4-79 典型空戰機動曲線Fig. 4-79 Typical air-combat maneuver curve

(3)ATFS-400戰術飛行系統（圖 4-80和圖4-81）

該離心機的技術性能為：

旋轉半徑7.6 m；

（最大有效載荷350 kg）；

最大徑向加速度15 g；

最大啟動率10 g/s；

gx最大值為±10 gx；

gy最大值為 0～8 gy；

主驅動峰值為6 000 HP(4 474.2 kW)的感應電動機；

三套精密可控電動-機械運動驅動系統；

與飛機機動飛行相協調的精密加速度矢量定向控制；

俯仰±360o，滾轉±360o；

艙內配有窗外120o×70o視景顯示器；

力反饋控制。

圖4-80 ATFS-400戰術飛行系統視圖1Fig. 4-80 ATFS-400 tactic flight system view 1

圖4-81 ATFS-400戰術飛行系統視圖2Fig. 4-81 ATFS-400 tactic flight system view 2

（References）

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[10]Kutter B L, Li X-S, Sluis W, et al. Performance and instrumentation of the large centrifuge at Davis[J].Centrifuge, 1991

[11]Using nees to investigate soil-foundation-structure interaction[C]//13thWorld Conference on Earthquake Engineering, Paper No. 2344

[12]Kutter B L, Idriss I M, Khonke T, et al. Design of a large earthquake simulator at UC Davis[J]. Centrifuge, 1994

[13]Centrifuge features and limitations[R]. Centrifuge SSDB document, 2004

[14]Ko H-Y. The Colorado centrifuge facility[J]. Centrifuge,1988

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[19]Van Poppel J A, Pancratz D J, Rangel M H, et al. Model validation and design for the dynamic environment simulator[J/OL]. http://www.stormingmedia.us/53/5321/A532163.html

[20]Wyle Laboratories[EB/OL]. http://www.wylelabs.com/aboutwyle.html/, 2008

[21]Kiefer D. Swedish dynamic flight simulator update[J/OL].Acceleration Research News, 2001, 2(1), http://www.flightmed.com.au/IAW2001Newsletter.PDF

[22]http://www.flightmed.com.au/workshop.html[EB/OL]

[23]The National AeroSpace Training and Research Center[EB/OL]. http://www.nastarcenter.com/, 2008