頻率鎖定對傘彈系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性的影響

趙養(yǎng)正，方養(yǎng)田

（西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安 710065）

0 引 言

傘彈的穩(wěn)定性及空中掃描姿態(tài)直接影響著傘彈的攻擊性能。目前傘彈系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)掃描特性主要還是通過試驗獲得，因此在立式風(fēng)洞中進(jìn)行穩(wěn)態(tài)掃描環(huán)境模擬試驗研究，對傘彈系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)選具有重要的意義。國內(nèi)外在立式風(fēng)洞中主要進(jìn)行飛機模型的尾旋試驗［2－3］，傘彈系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)掃描試驗還沒有公開的文獻(xiàn)。

在立式風(fēng)洞中通過激光非接觸測量獲得了不同風(fēng)速下傘彈系統(tǒng)的瞬時轉(zhuǎn)速，并提出在較窄的風(fēng)速區(qū)域內(nèi)存在瞬時轉(zhuǎn)速頻率鎖定區(qū)。

1 試驗?zāi)Ｐ团c測試設(shè)備

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

試驗?zāi)Ｐ蜑槟硞銖椖Ｐ汀?/p>

1.2 穩(wěn)態(tài)掃描試驗裝置

穩(wěn)態(tài)掃描試驗裝置包括一座低速直流開口試驗段立式風(fēng)洞和圖像采集與處理系統(tǒng)，其中立式風(fēng)洞收縮段出口直徑為Φ4.5m，試驗段射流長度為6.5m，試驗段最大風(fēng)速為50m／s、最小可控風(fēng)速為5m／s；圖像采集與處理系統(tǒng)包括兩路激光器、兩個采集柜、兩個CCD相機、同步觸發(fā)器和圖像處理計算機等構(gòu)成。

1.3 測量方法

采用激光非接觸測量技術(shù)［1，4］，用兩路激光器發(fā)出的正交激光照射模型，兩臺高速CCD相機同步采集兩路正交投影圖像，通過圖像處理技術(shù)獲得模型兩個垂直方向的投影角，再計算出掃描角和轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)：圖像采集速率74幀／s。

測試原理圖見圖1，根據(jù)投影視圖的原理及幾何關(guān)系可以推出：

再根據(jù)相鄰兩個時刻的θ用下式求出模型旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速：

當(dāng)ΔT→0時，nT為瞬時轉(zhuǎn)速。

圖1 測試原理圖Fig.1 Principle of measuring

2 試驗結(jié)果及分析

圖2為傘彈模型A掃描角和轉(zhuǎn)速測試示意圖，從圖中可以看出傘彈系統(tǒng)在立式風(fēng)洞非接觸光學(xué)測量的狀態(tài)，圖中模型傘為有頂孔、帶側(cè)向排氣孔的旋轉(zhuǎn)傘，模型彈與立式風(fēng)洞風(fēng)軸有一定夾角。通過激光非接觸測試系統(tǒng)測得傘彈模型A的掃描角和瞬時轉(zhuǎn)速，測試結(jié)果如下。

圖2 A模型掃描角和轉(zhuǎn)速測量示意圖Fig.2 Shetch of testing scanning angle and rotate speed of model“A”

圖3為傘彈模型A在不同風(fēng)速下（通過牽引繩不同的牽引力獲得不同的平衡風(fēng)速）的轉(zhuǎn)速曲線，橫坐標(biāo)為風(fēng)速系數(shù)，等于瞬時風(fēng)速的均值除以固定風(fēng)速值，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速系數(shù)，等于瞬時轉(zhuǎn)速均值除以固定轉(zhuǎn)速值，從圖中可以看出隨著風(fēng)速系數(shù)的增大，轉(zhuǎn)速系數(shù)總趨勢逐漸增加，但在較窄的風(fēng)速范圍（風(fēng)速系數(shù)為1附近）內(nèi)，轉(zhuǎn)速均值基本不變，這時子彈的瞬時轉(zhuǎn)速和掃描角脈動頻率9.25241（見圖8、9）非常接近圓柱型子彈繞流斯卓霍爾頻率（St＝0.105［7］，U來流速度，D子彈特征直徑），這種現(xiàn)象類似頻率鎖定現(xiàn)象［5］。在圖3中，在頻率鎖定區(qū)域a點，傘彈系統(tǒng)的瞬時轉(zhuǎn)速波動較小，掃描角也具有較穩(wěn)定的周期性變化，見圖4和5；但在非頻率鎖定區(qū)域b點，傘彈系統(tǒng)的瞬時轉(zhuǎn)速和掃描角的周期性受到了較大的干擾，見圖6和7，這說明非頻率鎖定區(qū)域，傘彈系統(tǒng)對外界干擾較為敏感。

圖3 不同風(fēng)速下的轉(zhuǎn)速曲線Fig.3 The curve of rotate speed in different wind speed

圖4 a狀態(tài)掃描角系數(shù)隨時間變化曲線Fig.4 The curve of scanning angle coefficient－time in case“a”

圖5 a狀態(tài)瞬時轉(zhuǎn)速系數(shù)隨時間變化曲線Fig.5 The curve of rotate speed coefficient－time in case“a”

圖6 b狀態(tài)掃描角系數(shù)隨時間變化曲線Fig.6 The curve of scanning angle coefficient－time in case“b”

圖7 b狀態(tài)瞬時轉(zhuǎn)速系數(shù)隨時間變化曲線Fig.7 The curve of rotate speed coefficient－time in case“b”

下面通過頻譜分析法［6］對試驗結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析，從圖3中a、b兩點瞬時轉(zhuǎn)速和掃描角脈動功率譜（見圖8、9、10、11）可以看出，a點的主頻能量明顯高于b點的主頻能量，而且a點的主頻比b點集中。圖12、圖13分別為圖3中a、b狀態(tài)掃描角的兩路投影角相圖，其中圖12對應(yīng)頻率鎖定區(qū)域，即a狀態(tài)，圖13對應(yīng)非頻率鎖定區(qū)域，即b狀態(tài)，比較兩圖可以看出，a狀態(tài)曲線較光滑，集聚性好［5］，而b狀態(tài)就出現(xiàn)了明顯的散亂現(xiàn)象，個別區(qū)域測點分散度較大。

圖8 a點瞬時轉(zhuǎn)速脈動功率譜Fig.8 The power spectrum of rotate speed in case“a”

圖9 a點掃描角脈動功率譜Fig.9 The power spectrum of scanning angle in case“a”

圖10 b點瞬時轉(zhuǎn)速脈動功率譜Fig.10 The power spectrum of rotate speed in case“b”

圖11 b點掃描角脈動功率譜Fig.11 The power spectrum of scanning angle in case“b”

圖12 a狀態(tài)投影角相圖Fig.12 The phase diagram of projecting angles in case“a”

圖13 b狀態(tài)投影角相圖Fig.13 The phase diagram of projecting angles in case“b”

由于懸浮于空中的傘彈轉(zhuǎn)速較快，且子彈處于大迎角狀態(tài)，氣流分離較大，使子彈處于非常復(fù)雜的流場中，另外外界的干擾和傘的形變，使傘彈系統(tǒng)的運動更復(fù)雜多變，因此通過尋找頻率鎖定區(qū)，優(yōu)化傘彈工作參數(shù)，可以在復(fù)雜的環(huán)境下提高子彈掃描角和瞬時轉(zhuǎn)速的脈動穩(wěn)定性，對傘彈設(shè)計具有重要意義。

3 結(jié) 論

在立式風(fēng)洞中，采用激光非接觸測量技術(shù)可有效測量傘彈模型平衡狀態(tài)的掃描角和轉(zhuǎn)速。通過不同風(fēng)速下的瞬時轉(zhuǎn)速測量和結(jié)果分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）隨著風(fēng)速均值的增加，轉(zhuǎn)速均值的總趨勢逐漸增大，但在較窄風(fēng)速范圍內(nèi)，存在頻率鎖定區(qū)域；

（2）在頻率鎖定區(qū)，掃描角和瞬時轉(zhuǎn)速曲線具有較好的周期穩(wěn)定性；

（3）瞬時轉(zhuǎn)速和掃描角脈動功率譜分析證明了頻率鎖定區(qū)的主頻能量高于非頻率鎖定區(qū)；

（4）同時頻率鎖定區(qū)的投影角相圖曲線也較為光滑，聚集性好；

（5）對傘彈優(yōu)化設(shè)計具有參考價值。

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