模擬導彈發射的空氣炮啟動帶矢量轉臺離心機

張艷兵，馬鐵華，祖 靜，孫江濤

（1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051；3.中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009）

0 引言

離心機通過高速旋轉能產生幾十倍重力加速度的超重環境，可檢查儀器設備在超重環境下的性能指標［1］，從而對其制導系統、控制系統以及相應器件的性能進行仿真和測試，以獲得充分的試驗數據，并以此為依據，指導其設計和改進，達到總體設計的性能指標要求。隨著航空航天的發展，離心機得到了越來越廣泛的應用，在火箭、衛星、導彈、飛機、火炮和魚雷等武器系統的研制中起著極其重要的作用［2］。

導彈發射時，要求其軸向加速度在很短的時間內達到設定值，而橫向加速度為零。但是常規的離心機都是通過電機加載［3］，其啟動時間大都需要幾秒甚至是幾分鐘的時間，而且加速過程中會產生一定的切向加速度，不能模擬導彈的發射過程。

針對離心機加速慢，無法準確模擬導彈加速度曲線上升沿等問題，本文綜合運用離心機、轉臺以及空氣炮，設計了空氣炮啟動的帶矢量轉臺離心機。

1 離心機、空氣炮和伺服電機

離心機通過電機加載后，高速旋轉產生幾十倍于重力加速度的向心加速度，能對加速度計進行標定和校準，也可對戰略導彈、火箭等現代化武器裝備的慣性裝置進行加速度試驗。但是離心機達到設定的角速度需要幾秒的時間，而導彈的發射過程在0.2s內完成，因此普通離心機由于角加速度不夠，上升沿太慢，不能模擬導彈的發射過程。

空氣炮利用壓縮空氣突然釋放產生的氣流，產生強大的沖擊力，是目前世界上公認的最先進、最環保、最安全的破拱助流設備［4］，常用于獲得推力、加速度和線速度。本離心機就是在常規離心機的基礎上，利用空氣炮產生的強大沖擊力助推轉臂，使試件的軸向加速度瞬間達到設定值。

控制系統中選用了美國丹納赫傳動的AKM52K伺服電機及其驅動器。AKM52K電機提供了非常高的扭矩、密度和加速度，能夠滿足高速設備的要求，其電氣特性如表1所示。

表1 AKM52K的電氣特性Tab.1 Electrical specifications of AKM52K

2 空氣炮啟動的帶矢量轉臺離心機

空氣炮啟動的帶矢量轉臺離心機由空氣炮助力系統、離心機和矢量轉臺組成，空氣炮助力系統包括滑塊、空氣炮、空壓機及壓力控制系統。滑塊和離心機轉臂位于同一旋轉平面，垂直于轉臂，對準轉臂的一端，空氣炮的推桿低于這一旋轉平面。發射時，空氣炮的推桿通過滑塊助推轉臂，矢量轉臺的轉軸安裝在離心機轉臂的另一端，垂直于離心機轉臂旋轉平面，被試件安裝在矢量轉臺轉臂的端部，與轉臺臂同軸，見圖1。

2.1 空氣炮啟動離心機原理

通過控制空氣炮發射時的壓力，可以控制空氣炮發射的加速度。空氣炮發射過程在很短的時間內產生很大的沖擊力，助推轉臂，大大提高了角加速度，縮短了加速度上升時間，實現了離心機的瞬間啟動。

同時過大的沖擊力也會使轉臂產生很大的切向加速度［5］，為了保證試件的橫向加速度為零，就需要運用轉臺控制技術，在轉臂上利用伺服電機實時適配矢量軸轉角，實現運動控制。試驗過程中，通過控制空氣炮腔內的壓力，可使推桿一直向前，最后停在最大行程處。發射后，滑塊倒下，保證矢量轉臺轉過來不反撞空氣炮推桿及滑塊。

2.2 矢量轉臺工作原理

當矢量轉臺轉臂與離心機轉臂軸線平行時，隨著離心機旋轉，被試件只承受軸向離心力（距離離心機主轉軸1m）。但是，當空氣炮推動轉臂時，被試件會承受額外的橫向力。此時如果矢量轉臺與離心機轉軸不平行，如圖1所示，則離心力可以被分解為沿被試件軸線x與軸線垂線y兩個分量。橫向推力也可以被分解為x與y兩個分量，并且離心力與橫向力的y分量方向相反。由于分量大小與矢量軸轉角φ相關，可以通過伺服系統調節試件的矢量軸轉角，使試件的橫向（y向）合加速度為0，兩個軸向（x向）加速度合成為試件的加速度。矢量轉臺的方向設定如圖1所示。

圖1 矢量轉臺的方向設定Fig.1 The direction of vector turntable

模擬導彈發射過程中主轉軸加速旋轉，矢量轉臺矢量軸軸心處的切向加速度和法向加速度分別為：

其合成加速度為：

式（2）中，At、Ar、A分別為矢量軸軸心處的切向加速度、法向加速度及合成加速度。

根據二維矢量分配原則，A可以分解為試件的x向和y向的加速度，即：

式（3）中，Ax為試件x向加速度，Ay為試件y向加速度。

發射過程結束后主轉軸以角速度ω勻速旋轉，主轉臺只有法向加速度，則有A＝Ar，同理A可以分解為x向和y向的加速度。

以上過程中，伺服電機控制試件的x向適時跟蹤矢量軸軸心處的合成加速度，因此

2.3 系統工作流程

試驗時試件被固定在矢量轉臺上，模擬導彈發射過程分為三步：1）變頻電機先行啟動，達到設定轉速，但是電磁離合器不接通，因此轉臂不動；2）空氣炮發射，通過氣動助力系統給轉臂施加助推力，使其快速啟動，把空氣炮的線速度瞬間轉化為離心機的切線速度，達到所需的轉速；3）接通電磁離合器，實現接力，變頻電機帶動轉臂，以穩定的轉速旋轉。為了保證試件的橫向加速度為零，以上過程中伺服電機帶動轉臺，控制試件的轉角，使其軸向永遠指向轉臂的合成加速度方向。矢量轉臺離心機的結構示意圖如圖2所示。

圖2 離心機總體結構Fig.2 The structure of the centrifuge

3 仿真與試驗驗證

3.1 模擬導彈發射過程的計算與仿真

通過空氣炮給主轉臂施加助推力，使矢量轉臺在很短的時間內達到所需要的加速度，用來模擬導彈的發射環境力。

1）導彈發射過程試件的加速度仿真

在模擬導彈發射過程中，利用空氣炮產生助推的切向加速度，使得矢量轉臺設備的切向加速度和法向加速度的合加速度等于試件x向加速度，同時保持試件y向加速度為零。圖3為模擬導彈建立試件x向50 g時，轉臂的切向加速度（At）、法向加速度（Ar）、合成加速度（A）曲線。

根據導彈在發射過程中需要建立的不同g值，可以得到空氣炮發射時對應的初始壓力值，通過助推系統，可以使矢量轉臺上的試件得到如圖4的加速度仿真曲線。

圖3 x向加速度50 g時轉臂加速度曲線Fig.3 The accelerating curves of tumbler，while Ax ＝50 g

圖4 x向加速度50 g時試件的加速度仿真曲線Fig.4 The simulated accelerating curves of test specimen，while Ax ＝50 g

2）模擬導彈發射過程伺服控制

在模擬導彈發射過程中，通過氣動助力系統使矢量轉臺在要求的時間內產生較大的角加速度，從而得到較大的切向加速度；角加速度對時間的積分得到角速度，這樣又產生了較大的法向加速度；通過伺服電機改變試件矢量軸轉角，使得試件x向的加速度重合于矢量轉臺產生的合加速度方向。

欲建立穩態的x向和變化的y向加速度，伺服電機必須適時調整試件矢量軸轉角，使矢量軸轉角滿足圖5的仿真曲線，通過該曲線可以得到矢量轉軸的角加速度仿真曲線，如圖6所示。

圖5 矢量軸角位移仿真曲線Fig.5 The simulated angular displacement curves of vector axis

圖6 矢量軸角加速度仿真曲線Fig.6 The simulated accelerating curves of vector axis

從圖5和圖6可以看出，模擬導彈發射過程中，在0.06s內建立了試件x向的加速度50 g，此時試件x向加速度完全由矢量轉臺在安裝試件處的法向加速度提供，矢量轉臺的角位移為90°，但此時矢量轉臺仍具有較高的角加速度，雖然矢量轉臺對試件產生的x向和y向加速度誤差非常小，但矢量轉軸存在“過沖現象”，不能在90°位置停下來，所以不能按照圖6中的角加速度規律對試件矢量轉軸進行加載。可以根據矢量軸轉角規律，用逼近該轉角的方法得到可行的試件矢量軸轉角的角加速度加載規律，最簡單的角速度規律如圖7所示。

圖7 試件角速度曲線Fig.7 The angular velocity curve of test specimen

在圖7中，陰影部分的面積等于角速度對時間的積分，即圖5中的矢量軸轉角在0.06s時的角位移90°，因此

由圖7，t2＝0.073s，可以求得ωmax＝43.04rad／s。

根據該加載規律對時間的積分得到角位移規律，并和理想的角度曲線相比較，如圖8所示。

圖8 矢量軸角位移曲線Fig.8 The angular displacement curves of vector axis

對應的x向和y向的過載情況如圖9所示。

從圖9中可以看出，實際曲線已經比較逼近理想的曲線了，但在t＝0.06s時y向加速度有比較大的幅值，達到11.3 g，整個過程x向加速度在50 g附近波動，最大波動幅度達3.4 g，誤差為6.8%，在允許范圍內。

圖9 試件X向和Y向加速度曲線Fig.9 The curves of Axand Ay

3.2 空氣炮啟動矢量轉臺離心機的試驗驗證

本系統在某導彈的模擬試驗中已經成功應用，設定導彈的發射加速度為20 g，實測的加速度曲線如圖10所示。

圖10 試件加速度曲線Fig.10 The acceleration curves of the aircraft

從圖10中可以看出，空氣炮啟動，變頻電機接力，伺服電機跟蹤后，試件的軸向加速度在120ms內達到20 g，而橫向加速度為0，控制誤差在±5%以內，滿足應用要求，較好地模擬了導彈的發射過程。

考慮到試件長度及引信安保系統偏離矢量轉臺軸心產生的加速度偏差，需要設計夾具［6］，把試件固定在夾具上。試驗時根據試件長度及重心位置，調節試件和夾具，使其重心與矢量轉臺的軸心、雙軸加速度的中心重合，這樣可以減小試件軸向和橫向的加速度偏差，提高系統精度［7］。

4 結論

本文提出的空氣炮啟動的帶矢量轉臺離心機，用空氣炮助推的方式提高了角加速度，縮短了加速度上升時間，實現瞬間加速，同時用伺服電機帶動矢量轉臺，抵消了空氣炮的橫向沖擊力，模擬導彈的發射過程。實測結果表明：該離心機可以模擬導彈的發射過程，在120ms內建立所需的加速度，滿足模擬試驗的要求，為火箭、導彈等產品配用引信的安保系統解除保險試驗提供了實用化的平臺。該系統還可以推廣應用于火箭等加速度曲線量值相近的其它機械或電子部件進行加速度試驗，有廣闊的應用前景。

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