模擬空投發射架動態參數計量測試方法

王毅，張榮閣

(昆明船舶設備研究試驗中心計量站，云南昆明650051)

0 引言

空投魚雷是魚雷的一個類別，它是由飛機攜帶投放用于攻擊潛艇或水面艦艇的魚雷。在空投魚雷的外場試驗中，船載空投魚雷模擬發射裝置可以模擬直升飛機或固定翼飛機發射的環境條件。船載的發射架為垂直于發射甲板的門形架，在兩個門形架上部安裝有用于前飛模擬或懸停模擬的可運動的魚雷掛架車，發射裝置通過提升裝置安裝在掛架上。模擬發射架可以實現懸停發射、變角發射和帶速模擬發射等多種空投發射的試驗。在上述發射試驗中涉及到的主要參數包括:掛架運行速度、掛架發射懸停高度、掛架發射前飛投放平飛時間、變角發射角度等。與主要參數相關的輔助發射參數包括:發射氣瓶工作壓力、發射償壓、載雷車剎車時間、載雷車帶雷運行加速度、剎車力等。

在空投魚雷試驗過程中，投放位置環境因素對魚雷有重要影響。比如:船載發射架的隨機擺動而產生的投放點三維動態偏移及加速度、發射氣瓶產生的對載雷車的沖擊、載雷車投放魚雷時的速度方向、投放點周邊的風力等。此類參數是試驗結果分析的重要支持數據，有必要進行測試、校準，為試驗提供完整的試驗環境動態數據。

由于空投魚雷在試驗前的靜態測試和試驗后對控制系統的數據采集無法對各種試驗參數數據的實時性、動態性進行描述，無法為試驗過程及空投魚雷在空中彈道初始時刻的動態參數提供可靠的基礎數據分析。而空投魚雷在空中彈道起始時刻的技術參數恰恰是影響其魚雷空中飛行姿態的最重要數據，也是影響空投試驗成功與否的關鍵。因此，對空投模擬發射裝置的關鍵運動部件在發射時的動態參數的計量測試和校準是非常重要的。

1 發射架結構及運動模型分析

1.1 發射架、載雷車掛架結構原理

魚雷高空投放模擬裝置(綜合發射船)包括:雙體船、測控系統、水聲測量校準裝置、懸停模擬裝置、專用發射裝置、發射架、前飛模擬發射裝置等組成。前飛發射裝置集成了載雷車和掛架，被安放在雙體船的門形發射架上，懸停發射裝置安裝在船尾架體中部，位置如圖1所示。

圖1 模擬發射裝置示意圖

加速裝置用于投雷裝置的加速，以模擬直升機前飛狀態投雷。由于帶有空投附件(降落傘等)的魚雷不能直接進行管裝發射，因此，作為該加速裝置驅動的高壓空氣不直接作用在魚雷上，而是作用在掛有空投魚雷的載雷車上。載雷車達到預定速度后，釋放空投魚雷。載雷車運動相關部件包括滾輪、車架、軌道和活動氣缸等，其結構示意圖如圖2所示。

圖2 載雷車掛架結構原理圖

1.2 運動分析

通過對空投魚雷發射架及掛架的運動部件和固定部件的分析研究，根據其運動原理，確定各結構部件對運動性能的影響，建立運動數學模型，解析從加速、勻速到減速過程的特征點，為傳感器選型參數提供數據支持。從分析數據得出懸停狀態、前飛狀態及變角狀態等投放模式下的掛架動態參數測量方法。

在試驗起動時刻，魚雷掛車從氣動沖擊得到前行動力，魚雷及掛架處于加速運行狀態。在加速運行后，轉變成短暫的勻速巡行，此時，釋放魚雷。此后，掛架小車在液壓剎車系統作用下開始剎車，最后停止。根據系統設計，設加速時間T1，勻速運行時間T2，減速運行時間T3，勻速時速度Vs。其理想運行速度變化曲線如圖3。

圖3 載雷車掛架運行速度變化曲線

事實上，在試驗開始時，由于高壓氣瓶的沖擊作用，發射架上的導向軌道必將產生振動。載雷車運動時，也一定會受到發射架軌道振動復雜噪聲的影響。因此，在釋放魚雷時，魚雷的姿態也必將受到影響。而具體影響的量化指標補償，將可以在以下幾方面的數據分析中得到，即:①載雷車運行速度、加速度測試數據;②發射架軌道三維振動沖擊測試數據;③發射架軌道傾角檢測數據。在變角投放魚雷時，最重要的參數是變角角度。變角角度的靜態測量和校準是必須的，但發射狀態為動態過程，因此，需要根據實時測量的船體及發射架傾角姿態參數進行修正校準。

懸停投放時，投放架位置的三維姿態參數也是投放參數的重要校準數據。

2 工作原理與技術指標

2.1 工作原理

1)前飛速度測量原理

光電編碼器是一種常用的精確測速傳感器，根據其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。本方案采用增量式編碼器對掛車前飛運動進行數據采集。

將增量式旋轉編碼器安裝在魚雷掛車的滾輪上，編碼器固定采用抗震抗沖擊處理，結構見圖4。編碼器聯軸器安裝在隨滾輪旋轉的同步傳動架反向軸上，在掛車運動時，滾輪軸固定編碼器不旋轉只作水平運動，同步傳動架隨滾輪同步轉動，將滾輪的轉動角度信息傳遞給編碼器，編碼器檢測到信號并由編碼器組件內的電路、軟件進行處理并保存。

圖4 編碼器安裝結構

魚雷掛車前進速度計算方法:設滾輪半徑R，滾輪周長C=2πR，轉動圈數為n，移動時間為t時，水平速度V=n·C/t。

編碼器分辨力為Pn=2000 p/r(即每圈2000個脈沖)時，根據在一定時間內檢測到的脈沖數，就可以計算出魚雷掛車前進的速度。

設旋轉編碼器響應頻率:100 KHz，上升/下降時間:100 ns，系統采樣頻率設定為1 MHz，即可滿足波形采樣的完整性。在實際數據分析時，采樣間隔取0.1 ms，即10000點/秒，可以繪制出速度變化曲線并滿足測量精度與數據分析的要求。

現場數據采集檢測電路以單片機為控制核心，旋轉編碼器配置信號放大電路、A/D轉換電路、數據保存芯片、時鐘、現場電源等部件，組成現場測試與數據采集組件，用以檢測旋轉編碼器輸出脈沖并計算滾輪轉速和魚雷掛車的運行速度。試驗后，現場傳感器組件采集到的數據通過RS485數據接口傳送到主機，用以進行數據分析。

2)沖擊振動測量原理

系統采用軸加速度傳感器進行沖擊振動測量。由于發射過程是以高壓氣瓶的氣動力為發射動力，由此而產生的對發射架和魚雷掛車軌道的沖擊和振動也是不可避免的。而魚雷掛車和固定在發射架上的結構部件位于發射架頂部，也將產生瞬時多維擺動。因此，將沖擊測量傳感器安裝在發射機頂部軌道初始段位置，可以準確測量沖擊的影響。由于該安裝位置在非運動結構架上，因此，可以用屏蔽電纜將傳感器連接的放大器信號引出到船上工作臺位置，實時進行數據采集。工作原理見圖5。

圖5 沖擊測量原理

3)姿態傾角測量原理

X-Y軸傾角傳感器安裝在掛架小車導軌平面上，安裝方式如圖6。在導軌所在水平面上，當發射時產生沖擊或振動導致該平面傾斜時，傾角數據實時傳送到監控主機并保存。傾角傳感器測量的X-Y軸傾角數據經傳感器的RS485接口通過屏蔽電纜傳送到監控主機。

圖6 傾角傳感器安裝方式

4)采樣初始點同步原理

系統采用現場分離式和在線檢測式綜合數據采集模式。用旋轉編碼器組件對魚雷掛車的速度數據采集為現場分離式采集方式。因測速傳感器需要隨載體高速運動，因此，不適宜采用長距離的通訊線路。采集的實時數據保存在測速組件的存儲器內，試驗進行后，從其通訊接口讀出。沖擊和傾角數據采集為在線檢測方式。上述兩種方式數據采集存在的問題是起始時間的統一模式。

由于整個系統的運動是從高壓氣瓶的開啟而起動的，無論是傾角數據的變化、沖擊數據的變化還是掛車的水平運動，起始信號都是高壓氣瓶的沖擊推力。因此，在離線的旋轉編碼器組件內集成一個水平方向的加速度傳感器并配置信號放大器，將起始沖擊信號設定閾值，作為速度采集的起始點時間。該沖擊信號值與三軸加速度傳感器的X軸(水平橫向)信號相一致，從而使系統數據采集起始時刻相一致。

圖7 采樣初始點同步原理

2.2 技術指標

最大速度測量誤差:(40±0.025)m/s;

投放高度測量補償誤差:±0.1 m;

前飛投放平飛有效采樣時間:0～5 s;

載雷車加速距離:(3±0.1)m;

發射架穩定參數測量誤差:橫搖、縱搖≤±0.01°;

系統采樣頻率:1 MHz。

3 數據采集與分析

3.1 數據分析軟件

完成測試及數據采集后，數據分析軟件將得出以下分析數據:①魚雷及掛車的運行加速度、速度、加速運行距離、勻速運行距離、投雷點相對位置;②掛雷車軌道沖擊振動三維數據分析曲線;③水平導軌動態傾角變化分析曲線、投雷點垂直面位移數據。

根據系統特點，采用VC++實現實時數據采集、整理和保存。在離線數據分析階段采用Matlab數據分析軟件進行。從空投試驗開始到魚雷投放結束，系統采樣時間小于2 s，并且采樣環境存在沖擊和振動等干擾，因此，各個傳感器采集的數據不可避免地存在數據噪聲和奇異點等特征。Matlab軟件提供了大量的數據處理函數可以有效地解決上述問題，為試驗結果提供合理有效、準確的分析數據。例如，在旋轉編碼器對掛車水平前飛速度采集時，由于導軌的沖擊和振動，編碼器輸出的計數信號有可能出現較大的波動。Matlab中提供了快速實現多項式擬合的方法polyfit()函數。該多項式擬合的目的是使整體的擬合誤差達到最小。假設在某一數據段的1 ms內采集11個數據，x表示時間采樣點，y表示速度采樣值。為了用polyfit，我們必須給函數賦予數據和我們希望最佳擬合數據的多項式的階次。如果我們選擇n=1作為階次，得到最簡單的線性近似。通常稱為線性回歸。相反，如果我們選擇n=2作為階次，得到一個2階多項式。現在，我們選擇一個3階多項式。Matlab代碼和運行結果如下:

由圖8可以看出在速度采樣值波動較大時，經過曲線擬合處理，可以有效獲得準確的采樣分析數據。

圖8 速度波形擬合

3.2 速度采集誤差分析

影響魚雷掛車水平運動速度、加速度檢測精度的原因主要有滾輪抖動誤差、脈沖采集誤差和安裝同軸誤差。

1)滾輪抖動誤差

滾輪抖動誤差主要是由于運行軌道的沖擊、振動而導致的滾輪摩擦力的動態變化。傳導至編碼器，使輸出信號周期與相位改變。可以采用獨立的隨掛車在軌道上運動的防震防滑滾輪結構設計而消除或降低誤差。

在實際數據分析時，可以根據旋轉編碼器的分辨力、滾輪實時速度和運行距離計算的脈沖數對實時采樣丟失數據進行擬合補償。

在實時采集數據情況下，假設滾輪周長500 mm，水平運行距離20 m，時間為1 s，則滾輪轉速40 r/s，速度波動范圍是(40±1)r/s，最大與最小相差為2 r/s。穩速誤差為

式中:k為增量編碼器旋轉一周輸出的信號脈沖個數。編碼器精度k=2000時，δ1=3.24″。

2)脈沖采集誤差

脈沖采集誤差是由于編碼器輸出信號頻率過高而數據采集系統采樣速率較低造成數據采集誤差。系統采樣頻率為1 MHz時，對編碼器輸出信號進行采集時，可能造成Δχ=1/1000000的采樣誤差。

當速度為40 r/s時，誤差取得最大值為

3)安裝同軸誤差

通過剛性聯軸節將編碼器與滾輪連接，聯軸節安裝誤差是支架設計時已經限定。其誤差最大為δ3=±2"。

4)誤差合成

滾輪抖動誤差、脈沖采集誤差和安裝同軸誤差是獨立存在的誤差。因此，系統總的誤差為

在速度波動范圍是(40±1)r/s時，系統測量誤差為6.43″，完全可以滿足使用要求。

4 結束語

本文通過對空投模擬魚雷發射架結構及掛架運動模型的研究、對空投魚雷模擬試驗發射過程的環境數據采集方法的研究、對數據采集傳感器的適應性研究，配置了高精度、高可靠性、高穩定性、動態檢測元件和設備，采用現場分離部件同步采樣、實時動態數據存儲和集成式數據采集分析技術，設計了空投魚雷發射掛架動態數據采集分析系統。從而提高靶場試驗數據的可靠性和權威性。同時，使試驗數據更加準確，為各試驗參試單位和部門提供科學、完善的數據分析環境，提高我國水中兵器湖上試驗水平，加快空投魚雷的研制和試驗進程。

［1］楊世興.空投魚雷技術［M］.昆明:云南科技出版社，2001:352-378.

［2］高俊榮.水下武器試驗與評價要覽［M］.昆明:七五0試驗場，1999:402-403.

［3］杜穎財，王希軍，王樹潔，等.增量式編碼器自動檢測系統［J］.電子測量與儀器學報，2012，26(11):993-998.

［4］宋葉志，賈東永.MATLAB數值分析與應用［M］.北京:機械工業出版社，2014:334-335.