航天器快速展開機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)角度測(cè)量方法

趙卓茂,于 楊,丁 沛,任海臣

(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所， 北京 100076)

航天器在飛行過(guò)程中部件分離、姿軌控制等動(dòng)作的指令，往往通過(guò)各類火工裝置觸發(fā)功能部件執(zhí)行。關(guān)鍵性動(dòng)作，如助推器分離、整流罩分離和級(jí)間分離等均需地面試驗(yàn)考核[1]。快速展開機(jī)構(gòu)覆貼在結(jié)構(gòu)主體外圍，同樣需要地面試驗(yàn)驗(yàn)證支持。快速展開板繞固定軸旋轉(zhuǎn)展開，展開角度一般不超過(guò)30°，需要實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)特性功能。該機(jī)構(gòu)多含有軸對(duì)稱分布的數(shù)組結(jié)構(gòu)組件，具有打開時(shí)間短，定位精度高和同步性高等特點(diǎn)。若打開動(dòng)作執(zhí)行不力，可能導(dǎo)致航天器整體性能損傷甚至失效[2-3]。地面試驗(yàn)主要考核快速展開板打開同步性和驗(yàn)證限位功能可靠性。必要時(shí)還需獲取旋轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間歷程變化的詳細(xì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，為建立和修正仿真模型提供支撐[4]。

航天器的動(dòng)態(tài)角度測(cè)量，一般采用在火工品工作完全結(jié)束后，由陀螺傳感器獲取角速度數(shù)據(jù)后積分的方法[5-6]。火工品工作時(shí)，傳感器處于振動(dòng)環(huán)境，數(shù)據(jù)積分后精度很差。目前，關(guān)于涉火工裝置的動(dòng)態(tài)角度測(cè)量研究很少，尚未見到相關(guān)方法的系統(tǒng)分析。根據(jù)快速展開機(jī)構(gòu)以剛性運(yùn)動(dòng)為主的特點(diǎn)，提出了位移測(cè)量結(jié)合幾何關(guān)系計(jì)算獲取快速展開板動(dòng)態(tài)角度的問(wèn)題解決思路。

出于技術(shù)沿用性和可靠性考慮，航天器火工裝置動(dòng)作行程的測(cè)量常采用靶線傳感器和拉線位移傳感器。但其均為接觸式測(cè)量，存在可能干擾功能性動(dòng)作、精度較差的明顯缺點(diǎn)，并非最優(yōu)選擇。而近年來(lái)發(fā)展迅速的非接觸式傳感器在地面試驗(yàn)中的優(yōu)勢(shì)逐步顯現(xiàn)，數(shù)據(jù)捕捉相對(duì)更精細(xì)準(zhǔn)確，是傳統(tǒng)方法的替代或補(bǔ)充[7]。其中的代表是激光測(cè)距和高速攝像測(cè)距。

結(jié)合以上四種方法的特點(diǎn)和以往試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)分析，對(duì)于航天器快速展開機(jī)構(gòu)展開試驗(yàn)的角度測(cè)量需求，應(yīng)可給出針對(duì)性強(qiáng)、可實(shí)施的方案和技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，并能通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步總結(jié)各方法的優(yōu)劣勢(shì)和適應(yīng)性。文中僅涉部分利于闡述和比較方法的數(shù)據(jù)，不再展開詳述試驗(yàn)過(guò)程和全部數(shù)據(jù)對(duì)比分析。

1 展開角度的幾種測(cè)量方法

航天器快速展開機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示，數(shù)組快速展開機(jī)構(gòu)沿結(jié)構(gòu)主體中心軸對(duì)稱環(huán)向分布。每組快速展開機(jī)構(gòu)接到發(fā)控指令后，動(dòng)作器牽動(dòng)快速展開板繞固連在結(jié)構(gòu)主體上的旋轉(zhuǎn)軸，由內(nèi)向外從豎直方向開始展開直至限位。限位機(jī)構(gòu)在動(dòng)作執(zhí)行后應(yīng)可靠自鎖，并保證快速展開機(jī)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性。快速展開機(jī)構(gòu)整個(gè)動(dòng)作時(shí)間為數(shù)百毫秒，快速展開板大幅旋轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間為幾十毫秒。為快速執(zhí)行動(dòng)作，動(dòng)作器由火工品觸發(fā)，不局限于頂桿形式[8]。為保證快速展開機(jī)構(gòu)動(dòng)作的一致性，多快速展開板可共用1個(gè)動(dòng)作器或設(shè)置聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)。試驗(yàn)不要求小角度測(cè)量的準(zhǔn)確性和高分辨率。靶線通斷法、拉線位移法和三角激光法均需要同時(shí)布置多套傳感器，一套傳感器對(duì)應(yīng)一個(gè)快速展開板。高速攝像法僅需一臺(tái)像機(jī)即可同畫幅囊括整個(gè)試件。

圖1 航天器快速展開機(jī)構(gòu)示意圖

1.1 靶線通斷法

靶線通斷法常見于軍品彈藥性能測(cè)試，一般用于獲取炸藥爆速、彈丸彈道速度和分離切割物的斷開時(shí)間等[9]。其原理為被測(cè)物體高速穿破靶線，形成通—斷或斷—通的電參數(shù)改變，可根據(jù)變化量來(lái)直接或間接計(jì)算求得變化時(shí)間或飛行速度，但不能直接得到連續(xù)位移信息。靶線一般選取延展率較低的纖細(xì)金屬絲。如圖2所示，對(duì)單個(gè)快速展開機(jī)構(gòu)而言，可將一組不同長(zhǎng)度的連續(xù)靶線分別固定在主體和快速展開板上。每組靶線含L1～L5共5根，按快速展開板完全張開的5%、25%、50%、75%、95%調(diào)整連接長(zhǎng)度后依次固定。各靶線串接對(duì)應(yīng)電阻R1～R5后并聯(lián)成一靶體，再整體串聯(lián)Rx后兩端施加預(yù)設(shè)電壓U。當(dāng)快速展開板展開時(shí)，L1～L5依次在各預(yù)設(shè)角度斷裂，采集器獲取的Rx電壓信號(hào)同時(shí)躍變，可據(jù)此判斷快速展開板展開過(guò)程。

圖2 一組靶線測(cè)量原理圖

采集器獲取的Rx兩端電壓的5次階躍幅值應(yīng)大致相等。直流電源的輸出電壓可設(shè)為12 V，各電阻阻值應(yīng)遠(yuǎn)大于靶線本體電阻且阻值不能隨意選取。以Rx為參照電阻，各電阻阻值和計(jì)算電壓值見表1。當(dāng)參照電阻Rx=1 000 Ω時(shí)，R1、R2、R3、R4、R5應(yīng)分別選333 Ω、1 000 Ω、2 000 Ω、3 333 Ω、5 000 Ω阻值電阻或阻值相近的標(biāo)準(zhǔn)電阻。測(cè)量精度主要受靶線本身斷裂時(shí)受拉變形和安裝工藝影響。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，多組快速展開板數(shù)據(jù)間同步性對(duì)比散差會(huì)十分明顯。靶線相對(duì)纖弱，在安裝過(guò)程中和安裝后容易脆斷，極大限制了試驗(yàn)其他操作和應(yīng)用環(huán)境。

表1 各電阻阻值及計(jì)算電壓值

1.2 拉線位移法

拉線位移傳感器內(nèi)設(shè)旋轉(zhuǎn)編碼器和絞盤組件，因其具有結(jié)構(gòu)小巧、便于布置、價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)，在制造業(yè)中普遍應(yīng)用[10]。傳感器引出拉線測(cè)量直線位移，可作單軸位移測(cè)量和動(dòng)態(tài)空間測(cè)量。根據(jù)不同個(gè)數(shù)的排布特點(diǎn)，可分為一站法、二站法、三站法以及四站法，實(shí)現(xiàn)空間點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量的要求。在航天領(lǐng)域，該類傳感器在地面和飛行試驗(yàn)中均可見到，常用于運(yùn)載器和武器的整流罩分離、各級(jí)間分離和尾罩分離等關(guān)鍵時(shí)刻的相對(duì)行程參數(shù)位置判斷，是重要的彈上“兩器”部件[11]。

展開試驗(yàn)選點(diǎn)應(yīng)以無(wú)干涉、位移最大化，以及拉線延長(zhǎng)線與結(jié)構(gòu)主體軸線垂直相交為原則。如圖3所示，傳感器主體通過(guò)支架安裝在主體近末端內(nèi)壁，牽引線水平拉出后將端頭固定在快速展開板上，保證初始位置落入測(cè)量有效區(qū)間。

圖3 拉線位移安裝及幾何關(guān)系示意圖

快速展開板旋轉(zhuǎn)會(huì)改變引出線與水平線的夾角，需根據(jù)牽引線運(yùn)動(dòng)路徑范圍在結(jié)構(gòu)壁面預(yù)擴(kuò)長(zhǎng)條通孔，起到避免測(cè)量時(shí)牽引線因剮蹭致彎曲或損壞的作用。忽略快速展開板厚度，可推導(dǎo)出快速展開板張開角α與引出線位移s間的關(guān)系為：

s2=h2(1-cosα)2+(d+hsinα)2

(1)

式(1)中：h是引出線快速展開板固定點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)軸的長(zhǎng)度，d是初始位置牽拉長(zhǎng)度。

由于火工品的作用，拉線位移傳感器實(shí)際往往處于高速拉伸狀態(tài)，在加速和減速兩階段會(huì)因力的相互作用而拉伸變形或形成過(guò)沖，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。所以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的判讀應(yīng)當(dāng)審慎，必要時(shí)需對(duì)拉線傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定，或結(jié)合其他手段輔助判讀。

1.3 三角激光法

激光測(cè)距是快速發(fā)展的新興技術(shù)，優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、速度快和非接觸等，廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域[12-14]。但目前仍存在難以兼顧精度和量程，長(zhǎng)時(shí)監(jiān)測(cè)和功耗能力不夠完善，激光設(shè)備對(duì)力學(xué)環(huán)境要求相對(duì)苛刻等局限。這使得激光測(cè)距技術(shù)在航天器地面試驗(yàn)的應(yīng)用遠(yuǎn)多于飛行試驗(yàn)。快速展開板打開角度同樣可由快速展開板特征位置的位移根據(jù)幾何關(guān)系求得。三角法是其中一種優(yōu)選的激光位移測(cè)量方式。

以圖4直射式測(cè)量原理為例，激光源發(fā)射出一束激光，穿過(guò)聚焦透鏡L1打到快速展開板特定位置，經(jīng)反射通過(guò)接收物鏡L2至光電耦合器件成像。激光源、快速展開板和接收器之間形成一個(gè)幾何三角關(guān)系。當(dāng)快速展開板轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)表面的光斑位置信息改變，從而使接收器元件上的光斑位置信息和傳感器輸出電量相應(yīng)變化。一般為保證測(cè)量的準(zhǔn)確度，激光三角法嚴(yán)格要求傳感器安裝方式，要求被測(cè)表面與光源路徑夾角垂直，移動(dòng)路徑與光源路徑相同[15]。同時(shí)被測(cè)表面與光源間距離在傳感器有效測(cè)量范圍內(nèi)嚴(yán)格受限。例如參與試驗(yàn)的某型高精度激光傳感器允許的測(cè)量范圍是55～135 mm。

圖5是三角激光法測(cè)量方案示意圖。將產(chǎn)品整體倒置，根據(jù)布置關(guān)系計(jì)算傳感器固定工裝高度和傾斜角β，以使快速展開板在轉(zhuǎn)動(dòng)全程中避免與傳感器接觸，且利用到傳感器的近2/3量程，即70～125 mm。光源路徑應(yīng)與轉(zhuǎn)動(dòng)半程時(shí)的快速展開板表面法線一致。快速展開板打開角α與激光測(cè)距響應(yīng)距離Δs相關(guān)：

a=tan-1(Δs·cosβ·(h-Δh)-1)

(2)

式(2)中: Δs=s0-s+η，Δh=Δs·sinβ,h是激光光斑到旋轉(zhuǎn)軸的距離，s0、s分別是傳感器輸出的初始距離和實(shí)時(shí)距離，η是因非垂直入射產(chǎn)生的趨勢(shì)項(xiàng)。

圖4 激光三角法測(cè)量原理

圖5 三角激光法測(cè)量方案示意圖

由于不滿足垂直入射條件，當(dāng)快速展開板轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，激光路徑不變，傳感器輸出位移隨角度變化會(huì)產(chǎn)生一定的趨勢(shì)性誤差[16-17]。雖然該誤差不影響快速展開機(jī)構(gòu)打開同步性的判定，但不能直接用數(shù)據(jù)通過(guò)幾何關(guān)系判斷快速展開板轉(zhuǎn)動(dòng)角度。試驗(yàn)前實(shí)物標(biāo)定，剝離混雜的被測(cè)物位移和轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，直接獲得轉(zhuǎn)角和傳感器輸出值的關(guān)系曲線，可以消除這一誤差。由于光電耦合器件對(duì)光照的敏感性，使用時(shí)要注意將傳感器放置在昏暗環(huán)境下，以保證性能正常發(fā)揮。試驗(yàn)前應(yīng)注意避免傳感器長(zhǎng)時(shí)間通電，否則可能出現(xiàn)嚴(yán)重時(shí)飄。快速展開板表面光潔度差時(shí)，應(yīng)適當(dāng)打磨或覆蓋更優(yōu)的標(biāo)識(shí)物面。

1.4 高速攝像法

高速攝像法是航天器地面試驗(yàn)中較常見的非接觸測(cè)量方法。一般見于火工品參與的分離、高速撞擊和旋轉(zhuǎn)等試驗(yàn)，用于記錄結(jié)構(gòu)體的位置、狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和電連接器的分離特性等性能參數(shù)。測(cè)量方法多為等待式測(cè)量，即高速攝像機(jī)靜置固定后對(duì)目標(biāo)區(qū)域標(biāo)定，試驗(yàn)時(shí)由時(shí)統(tǒng)信號(hào)觸發(fā)啟動(dòng)，通過(guò)光學(xué)原理對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)拍攝序列圖像。后利用數(shù)字圖像處理分析技術(shù)和解算算法對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量或合理估計(jì)。根據(jù)攝像機(jī)參數(shù)、目標(biāo)物和目標(biāo)區(qū)域的不同，拍攝頻率多在200～50 000幀s-1。除獲取物體運(yùn)動(dòng)信息數(shù)據(jù)、測(cè)量范圍大、精度高和非接觸外，最大的優(yōu)勢(shì)是同時(shí)能直觀地記錄試驗(yàn)時(shí)的其他現(xiàn)象[18-19]。

試驗(yàn)可由圖6所示的1臺(tái)高速攝像機(jī)俯拍完成測(cè)量。由被測(cè)物直徑尺寸和快速展開板張開包絡(luò)確定機(jī)位高度。產(chǎn)品就位后攝像單元調(diào)試，利用標(biāo)定設(shè)備及標(biāo)定軟件進(jìn)行測(cè)量標(biāo)定。產(chǎn)品四周應(yīng)布置充足的新聞燈，提供滿足2 000幀s-1的照明條件。與火工發(fā)控系統(tǒng)時(shí)統(tǒng)聯(lián)試后可實(shí)施試驗(yàn)。試驗(yàn)獲得的照片可以直觀地對(duì)比各組快速展開板在同一時(shí)刻的瞬間位置和相對(duì)狀態(tài)。根據(jù)標(biāo)定結(jié)果和制定關(guān)鍵追蹤點(diǎn)，通過(guò)程序?qū)D像的自動(dòng)分析處理，解算快速展開板標(biāo)識(shí)物位置和速度。角度換算關(guān)系與可參照拉線位移測(cè)量方法。

圖6 高速攝像法測(cè)量方案示意圖

快速展開板標(biāo)識(shí)物通常是粘貼在快速展開板移動(dòng)邊緣的黑白標(biāo)準(zhǔn)色塊。快速展開板邊緣相對(duì)較薄，但成像處理有分辨率下限要求，所以該方法需要按照預(yù)先計(jì)算結(jié)果配置滿足像素要求的高速攝像機(jī)。像機(jī)技術(shù)能力略欠缺時(shí)，快速展開板端部可以粘貼數(shù)個(gè)帶有標(biāo)識(shí)物的膠質(zhì)塊，增大標(biāo)識(shí)視場(chǎng)比。若序列圖像噪聲相對(duì)較大，應(yīng)對(duì)圖像濾波去噪，采用小波變換或其他算法增強(qiáng)圖像弱邊緣區(qū)域，從而提高數(shù)據(jù)精度。另外，像機(jī)景深必須包絡(luò)快速展開板垂直向的運(yùn)動(dòng)范圍。機(jī)位的高空架設(shè)和垂直度保證也應(yīng)在試驗(yàn)前予以考慮。

2 方法對(duì)比分析

4種方法的最主要差異是接觸與否。因方法的相對(duì)優(yōu)缺點(diǎn)與試驗(yàn)?zāi)康摹⒃囼?yàn)適應(yīng)性設(shè)計(jì)和操作工藝密切相關(guān)，基于某試驗(yàn)狀態(tài)的量化分析參考意義不大，所以給出了用于動(dòng)態(tài)角度測(cè)量的各方法的定性對(duì)比，見表2。非接觸式方法不干涉試驗(yàn)過(guò)程和不損傷產(chǎn)品，天然比接觸式方法有較大優(yōu)勢(shì)。從測(cè)量精度看，兩種非接觸式方法更好，但它們的問(wèn)題是使用條件較為苛刻，擴(kuò)大應(yīng)用范圍有待相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。參與飛行遙測(cè)試驗(yàn)時(shí)，技術(shù)方案會(huì)受到箭上空間狹小，環(huán)境復(fù)雜，儀器設(shè)備可能面臨高量級(jí)沖擊振動(dòng)、高溫強(qiáng)光考驗(yàn)的局限，按目前現(xiàn)有的技術(shù)條件可能只能選擇拉線位移法。但地面試驗(yàn)可以同時(shí)利用多種手段獲取數(shù)據(jù)，后根據(jù)天地差異再類比分析修正拉線位移數(shù)據(jù)。所以實(shí)際使用時(shí)應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)特點(diǎn)選用其中一種或多種組合方法。一般地，靶線法干擾因素較多，同步性分析時(shí)一般不建議優(yōu)先使用。其余三種方法均能較好地滿足快速展開板打開的一致性測(cè)量需求。如需更準(zhǔn)確的快速展開機(jī)構(gòu)角度隨時(shí)間歷程數(shù)據(jù)，應(yīng)盡可能地完成特種標(biāo)校以提高精度。

表2 動(dòng)態(tài)角度測(cè)量手段優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

依照四種方法對(duì)應(yīng)的技術(shù)方案，選用了靶線通斷法、拉線位移法和三角激光法實(shí)施試驗(yàn)，基本達(dá)到了預(yù)期效果。采集發(fā)控系統(tǒng)主要由傳感器組、采集器、電阻模塊盒、地面發(fā)控臺(tái)、直流穩(wěn)壓電源和電纜網(wǎng)等構(gòu)成，設(shè)計(jì)框圖見圖7。

圖7 采集發(fā)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

試驗(yàn)舍棄高速攝像法的主要原因是三角激光法和高速攝像法對(duì)光照要求互斥，不便同時(shí)使用。同時(shí)，高速攝像法在航天地面試驗(yàn)中應(yīng)用更為成熟，相對(duì)可以不再驗(yàn)證其可行性和實(shí)施效果。另考慮到試驗(yàn)?zāi)康摹⒊杀竞投喾椒ɑパa(bǔ)的原因，拉線位移傳感器也未動(dòng)態(tài)標(biāo)定。

數(shù)據(jù)處理后發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)特點(diǎn)基本符合前文分析。三角激光法測(cè)量結(jié)果最為理想，信號(hào)曲線光滑完整，呈現(xiàn)了快速展開機(jī)構(gòu)快速展開板開始轉(zhuǎn)動(dòng)、凹口螺釘斷裂、快速展開板限位、火工品動(dòng)作結(jié)束和快速展開板回縮至穩(wěn)定等5個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)和變化過(guò)程，與物理規(guī)律一致，可作為試驗(yàn)的主要依據(jù)。圖8中挑選了兩組同步性較差的快速展開板旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)角度試驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中，靶線信號(hào)階躍明顯，可清晰判讀靶線斷裂對(duì)應(yīng)打開角的時(shí)間點(diǎn)。雖然點(diǎn)位數(shù)據(jù)與激光結(jié)果基本相符，但散差相對(duì)較大，不利于同步性判定。拉線位移法數(shù)據(jù)同步性區(qū)分度高，能夠確定快速展開板的限位時(shí)刻。但出現(xiàn)難以忍受的“延遲-過(guò)沖”現(xiàn)象，如果不對(duì)照動(dòng)態(tài)標(biāo)定進(jìn)行修復(fù)處理，動(dòng)態(tài)角度數(shù)據(jù)則是無(wú)效的。

圖8 兩組快速展開板動(dòng)態(tài)角度

4 結(jié)論

結(jié)合航天器典型快速展開機(jī)構(gòu)展開地面試驗(yàn)需求，提出了利用位移參數(shù)測(cè)量結(jié)合幾何關(guān)系獲取旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)角度的解決思路，并對(duì)四種測(cè)量手段進(jìn)行了逐一分析和給出了適應(yīng)性參數(shù)獲取方案。從技術(shù)特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)分析和試驗(yàn)結(jié)果看，四種方案均具有可操作性。實(shí)際中可按照具體試驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)施條件選擇相應(yīng)的技術(shù)方案。整體上，非接觸式方法相較接觸式方法更具先進(jìn)性和發(fā)展空間。后續(xù)應(yīng)當(dāng)對(duì)兩種光學(xué)測(cè)量方法從標(biāo)定方法、精度和誤差等方面繼續(xù)深入研究。