內置式引信氣動發電機氣壓標定密封測試技術

趙芯田,李福松,郭軍獻,梁夢凡,馬旭輝,王紅麗

(西安機電信息技術研究所,陜西 西安 710065)

0 引言

引信氣動發電機利用彈藥飛行過程中的氣流驅動發電,安全性高、穩定性好,是廣泛應用的引信物理電源之一[1]?，F代武器裝備發展要求其能適應各種復雜環境,如地形、溫度、氣壓等不同變化因素[2]。研究不同氣壓環境對引信氣動發電機性能的影響對其技術升級和發展至關重要。

內置式引信氣動發電機通常置于引信頭部內,在引信頭部中央和外壁處開孔作為飛行中迎面氣流的進氣口和出氣口,以驅動氣動發電機工作。通過調整進/出氣口的氣隙結構可調控氣動發電機的輸出性能以滿足不同使用需求,并且內置于引信體內也能保證其作用穩定,具有擴展性好、輸出穩定、安全性高等特點。因此,內置式引信氣動發電機受到了廣泛關注。

通常的氣壓標定裝置通過螺紋或專用連接管將氣路與待標定件連接,采用標準氣壓表監測來進行標定[3-4]。對于內置式引信氣動發電機,在其引信體內部設置了多個壓力傳感模塊[5-6],并且在引信頭部中心和側面處分別開有驅動氣動發電機的進氣口、排氣口等,這些結構布置特點使得采用通常連接方式的氣壓標定裝置無法保證密封效果,極大地降低了引信氣動發電機氣壓標定測試的準確性、范圍和效率。

為此,本文結合內置式引信氣動發電機的結構特點,提出一種適用的氣壓標定測試裝置。通過結構設計解決了其密封性問題,能同時進行兩發內置式引信氣動發電機的正壓/負壓標定測試。

1 氣壓標定系統組成及原理

內置式引信氣動發電機氣壓標定系統由壓力傳感器、信號采集電路、內置式引信氣動發電機、氣壓室體、高精度絕壓表、密封組件、高壓氣瓶、高壓氣閥、真空泵、負壓氣閥、直流電源、示波器等組成,如圖1所示。

圖1 氣壓標定系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of pressure calibration system

高壓氣瓶和真空泵分別作為標定系統的高壓氣源和負壓起源。將高壓氣瓶經高壓氣閥接入氣壓室體內,使用時打開高壓氣閥,關閉負壓氣閥,把氣體由高壓氣瓶引入氣壓室體內,為內置式引信氣動發電機氣壓標定提供正壓環境;真空泵經負壓氣閥接入氣壓室體,使用時打開負壓氣閥,關閉高壓氣閥,將氣體從氣壓室體抽出,為內置式引信氣動發電機氣壓標定提供負壓環境。內置式引信氣動發電機同引信體一起經密封組件固定安裝于氣壓室體一側;將多個壓力傳感器置于引信頭部內,其壓力探頭端與引信頭部相對應地與外部接通的氣壓測試孔接通,另一側信號輸出端通過螺紋并經塑性橡膠圈與引信內部信號采集電路連接緊密,以提高其測量準確性。采用高精度絕壓表作為監測氣壓室體內部實際氣壓值的標準儀器,其量程范圍為0～500 kPa,精度0.01 kPa。通過外接直流電源為信號采集電路供電,試驗中不同氣壓環境下的壓力傳感器輸出電壓信號經信號采集電路傳輸至外接示波器進行記錄分析。

內置式引信氣動發電機氣壓標定裝置通過外部氣源接入為待標定引信氣動發電機提供穩定的氣壓標定環境,通過循環多次測試引信氣動發電機壓力傳感模塊在不同氣壓環境下的輸出電壓與實際氣壓值的對應關系來進行氣壓標定。采用方程擬合：

P=kU+b,

(1)

式(1)中,P為標定裝置內部氣壓值(kPa),U為壓力傳感器輸出電壓(V),k、b為方程擬合得到的氣壓標定系數。通過分析擬合方程的線性度來進一步評估氣壓標定裝置的精度和可靠性[7-8]。

2 氣壓標定裝置密封性設計

設計的氣壓標定裝置結構如圖2所示。為準確測量飛行過程中氣動發電機所處環境的氣壓值,在引信頭部開有通至內部壓力傳感器壓力探頭端的測試孔,以實時感知氣壓環境;壓力傳感器信號經內部信號采集電路從引信底部的電路接口引出。此外,在引信頭部中心處設計進氣口為在飛行過程中驅動內置式氣動發電機工作,側面外壁處設計排氣口,以保證氣動發電機的工作氣路。若采用傳統全密閉的氣壓標定裝置結構,將整個引信體全部置于標定室內,雖然此時進/出口處的密封性問題不需要考慮,但引信其他部位仍存在漏氣問題,使得在壓力傳感器處無法產生壓差以致氣壓測量的準確性、穩定性差;并且引信底部電氣接口的氣密性也不易保證。因此,采用將引信體頭部置于標定室體內的方式設計氣壓標定裝置。引信頭部為曲面結構,通常與彈體共形,以保持彈丸的飛行動力學特性,采用塑性密封圈及其他密封組件以保證引信頭部與氣壓室體接觸部位的密封性。對于內置式氣動發電機的進/出氣口,在氣壓室體內部采用塑性堵頭將其進氣口堵實,并且考慮到在負壓條件下堵頭松動的問題,利用頂桿和壓簧部件保證在負壓/正壓兩種條件下,氣壓室體內都能與引信體內部氣體隔絕。

圖2 氣壓標定裝置結構示意圖Fig.2 Structure diagram of pressure calibration device

圖2中,氣壓室體為兩端開通的圓柱型結構,使用時將兩發置有待標內置式氣動發電機的引信體相向從氣壓室體兩端插入。在引信體與氣壓室體的接觸部分采用了塑性T型開口密封圈,并在引信體底部設計了與其尺寸匹配的壓板結構,安裝時通過壓板將引信體與氣壓室體壓緊,再與T型開口密封圈一起保證氣壓室體腔內與外部氣體隔絕。氣壓標定裝置內部設計了一個具有圓臺的頂桿結構,頂桿圓臺卡住壓簧一端,利用壓簧的壓力將T型堵頭一端壓入引信體的中心進氣口,進一步結合O型圈密封使引信體內部與氣壓室體腔內也氣體隔絕。頂桿和壓簧設計能確保在負壓環境下,T型堵頭仍能壓緊引信體頭部的中心進氣口以進行負壓標定測試。氣壓標定裝備剖面結構示意圖如圖3所示。氣壓室體外壁中央處為測壓表連接口,連接高精度絕壓表,作為顯示標定裝置內部實際氣壓的標準監測儀器;在氣壓室體外壁適當位置設置兩個連接口分別與高壓氣閥和負壓氣閥連接,再分別與高壓氣瓶/真空泵氣源裝置接通,通過控制高壓氣閥和負壓氣閥的開閉為標定裝置內部提供正壓/負壓環境。壓力傳感器在不同氣壓環境下的輸出信號經引信體內部的信號采集電路從引信體底部引出,采用外接示波器對其進行記錄分析。

圖3 氣壓標定裝置剖面結構示意圖Fig.3 The sectional structure diagram of pressure

3 試驗驗證

在氣壓標定測試3～340 kPa的范圍內設置一組壓力標定測試點,記錄每個測試點對應的壓力傳感器的輸出電壓值和高精度絕壓表氣壓值,通過數據擬合處理得到對應的擬合方程和標定系數,完成內置式引信氣動發電機氣壓標定試驗,試驗現場如圖4所示。

圖4 氣壓標定測試試驗現場圖Fig.4 Barometric calibration test site

待測樣機壓力傳感器輸出電壓與實際氣壓值的對應關系如圖5所示。

圖5 待測樣機氣壓標定試驗結果Fig.5 Experimental results of pressure calibration of prototype

實際氣壓值與壓力傳感器輸出電壓呈良好的線性關系,所標定的4發待測樣機隨著輸出電壓的增加對應的氣壓值均線性增大。進一步通過方程擬合得到對應的標定系數,計算結果如表1所示,可以看到擬合方程的線性相關度均可達0.999以上,表明氣壓標定裝置的精度高、可靠性好。通過在引信體與氣壓標定裝置的接觸部位涂抹肥皂水以驗證其密封性,在全部試驗過程中接觸部位均未產生氣泡,表明氣壓標定裝置的密封性較好。

表1 氣壓標定擬合結果Tab.1 The fitting results of pressure calibration

內置式引信氣動發電機壓力標定完成后進行氣壓測試驗證試驗,進一步驗證氣壓標定裝置的作用性能。試驗驗證結果如圖6、圖7所示,采用氣壓標定裝置試驗得到的氣壓值與實際值非常接近,精度均大于95%,表明該氣壓標定裝置能夠滿足實際氣壓標定測試使用需求。

圖6 氣壓標定裝置試驗驗證結果Fig.6 The experimental verification results of pressure calibration device

圖7 氣壓標定裝置氣壓測試精度Fig.7 The accuracy of air pressure of pressure calibration device

4 結論

本文提出的氣壓標定裝置基于內置式引信氣動發電機的結構特性,采用了圓柱型氣壓室體結構將兩發待測樣機相向安裝,并通過接觸部分的壓板以及氣壓室體腔內T型堵頭、頂桿、壓簧等部件設計解決了密封性問題,可進行正壓/負壓兩種環境下的氣壓標定測試。在3～340 kPa氣壓標定范圍內,內置式引信氣動發電機壓力傳感器響應電壓為0.002～3.648 V,與實際氣壓值的擬合曲線的線性度很好,均能達到0.999以上。實際氣壓測試試驗表明氣壓標定裝置的測試精度大于95%,其中在300.41 kPa氣壓下的準確度可達99.53%。該氣壓標定裝置的精度高、可靠性好,同時操作簡便、測試范圍大、效率高,能夠滿足引信氣動發電機氣壓標定測試需求,并且具有較大的推廣應用價值。