悬挂发射装置弹射力的光学测量方法

2013-12-14高慧杰周志卫盛德兵

重庆理工大学学报(自然科学) 2013年2期

高慧杰，张建，周志卫，盛德兵

早期的悬挂发射装置受载机及武器的应用范围和技术限制，基本采用机械传动释放或电磁作动释放来实现悬挂物与载机分离，这种悬挂物分离方法显然不会对作战飞机产生反向作用力［1］。

第二次世界大战后期，随着喷气式飞机的出现，飞机的飞行速度得到大幅提高，气动干扰对自由投放武器的分离影响日趋严重，采用重力投放的悬挂物在气流作用下无法安全地穿越飞机紊流层，难以实现安全分离和正确的武器发射。为确保武器能快速安全地穿越载机紊流场，使武器保持应有的打击精度，必须使悬挂物有足够的分离速度来克服气流的干扰，由此，弹射投放分离方式应运而生［2］。具有弹射投放功能的悬挂装置在投放时对悬挂物施加一定的推力，可大幅度提高分离速度。

弹射力的大小对于弹射效果的影响也十分关键，并不是越大越好。一方面，当弹射力过大时，武器过载大，可能超出武器应用要求;另一方面，弹射力也会对作战飞机产生一定的反向作用力，这种反作用力过大则可能对载机产生不利影响。因此，弹射力是弹射型悬挂装置的重要指标之一［2-4］，一般由主机给出上限要求。而如何测量弹射力的大小就变得十分重要。

就弹射力的测量而言，尽管采用空中实测法目前在技术上是可行的，但考虑到测量的经济性，目前仍较多地采用在地面使用电测法进行测量，同时忽略了空中空气流场对弹射力的影响。该方法是通过在悬挂装置的弹射筒与悬挂物之间安装力传感器，采集随弹射力变化的信号，再送往信号调理放大器，最后由数据采集仪进行采集和分析处理［5］。由于悬挂装置一般有前后2个弹射筒，通常均需要采用上述方法得到前后2点的弹射力，再把这2点的合力作为整个悬挂装置的弹射力，如图1所示。

但该测量方式存在如下局限性:

1)测量系统具有较大的不确定度。测量系统精度取决于压力传感器安装位置、压力传感器自身精度和灵敏度漂移、电荷放大器准确度、数据采集仪的采样频率和精度等，上述每一个环节都会造成测量误差，使得系统不确定度增大。

图1 电测法测量悬挂发射装置弹射力示意图

2)压力传感器的安装不便，测量的重复性差。由于每次测量均需要重新对准安装位置，且安装方法没有形成统一的标准，有些还需要对悬挂物进行改造才能安装，甚至一些特殊产品无法安装压力传感器。

3)测出的前后点压力不能等效悬挂发射装置对悬挂物的作用力。如图2所示，这种方法仅仅是测出了垂直于悬挂物上表面方向的两点分力，而且没有考虑两点作用所产生的悬挂物旋转和滚转带来的影响。

图2 前后点压力不能等效悬挂发射装置对悬挂物的作用力

4)不能测量多个方向的弹射力。对于一些弹射要求在弹射过程中除了在铅垂方向(Y向)外，在悬挂物航向(X向)也有作用力(如图3所示)的情况，该方法无法测量弹射力在航向上的分力。

图3 在航行方向上需要弹射力的弹射装置示意图

1 悬挂发射装置弹射力光学测量方法

悬挂发射装置弹射力的光学测量方法是一种基于高速摄影和运动分析技术的测量技术［9］，它利用轨迹捕捉系统对悬挂物分离全过程进行运动学和动力学分析，并通过相关运动学和动力学参数计算［6-7，10］，最终得出悬挂发射装置对悬挂物的弹射力。

1.1 高速摄影及轨迹捕捉系统组成

高速摄影及轨迹捕捉系统是利用摄影手段对被测对象进行连续高速拍摄，并据此进行轨迹捕捉和运动参数分析的专用设备。其基本组成为高速摄影机及其附件、控制分析计算机和轨迹捕捉系统软件。

1)高速摄影机及其附件。高速摄影机用于将研究对象以一连串图像的方式连续记录下来，并将其存贮在内部存贮器中。高速摄影机的附件包括镜头、接线盒、灯具等，在拍摄时起辅助作用。

2)控制和分析计算机。该计算机用于控制数字式高速摄影机设定拍摄参数，并完成拍摄，图像下载、传输和转换。同时，该计算机还可完成被测对象的运动参数分析。

3)轨迹捕捉系统软件。该软件根据高速摄影机的拍摄结果，利用图像分析技术得到图像上运动目标的运动参数，这些参数包括时间、线位移、角位移、线速度、角速度、线加速度、角加速度等。

1.2 悬挂发射装置弹射力光学测量方法的基本原理

由以上分析可知，利用高速摄影系统和分析软件可以捕捉到悬挂物的运动轨迹，并分析得到其分离过程中的位移曲线s(t)、线速度曲线v(t)和线加速度曲线a(t)。因此可以通过经典力学公式F=ma计算出悬挂物分离过程所受到的外界合力F(t)H。现在对分离过程中的悬挂受力情况进行分析，如图4所示。

由上述分析可以得出:

光测法测得的弹射力为悬挂物前后弹射力的合力F(t)=F(t)前+F(t)后，根据流体力学中空气阻力计算公式可以推出:

式中:m为悬挂物的质量;a(t)为悬挂物的加速度;g为重力加速度;u(t)为重力影响因子，在无约束弹射投放分离过程中重力影响因子为1.0;C为空气阻力系数，通常情况下垂直面空气阻力系数为1.0，球面为0.5;ρ为空气密度，在绝对标准指标下为1.293 kg/m3;S为悬挂物迎风面积;v(t)为悬挂物的运动速度。

基于上述计算公式，通过高速图像捕获和分析，可以计算出悬挂物加速度和运动速度等相关参数，从而计算出整个悬挂物分离时的受力。

图4 悬挂物分离过程受力分析

2 光测法和电测法测量结果的比较

以某型导弹发射装置悬挂某型圆柱体模拟悬挂物进行多约束弹射投放为例，进行弹射力光测法与电测法的对比测试，并对结果进行分析。其中采用电测法时采样率为2 k/s，采用光测法时采样率为1 k/s。

2.1 原始测量结果的比较

本次对比测试的试验条件为:在环境温度为20℃的条件下，给导弹发射装置充入20 MPa氮气进行地面弹射投放。分别用光测法和电测法测量3次弹射力，其对比曲线如图5所示，其测量结果的弹射力峰值对比见表1。

由图4可以看出，2种方法测量结果曲线的吻合度很高，但光测法得到的弹射力最大值比电测法得到的弹射力最大值稍有滞后。这可能是由于我们选用的悬挂物属于细长型，自身振幅比较大，所以光测法的测量结果受到了悬挂物固有频率的影响［8］(如图6所示)，但这并不影响分析悬挂物弹射力分布趋势以及最大值的正确获取。

图5 某型发射架在20 MPa压力时光测法与电测法弹射力曲线对比

表1 20 MPa光测法与电测法弹射力最大值对比

图6 悬挂物分离自振示意图

在相同条件下，提高弹射能源压力至28 MPa，又进行了3次弹射力测量，其对比曲线见图7，得到了与上述试验一致的测量对比结果，如表2所示。

图7 28 MPa光测法与电测法弹射力曲线对比

表2 28 MPa光测法与电测法弹射力最大值对比

通过以上数据对比，可以说明用光测法进行悬挂发射装置弹射力测量是有效可行的，但是还有许多因素需要考虑和验证。

2.2 空气阻力的影响

已知圆柱体悬挂物直径Ф=0.2 m，长度a=3.5 m，质量m=205 kg，所以悬挂物迎风面积S=Ф×a。并假设空气阻力系数为0.8，空气密度为1.205 kg/m3(通过空气密度换算公式ρ=1.293×可以计算出空气密度，其中P为实际大气压，P0为标准大气压，T为绝对温度273.15℃，t为实际温度，通常20℃标准大气压下空气密度为1.205 kg/m3)。

通过空气阻力公式可以计算出该圆柱体悬挂物在分离过程中受到的阻力曲线，如图8所示。

图8 某型悬挂物的空气阻力曲线

由图8可以看出，该悬挂物所受到的空气阻力最大值不足0.02 kN。

2.3 重力的影响

不同的悬挂发射装置对悬挂物的约束方式是不同的，对于无约束的弹射力投放方式来说，重力影响因子为1.0。而此次对比试验采用的投放方式为多约束弹射投放，在分离过程中，当悬挂物运动速度大于悬挂装置发射臂张开的速度时，等效重力就会受到发射臂的拉力影响，所以可以假设分离过程中最大重力影响因子u(t)=0.5，从而计算出悬挂物所受到的等效最大重力G(t)=mgu(t)=1.0 kN。根据之前推导出的式(2)，将悬挂物受到的空气阻力和重力计算结果补偿到弹射力的合力曲线中，得到结果如图9所示。

图9 光测法对比曲线

图9中，弹射力最大值相差仅为2.9%。由于目前还没有一种方法能准确地得到有约束下重力影响因子随时间变化的曲线，所以在光测法计算合力时空气阻力和有约束投放下的重力影响是可以忽略不计的。同时，这种光学测量方法仅是在地面试验中进行，如果在空中真实的气流场中应用还有待考究。

3 光测法的优、缺点分析

在悬挂发射装置地面试验弹射力测量中采用光测法的优点:①测量过程简便，测量重复性好，不受传感器安装等操作问题的困扰;② 测量系统环节少，误差小，精度高，可运用亚像素级轨迹捕捉系统对悬挂物的分离过程进行分析;③不受测量方向的限制，可测量任意方向的弹射力;④无需额外测量设备，可与弹射分离速度、分离位移等参数一并测量分析;⑤相对于电测法而言，测量结果受硬件影响比较小，并且可以通过提高拍摄水平和分析能力可减小误差。

虽然拥有以上优点，但是这种方法还是存在一些不足:在有约束弹射投放过程中，重力影响因子还有待进一步确定;测量结果可能受到悬挂物模态的影响。