小量程抗高过载空投加速度记录仪*

何志文，杜红棉，李新娥，宓 莎，杨 帆

(1中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051;2 中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原 030051)

0 引言

开伞过载是降落伞的一项主要性能指标。一方面将直接决定降落伞的伞衣和伞绳的安全性和使用寿命;另一方面会对空投的设备仪器的性能和空降人员的安全产生影响［1］。为此需要对过载值进行测量，确保空投过程的安全。

空投过程伞弹系统运动形式在短时间内发生剧烈变化，会出现过载现象，而初始条件、系统参数及周围环境因素都会对过载值产生影响［2］。现存的测试系统能够测量开伞过程的加速度，但是难以在空投着地这一高冲击过程存活。文中针对这一难题研制了小量程抗高过载加速度记录仪。此系统可有效获取开伞过载信号，为降落伞的设计及空投设备性能考核提供依据。

1 过载最大值的理论推导

总结了一系列空投试验结果发现［3］，可以有以下假设和推导:

①最大开伞动载Fk，max为充满瞬间伞衣阻力Qm的两倍，即:

②充满距离Sm与伞衣面积As的关系可表示为:

其中，常数C决定于伞型及织物透气量。

③充气过程中伞衣阻力系数Cs保持不变。

根据以上假设，当物伞系统做垂直下降时，出现最大动载瞬间的运动方程为:

式中:mxi为物伞系统质量;Gxi为物伞系统重量为出现最大动载时，物伞系统的加速度。通常＜0为减速度，用平均加速度表示，即:

式中:ka为加速度修正系数;vm为充满速度;vl为拉直速度。

式中kv为速度修正系数。整理以上式子得:

式中K决定于伞型、材料及透气量，由试验确定。

一般情况下，物伞系统重量Gxi=Qm，故开伞动载最大值 Fk，max又可表示成［3］:

式中:Δ=ρ/ρ0为相对密度;vz为着陆速度。

物体所受过载的定义为物体所受惯性力与重力的比值。在计算时，运用牛顿第二定律，将开伞动载Fk转化为开伞时加速度ak，即可求得开伞过载nk=ak/g。因此，开伞过载最大值可表示为:

2 系统设计

2.1 记录仪系统的总体设计

1)记录仪系统工作原理设计

记录仪主要由加速度传感器、适配电路、A/D转换器、FLASH 存储器、壳体等组成［4-6］，原理框图如图1。

图1 记录仪原理框图

加速度传感器接收物理信号并将其转换为电信号，经调理电路后调整为A/D转换范围内的电压信号，再由A/D进行模数转换，最后存储到FLASH存储器中。过程中，电源控制器为系统供电，中心控制器负责系统的逻辑运算。实验结束后通过USB接口与计算机相连，通过LABVIEW软件读取数据。

2)记录仪工作状态设计

记录仪工作状态包括:休眠状态、等待触发态、采样存储态、数据保持态、读取数据态、擦除态。图2为系统的工作状态转移图，分别有以下6个状态:

图2 记录仪的工作状态流程

①休眠状态:即低功耗状态，电流＜10 μA。

②等待触发态:拔掉脱插件，计数器开始工作，电路进行1s延迟后自动触发。

③采样存储态:电路触发进入采样状态。此时电路的地址发生器的地址不断推进，记录有效信号。

④数据保持态:记录完成后，记录仪进入微功耗状态，等待读数。

⑤读数态:记录仪通过USB接口与计算机相连，读取记录仪中数据。

⑥擦除态:读出数据后，将闪存擦除进入下一试验周期。

2.2 抗高过载设计

空投航弹时为保证准确性，开伞过载值通常小于20 g，因此空投开伞过载记录仪的量程设计为100 g即可满足需求。当航弹落地时，落地过载可达几千个g。因此空投开伞过载记录仪的特点应为小量程抗高过载。记录仪的主要过载参数设置见表1。

表1 系统抗过载参数

2.2.1 传感器的选择

考虑到系统对传感器的量程、抗冲击能力以及非线性度要求。选择美国SILICON公司的 Model 1221x-100电容式加速度传感器，具有精度高、噪声特性好、漂移低、温度敏感性小、功耗低、结构简单等优点。能够很好的满足记录仪对传感器的参数需求，具体技术指标见表2。

表2 Model 1221x-100技术指标

2.2.2 系统量程设计

传感器满量程为4 V，偏置电压为1 V，所以输出电压最大值为5 V。而A/D转换器所能转换电压最大为2.5 V，因此进入A/D转换器前信号幅值应在2.5 V以内。采用两个10 kΩ的等值电阻进行分压，从而得到0～2.5 V的信号。传感器自带滤波器，所以信号调理电路中不需要加入滤波器，即传感器采集回来的信号在通过分压处理后可以直接进入A/D转换器。如图3所示。

图3 信号调理电路

2.2.3 记录仪壳体抗冲击能力设计

主要从壳体设计和强化缓冲两个方面对记录仪抗高过载性能进行优化设计。该记录仪的机械壳体内部分为两部分:一边是刚性螺母固定的加速度传感器，另一边为测试电路和供电电池。如图4为机械结构图。

图4 记录仪的机械结构图

记录仪外钢壳为6 mm厚的特种钢，经过淬火和阳极氧化处理后，机械强度增大，确保高冲击后不变形。电路模块采用高强度高硬度环氧树脂真空灌封工艺，确保在高冲击作用下，不致因灌封材料弹塑性变形拉断板间连接线和板上焊点。如图5为实物图。

图5 加速度记录仪实物图

3 试验

3.1 马歇特锤冲击试验

1)试验设备:马歇特锤、加速度记录仪、逻辑分析仪。

2)实验条件:在记录仪正常工作情况下，用马歇特锤对加速度记录仪进行强度为65 g、5 000 g和65 g的冲击。

3)实验结果:图6为经5 000 g加速度强冲击前后，用马歇特锤加相同加速度信号后记录仪的输出信号曲线。

图6 强冲击前后信号曲线

由图发现，经5 000 g加速度冲击后，记录仪工作正常，满足设计需求。

3.2 火箭滑车试验

1)试验设备:加速度记录仪、火箭滑车。火箭滑车主要包括动力系统、制动系统、测控设备、滑车车体滑块等，示意图如图7。

图7 火箭滑车试验示意图

2)试验条件:由火箭发动机推动火箭橇加速到192 m/s后停止加速，随后打开航弹伞作为刹车装置使滑行速度减小至90 m/s。所用航弹伞伞衣面积23 m2，伞衣阻力特征值12.65 m2。记录仪记录开伞全过程的加速度。

3)试验结果

第一次开伞试验加速度曲线如图8。

图8 第一次试验加速度曲线

由实验数据曲线知，火箭滑车试验航弹伞在11.455 s开始充气，11.986 s时充气结束。开伞过载最大值出现在充气结束点，过载值为4.645 g。

第二次开伞试验加速度曲线如图9。

图9 第二次试验加速度曲线

由图9可知火箭滑车试验航弹伞在11.572 s开始充气，在12.270 s充气结束。开伞最大过载值为4.252 g。

发现两次开伞试验所得数据重复性较好，曲线在充气过程急速上升，下降过程成指数下降，这与Qm和vm成正比相符合。按照理论公式(8)，可以计算出开伞理论过载值应为4.591 g。与第一发数据相差0.054 g，与第二发数据相差 0.393 g，经多次验证发现理论计算和现场试验数值误差在8%范围内。证明该记录仪可以用于空投过程的过载测量。

4 结论

文中主要从传感器选择、系统测量范围设计、壳体抗冲击力设计3个方面加强了记录仪的抗过载性能。经过马歇特锤冲击试验验证，发现系统的抗冲击能力在5 000 g以上，能够很好的满足空投中的高过载需求。最后验证系统的测量准确度，经火箭滑车模拟实验，发现记录仪能够满足系统精确度需求，所以该记录仪可以用于空投测试。

［1］《降落伞技术导论》编写组.降落伞技术导论［M］.北京:国防工业出版社，1977.

［2］余莉，明晓，胡斌.降落伞开伞过程的试验研［J］.南京航空航天大学学报，2006，38(2):176-180.

［3］王利荣.降落伞理论与应用［M］.北京:宇航出版社，1997.

［4］张文栋.存储测试系统的设计理论及其应用［M］.北京:高等教育出版社，2002.

［5］朱仕永，祖静，范锦彪.基于CPLD的弹载加速度存储测试仪［J］.探测与控制学报，2009，31(3):42-45.

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