小型电爆阀中火工品输出压力测试方法研究

陈 栋，邓坤秀，李 佳，徐 勇，梁 浩



小型电爆阀中火工品输出压力测试方法研究

陈 栋，邓坤秀，李 佳，徐 勇，梁 浩

（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳，621999）

根据小型电爆阀中火工品输出压力测试需求，设计了测压系统。针对测压系统存在动态响应不足的问题，采用动态校准及动态补偿方法，改善了测压系统的动态性能。试验结果表明，测压系统的动态性能指标满足要求，可满足小型电爆阀中火工品输出压力测试需要。

电爆阀；输出压力测试；动态补偿

电爆阀利用火工品输出高压燃气作为动力源完成阀门启闭功能，因其高可靠性、小体积、长时贮存稳定性等特点，在航空航天、国防和工业领域得到了广泛的应用。在电爆阀研制中亟需准确获得火工品输出压力数据，然而小型电爆阀阀体结构复杂、尺寸小，火工品输出燃气压力峰值高（数百MPa）且上升时间快（约数十μs），同时电爆阀动作历时短（约数百μs）且伴随瞬时高温和加速度冲击，给火工品输出压力准确测试带来挑战[1]。本文开展小型电爆阀中火工品输出压力测试方法研究，为其研制提供支撑。

1 测试系统设计

考虑到火工品在电爆阀中爆燃输出压力分布不均匀，并且电爆阀做功压力主要为运动部件顶端压力，目前，比较可行的是采用侧壁引压测试方式，即在电爆阀阀体侧壁补加工引压管道进行测试，并以该测试结果作为运动部件顶端压力的近似。侧壁引压测试结果与运动部件顶端压力的近似程度一方面可通过运动部件VISAR测速结果验证，另一方面可借助于电爆阀动作过程数值模型进行分析[2]。

电爆阀中火工品输出压力测试系统主要由电爆阀试验件（含火工品）、试验夹具、动压传感器、电荷放大器、数据采集仪等组成，如图1所示。动压传感器及相关设备性能参数见表1。图1中，试验夹具用于实现动压传感器与电爆阀试验件的装配，保证测试过程中动压的密封；电爆阀试验件上补加工引压管道，引压管道的加入使得电爆阀中火工品输出压力测试成为可能，但是增大了火工品作用时的自由容腔。为了减小其引入的测试误差，要求引压管道直径尽可能小，而小直径引压管道由于固有频率低，会使系统的动态特性大大降低。

图1 电爆阀中火工品输出压力测试系统结构

表1 动压测试系统各组件及主要技术指标

Tab.1 Main parameters of pressure testing system components

动压传感器安装之后，引压管道的固有频率0为[3]：

式（1）中：为引压管道中介质声速；为引压管道的截面积，即=π12/4，1为引压管道直径；为引压管道的长度；V为引压管道的有效容积，即V=+/2，其中为引压管道末端与传感器承压端面形成的空腔容积。

根据电爆阀试验件阀体结构尺寸，设计引压管道直径1为1.5mm，引压管道长度约2.7mm，空腔容积为10mm3。考虑引压管道中为空气介质，根据式（1）计算得到引压管道的固有频率约12.4kHz。

2 测试系统建模

电爆阀中火工品输出压力信号具有上升时间短、压力峰值高的特点，要求测试系统的工作频带宽、响应速度快。然而，引压管道的加入大大限制了测试系统的频响。为了保证测试结果的准确性，需要对测试系统的动态特性进行研究，确定是否满足测试需求。

2.1 动态校准

采用激波管对测试系统进行动态校准，激波管可产生较为理想的阶跃压力，压力幅度范围宽，频率范围广（最高~2.5MHz）[4]。考虑到引压管道对整个测试系统频响的限制，动态校准时，根据电爆阀试验件上引压管道的结构尺寸设计引压管道模拟件，将该模拟件与动压传感器装配后形成测压组件后进行动态校准。校准时，数据采样率设置为5MHz，校准压力尽可能大，以提高输出信号信噪比。

2.2 建立数学模型

数学模型能简明、准确地描述测试系统的主要特性。本文选用输出误差模型（OE）对测压组件进行建模：

通过对动态校准数据进行归一化、滤波及降采样率处理，经计算得到离散传递函数为：

在阶跃信号作用下，传递函数响应值与被校件激波管校准响应数据对比见图2。

由图2可以看出，模型计算结果与动态校准实验结果比较吻合，模型的损失函数为0.005，零极点全部位于单位圆内，说明模型系统是稳定的。

基于上述模型进一步计算得到其幅频特性曲线，见图3。由图3可知，幅频特性曲线中峰值对应的谐振频率为7.28×104rad/s（约11.6kHz），与计算的理论固有频率12.4kHz较为接近。幅值误差为±5%的工作频带为2.38×104rad/s（约3.8kHz），幅值误差为±10%的工作频带为3.08×104rad/s（约4.9kHz）。

图3 由模型计算的幅频特性

2.3 模型补偿校正

对测压组件离散传递函数的极点进行分析，响应时间最大达到约1.1ms，而电爆阀测速结果表明其运动部件至停位时间约100μs、火工品在定容腔（容积同电爆阀中运动部件停位后最大容积）中输出压力上升时间约30μs，以测压组件的响应时间不大于10μs为补偿校正目标基本可满足火工品输出压力准确测试的要求。由于传递函数的极点分布与系统的动态性能密切相关，采用零极点相消方法设计动态补偿滤波器，消除不符合要求的极点，可改善系统的动态性能[5]。根据动态补偿滤波器的设计原理，通过多次调整阻尼比与响应时间的值，得到较为理想的动态补偿滤波器的传递函数为：

式（3）与式（4）相乘即可得到补偿后等效系统的传递函数，补偿前后的幅频特性曲线见图4，补偿前后阶跃响应曲线的对比见图5。

补偿后，系统阶跃响应的超调量及响应时间均大幅减小。其中，超调量从补偿前的约43%降低到补偿后的约2%，响应时间从补偿前接近ms量级降低至10μs以内。由补偿前后的幅频特性曲线可知，补偿后系统的幅值曲线变得平坦，幅值误差为±5%的工作频带由2.38×104rad/s（约3.8kHz）提高到2.28×105rad/s（约36kHz），幅值误差为±10%的工作频带由3.08×104rad/s（约4.9kHz）提高到约2.82×105rad/s（约45kHz）。

图5 补偿前后测压组件的阶跃响应曲线

3 试验数据处理

对电爆阀中火工品实测压力历程数据用式（4）描述的动态补偿滤波器进行补偿校正。补偿前后的压力曲线对比见图6。由图6可知，补偿修正后，实测压力最大值有所减小，由补偿前的238MPa减小到约190MPa。

图6 实测压力曲线修正前后对比

4 结论

（1）小型电爆阀中火工品输出压力测试系统中的引压管道会大幅降低整个系统的动态性能，为减小应用时的动态测试误差，需对整个测试系统特别是引压管道连同动压传感器部分的动态性能进行校准，分析其动态特性并进行动态性能补偿。

（2）测试系统动态性能补偿前后的结果表明，本文采用的动态性能补偿方法可以拓展整个系统的工作频带，提高小型电爆阀中火工品输出压力测试数据的准确度。

[1] A.Dibbern,W.Spipes,M.Hagopian. Implications of dynamic pressure transducer mounting variations on measurements in pyrotechnic test apparatus[C]//45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit,2009.

[2] J M.Tafoya,J I.Tafoya,M A.Inbody.Pyrovalve function testing using gas gun actuation[C]//43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2007.

[3] Todd E.Rosenberger, Joseph W. Colburn, Carl R. Ruth. Pressure transducer performance and measurement trade-offs in a transient, high temperature, combustion environment[R]. ARL-TR-914, 1995

[4] 孔德仁. 兵器动态参量测试技术[M].北京:北京理工大学出版社, 2013.

[5] 黄俊钦.测试系统动力学及应用[M].北京:国防工业出版社, 2013.

Research on Deflagrable Gas Output Pressure Testing Method for Small Explosively Actuated Valve

CHEN Dong，DENG Kun-xiu，LI Jia，XU Yong，LIANG Hao

（Institute of System Engineering, CAEP, Mianyang, 621999）

According to the pressure testing requirements of the small explosively actuated valve, deflagrable gas output pressure testing system was designed. To solving the insufficient dynamic response of the system, dynamic calibration experiments were carried out and the dynamic compensation method was adopted. The results show that the dynamic properties of the pressure testing system are good, thereby, the system can fulfill the pressure testing requirements of the explosively actuated valve.

Explosively actuated valve；Deflagrable gas output pressure testing；Dynamic compensation

TJ450.6

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.06.012

1003-1480（2017）06-0045-04

2017-08-30

陈栋（1986 -），男，工程师，主要从事电爆阀设计及研究。