陳柯勛

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京100076）

航行體出水載荷測試技術(shù)研究

陳柯勛

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京100076）

以實驗技術(shù)的手段獲取航行體水下和出水過程航行體表面壓力和運動姿態(tài)參數(shù)是獲取出水載荷和出水姿態(tài)參數(shù)的重要手段；提出了航行體水下試驗的航行體表面測量方法，設(shè)計了航行體出水載荷和姿態(tài)測量系統(tǒng)，將測量系統(tǒng)應(yīng)用于水下試驗，成功獲得了航行體表面壓力和姿態(tài)參數(shù)；試驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)滿足水下測量要求。

水下航行體；測量技術(shù)；測試系統(tǒng)；出水姿態(tài)；出水載荷

航行體在水下高速運動時，其表面低壓區(qū)的水會相變?yōu)樗魵?，會在航行體表面產(chǎn)生空化現(xiàn)象，形成水汽混合的空泡。空泡（化）現(xiàn)象是一種十分復(fù)雜的物理現(xiàn)象，當(dāng)航行體在水中高速運動時，其表面某些部位的壓力會因繞流的作用而降低。當(dāng)流經(jīng)這些部位的水因壓力過低而蒸發(fā)汽化，使流場局部呈現(xiàn)水-汽二相流動時，就標(biāo)志著流場中發(fā)生了空泡（化）現(xiàn)象?？张莠F(xiàn)象是航行體水下繞流中最重要的流動現(xiàn)象之一［1］。

隨著航行體的運動，空泡逐漸發(fā)展并在末端形成高壓回射流，當(dāng)航行體出水時，空泡內(nèi)的壓力升高，導(dǎo)致其中的水蒸氣會再次相變成為水，形成潰滅?？张轁鐚⒃诤叫畜w表面產(chǎn)生非常高的壓力和沖擊形成所謂的空泡潰滅壓力脈沖，進(jìn)而在結(jié)構(gòu)中形成較高的彎矩載荷，很容易造成航行體結(jié)構(gòu)破壞。因此利用試驗技術(shù)的方法，對空泡內(nèi)的壓力隨速度的變化、出水時空泡潰滅的壓力特征以及航行體的姿態(tài)進(jìn)行研究，并結(jié)合結(jié)構(gòu)動力學(xué)方法，分析結(jié)構(gòu)載荷形成的機(jī)理和規(guī)律，對于航行體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計以及安全發(fā)射有著非常重要的意義［2-3］。

對于航行體水下試驗，采用有引線的測試方法不現(xiàn)實，采用無線的方法，價格昂貴、時間、效率和可靠性都不能滿足水下測量要求。圍繞這一需求，本文設(shè)計了航行體出水載荷和姿態(tài)的測量系統(tǒng)，測量系統(tǒng)放置于航行體內(nèi)隨航行體一起運動，實時測量航行體表面壓力和運動姿態(tài)參數(shù)，試驗結(jié)束回收航行體讀取數(shù)據(jù)。

1 航行體出水載荷和姿態(tài)測量的總體設(shè)計

航行體出水載荷和姿態(tài)測量系統(tǒng)主要由傳感器陣列、電纜網(wǎng)、數(shù)據(jù)采錄裝置和讀數(shù)口組成。數(shù)據(jù)采錄裝置是整個系統(tǒng)的核心部分。

系統(tǒng)的總體設(shè)計思路：在模型表面沿軸向多個截面布置壓力傳感器，在航行體的質(zhì)心處安裝慣性測量組件，模擬前端板將傳感器的輸出信號經(jīng)信號調(diào)理、濾波等處理，傳送給數(shù)字采集板；數(shù)字采集板接收同采樣頻率的模擬前端板送來的電壓信號，經(jīng)多路開關(guān)選擇后，由AD將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并記錄在存儲單元中；試驗結(jié)束后回收航行體讀取數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

航行體出水載荷和姿態(tài)測量系統(tǒng)的工作狀態(tài)有兩種，即在線監(jiān)控狀態(tài)和飛行狀態(tài)。如圖試驗前航行體與地面監(jiān)測計算機(jī)通過脫插連接，地面監(jiān)測計算機(jī)通過發(fā)送命令讓數(shù)據(jù)采錄裝置執(zhí)行狀態(tài)監(jiān)控、采編和啟動記錄任務(wù)；數(shù)據(jù)采錄裝置收到記錄數(shù)據(jù)命令時，即進(jìn)入飛行狀態(tài)，此時斷開和地面監(jiān)測計算機(jī)之間的連接電纜，數(shù)據(jù)采錄裝置應(yīng)保持記錄，并在達(dá)到記錄數(shù)據(jù)命令要求的時間時停止記錄。試驗后回收航行體并讀取數(shù)據(jù)。

2 航行體出水測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)解決方法

2.1 數(shù)據(jù)采錄裝置硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采錄裝置是試驗測量系統(tǒng)的核心設(shè)備，主要由換流電源模塊、模擬前端板、數(shù)字采集板、監(jiān)控電路板組成，完成試驗壓力、過載、角速度及時統(tǒng)信號的采集、編碼和存儲任務(wù)。試驗結(jié)束后，數(shù)據(jù)采錄裝置回收，與地面監(jiān)測計算機(jī)配合，完成數(shù)據(jù)的讀取、分析和處理。數(shù)據(jù)采錄裝置原理框圖如圖2所示。

2.1.1 模擬前端板和數(shù)字采集板設(shè)計

模擬前端板將傳感器給出的信號作信號適配及濾波處理，然后送給數(shù)據(jù)采集板。數(shù)字采集板是整個數(shù)據(jù)采錄裝置的核心，由多路選擇器、AD轉(zhuǎn)換器、CPU、存儲單元、總線接口等組成。A/D轉(zhuǎn)換器是將輸入模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的關(guān)鍵部位。設(shè)計中采用AD公司的高速（1Msps）16位A/D轉(zhuǎn)換器AD7671。根據(jù)系統(tǒng)CPU高速數(shù)據(jù)采集、大容量存儲等特點，設(shè)計采用高速數(shù)字信號處理芯片TMS320LF2407A來實現(xiàn)。

存儲單元采用的是電子盤（工業(yè)級）存儲器。與普通Flash存儲器相比，電子盤具有速度快、容量大的優(yōu)點；與普通硬盤相比，電子盤工作環(huán)境溫度寬、抗沖擊振動能力強(qiáng)、體積小、安裝形式多，更適合本測量系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

2.1.2 監(jiān)控電路板

監(jiān)控電路板由RS422通訊電路、監(jiān)控CPU、總線接口電路等幾個部分組成。監(jiān)控CPU選用具有51單片機(jī)內(nèi)核的C8051F320，它內(nèi)置了溫度傳感器可以完成對內(nèi)部溫度的測量，并且有USB控制器，支持USB 2.0協(xié)議，可以輕松實現(xiàn)USB通訊，而且具有功耗低、操作簡單等特點［4］。RS422通訊電路芯片選用MAXM公司的MAX3491 RS-485/RS-422收發(fā)器，如圖3所示。

圖3 MAX3491連接電路

總線接口電路負(fù)責(zé)將各個采集板上的存儲器數(shù)據(jù)通過并口總線傳送到監(jiān)控電路板，再通過監(jiān)控電路板上的USB口或RS422口上傳到監(jiān)控計算機(jī)?？偩€接口電路電原理圖如圖4所示。

2.2 航行體和地面設(shè)備的接口設(shè)計

通過設(shè)計一個脫插實現(xiàn)地面設(shè)備與航行體的通訊，試驗前地面設(shè)備給出數(shù)據(jù)采錄裝置的啟動信號，控制系統(tǒng)給出時統(tǒng)信號，伴隨航行體的運動尾部電纜斷開，存儲器持續(xù)記錄數(shù)據(jù)至試驗結(jié)束。脫插接頭需考慮水下使用的安全性，避免短路引起數(shù)據(jù)采錄裝置的損壞。

2.3 系統(tǒng)低功耗設(shè)計

低功耗作為水下儀器中最重要的考慮因素之一，整個系統(tǒng)需要供電的模塊有壓力傳感器和變送器、慣性測量組件、換流電源模塊、模擬前端板、數(shù)字采集板、監(jiān)控電路板等。系統(tǒng)的工作電流近2A，如不采用有效的低功耗設(shè)計方法直接影響試驗的數(shù)據(jù)采集［5］。本系統(tǒng)采用如下設(shè)計，最大限度降低功耗。如圖5所示。

選用TI公司的MSP430低功耗單片機(jī)作為系統(tǒng)的電源管理控制芯片，芯片工作電流小于7 mA。系統(tǒng)在采集啟動前為休眠狀態(tài)，整個系統(tǒng)只有MSP430單片機(jī)為激活狀態(tài)，當(dāng)接收到系統(tǒng)的采集啟動信號后，單片機(jī)產(chǎn)生一個中斷，開啟模擬電路和數(shù)字電路電源，系統(tǒng)按照編程設(shè)定的參數(shù)采集數(shù)據(jù)。利用單片機(jī)內(nèi)部的定時器設(shè)置系統(tǒng)的工作時間，當(dāng)采樣結(jié)束時，單片機(jī)的定時器產(chǎn)生一個斷電中斷，斷開系統(tǒng)的模擬電路和數(shù)字電路的電源。系統(tǒng)采樣前和采樣結(jié)束后的工作電流小于10 mA，采樣工作時電流近2 A。采用這種方法實現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗設(shè)計。

圖4 并口總線接口電路

圖5 系統(tǒng)低功耗設(shè)計

3 測量系統(tǒng)在水下試驗的應(yīng)用

航行體出水載荷和姿態(tài)測量系統(tǒng)多次成功應(yīng)用于水下試驗，成功獲得近100%的有效數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)具有高可靠性能多次重復(fù)使用，系統(tǒng)防水性能良好，滿足水下測量要求。典型的航行體表面壓力和姿態(tài)參數(shù)如圖6～圖9所示。

圖6 航行體表面不同位置的壓力曲線

圖7 X向角速度隨時間變化曲線

圖8 Y向角速度隨時間變化曲線

圖9 Z向角速度隨時間變化曲線

航行體出水載荷和姿態(tài)測試數(shù)據(jù)有很好的信噪比，完全滿足水下測量的要求，為航行體出水載荷和出水姿態(tài)的研究提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本文介紹了航行體出水載荷和出水姿態(tài)的測量方法。根據(jù)水下航行體表面壓力和姿態(tài)的測量要求，提出了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，對數(shù)據(jù)采錄裝置的核心模塊進(jìn)行了設(shè)計，系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計思想。試驗結(jié)果表明，測量系統(tǒng)能夠滿足航行體水下測量要求。該系統(tǒng)亦可用于更嚴(yán)酷的航行體水下試驗，其他無引線測量的場合，也具有一定的參考價值。

［1］權(quán)曉波，李巖，魏海鵬.大攻角下軸對稱航行體空化流動特性試驗研究［J］.水動力學(xué)研究與進(jìn)展，2008，23（6）: 663-667.

［2］曹少珺，孫發(fā)魚.一種基于慣性測量組合的彈箭飛行姿態(tài)測試方法［J］.探測與控制學(xué)報，2007，29（6）:63-68.

［3］李代金，張宇文，黨建軍.潛艇垂射航行體出筒姿態(tài)的研究［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2009，29（4）:172-174.

［4］鄭雙，王悅.嵌入式系統(tǒng)電源的設(shè)計與調(diào)試［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用.2007（11）:67-68.

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（責(zé)任編輯周江川）

Measurement Research of Under Water Vehicles of Out-of-Water Load

CHEN Ke-xun
（Beijing Institute of Structure&Environment Engineering，Beijing 100076，China）

The surface pressure of out-of-water progress and out-of-water attitude were analyzed.The method of underwater vehicle measurement was suggested and the sur-face load and out-of-water attitude testing system used in underwater experiment was designed.The sur-face pressure and out-of-water attitude were acquired by the testing system.The experimental result indicates that this system settles for underwater test.

underwater vehicle；measurement technique；testing system；out-of-water attitude；out-of-water load

陳柯勛.航行體出水載荷測試技術(shù)研究［J］.四川兵工學(xué)報，2015（11）：38-40.

format：CHEN Ke-xun.Measurement Research of Under Water Vehicles of Out-of-Water Load［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2015（11）：38-40.

TJ760.1

A

1006-0707（2015）11-0038-04

10.11809/scbgxb2015.11.011

2015-05-18

陳柯勛（1984—），男，工程師，主要從事光學(xué)工程與電子技術(shù)研究。