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航空飞行器平尾弹测试技术研究 0 冰雹高速撞击试验系统 飞机和空军包括飞机、导弹、卫星、宇宙飞船等。这些航空飞行器在飞行时将会遭遇各种恶劣的环境条件,其中冰雹粒子的高速撞击是十分严酷的环境。这些冰雹粒子严重威胁近地飞行器的安全,尤其是载人飞行器的安全。因此有关如何防护冰雹类粒子对航空飞行器高速撞击的研究受到国内外的高度重视。 国内外高速粒子与航空飞行器撞击的研究多年来一直局限于刚性弹丸撞击过程和破坏性机理研究上。由于实际试验系统的局限,大量的研究基于数值模拟分析。而冰雹高速撞击试验系统的开发,是检验仿真试验结果和开展相关实际试验的基础。在冰雹试验系统中,如何有效测得冰雹高速撞击的速度,成为系统成功的关键。文中将基于冰雹高速撞击试验的特点和要求,通过对测速技术的分析,提出满足冰雹试验的测速技术,为全面开展冰雹撞击试验研究寻求理论依据和设计标准。 1 ld色谱设计 考虑到冰雹试验弹丸的特殊性,我们选择遮光法进行测速。一般LD测速装置在发射管的延伸段,如 果用在二级气体炮上时,这样它的光电二极管可能被二级气体炮前端氢气发射的光干扰。同时,产生的冲击波可能会破坏光电二极管,前面的现象使得光电二极管没有能力识别弹丸,后面的现象使得光电二极管失效。为了在射速过程中不出现这种现象,就必须对LD测速装置进行改进。而冰雹试验统要求的测速误差是1% 速度上限400.0 m/s。 测速装置系统结构如图1所示。为了提高整个冰雹撞击试验系统的集成度,在测速装置中嵌入了一个MCU和一个串行通讯模块,通过串行通讯进行系统间的信息交换。 2 光电接头的准直不确定度u 测速装置的误差源主要分成三类,它们是PIN 光电探头的准直不确定度、时间测量不确定度,弹丸的飞行路径误差。其中,时间测量不确定度又可以分为时间间隔不确定度和时间判读不确定度。 2.1 区域范围的测量 光电探头准直不确定度主要来自前后光电传感器。传感器的结构如图2所示。 光电传感器是由一排平行光线组成的,设计中共有20束。LD发出的光通过左边的金属档板的通光孔射出,同时射入右边金属档板相应的通光孔。现在假设每块挡板上的20个通光孔都在同一的平面内,两块档板在两个平行的平面内;这样光电传感器的感应平面可以认为是其中一束光线,两头分别沿着通光孔平面和金属档板平面的交线移动生成的双线性曲面上,而感应的光线只是这个曲面上的均匀分布的20束。 由于安装的原因,左右两排的通光孔不在同一个平面内,可以通过双线性曲面计算公式得出在感光面上的坐标: Pnx=Pl0(19?n)(D?x)19D+Pr0(19?n)x19D+Pl19n(D?x)19D+Pr19nx19DΡnx=Ρl0(19-n)(D-x)19D+Ρr0(19-n)x19D+Ρl19n(D-x)19D+Ρr19nx19D 其中:Pl0为左金属档板0位通光孔坐标;Pr0为右金属档板0位通光孔坐标;Pl19为左金属档板19位通光孔坐标;Pr19为右金属档板19位通光孔坐标;0≤n≤19,当n等于0～19的整数时,Pnx为20束光束上的坐标点;x为在感光面上一点离左金属档板右面的距离。 通过测定前后共八个点的位置,就可以算出两个感光面上所有的点的坐标。由于弹丸速度很快,可以认为它的飞行路径在发射管轴线的延长线上,这样,这条轴线与感光面就产生了两个交点,记为fPnx、bPnx。两点之间的距离就是理论的测速距离l。当光电感应器之间的距离设计为L,那么|l-L|将是装置的误差精度。它主要由以下两个因素引起的:1)弹丸飞行路径与两个感光面的垂直度;2)每个感光面的平面度。 就圆形弹丸为例来分析这一误差。将感应光束简化成一条直线。如图3所示。 假设弹丸是理想的球形,半径为r。当球形弹丸沿着如图3所示1位的方向飞行,那么弹丸最前沿将切断光线;如果弹丸在沿着如图3所示2位的方向飞行,弹丸的上边的弧线将切断光线。这样随着弹丸的飞行路径的差异(假设飞行路径与前后相同编号的感应光束的误差不大于m/2),将会产生一个误差: Δl′=r?r2?Δm2????????√Δm≤m/2?r≥d+mΔl′=r-r2-Δm2Δm≤m/2?r≥d+m 其中:r是球形弹丸的半径;Δm是球形弹丸中心飞行路径与感应光束的偏差;d是通光孔直径;m是两通光孔中心距;Δl′是弹丸在某一个感光面上由于飞行路径引起的误差。 那么对于整个飞行过程中,由飞行路径引起的在两个感光面上产生的误差: Δl=Δl′b-Δl′f 其中:Δl′b为后感光面上产生的误差;Δl′f为前感光面上产生的误差。 这个Δl在形式上是弹丸的飞行距离变了,但是在测速的结果上表现在测速时间的变化,它的变化量 Δtl=ΔlvΔtl=Δlv 2.2 时间判读不确定度的确定 为了保证各探头之间响应的一致性,各个光束的光电转换电路等都用了对称电路,这