航行体出水载荷测试技术研究

陈柯勋

（北京强度环境研究所，北京100076）

航行体出水载荷测试技术研究

陈柯勋

（北京强度环境研究所，北京100076）

以实验技术的手段获取航行体水下和出水过程航行体表面压力和运动姿态参数是获取出水载荷和出水姿态参数的重要手段；提出了航行体水下试验的航行体表面测量方法，设计了航行体出水载荷和姿态测量系统，将测量系统应用于水下试验，成功获得了航行体表面压力和姿态参数；试验结果表明：该系统满足水下测量要求。

水下航行体；测量技术；测试系统；出水姿态；出水载荷

航行体在水下高速运动时，其表面低压区的水会相变为水蒸气，会在航行体表面产生空化现象，形成水汽混合的空泡。空泡（化）现象是一种十分复杂的物理现象，当航行体在水中高速运动时，其表面某些部位的压力会因绕流的作用而降低。当流经这些部位的水因压力过低而蒸发汽化，使流场局部呈现水-汽二相流动时，就标志着流场中发生了空泡（化）现象。空泡现象是航行体水下绕流中最重要的流动现象之一［1］。

随着航行体的运动，空泡逐渐发展并在末端形成高压回射流，当航行体出水时，空泡内的压力升高，导致其中的水蒸气会再次相变成为水，形成溃灭。空泡溃灭将在航行体表面产生非常高的压力和冲击形成所谓的空泡溃灭压力脉冲，进而在结构中形成较高的弯矩载荷，很容易造成航行体结构破坏。因此利用试验技术的方法，对空泡内的压力随速度的变化、出水时空泡溃灭的压力特征以及航行体的姿态进行研究，并结合结构动力学方法，分析结构载荷形成的机理和规律，对于航行体的结构强度设计以及安全发射有着非常重要的意义［2-3］。

对于航行体水下试验，采用有引线的测试方法不现实，采用无线的方法，价格昂贵、时间、效率和可靠性都不能满足水下测量要求。围绕这一需求，本文设计了航行体出水载荷和姿态的测量系统，测量系统放置于航行体内随航行体一起运动，实时测量航行体表面压力和运动姿态参数，试验结束回收航行体读取数据。

1 航行体出水载荷和姿态测量的总体设计

航行体出水载荷和姿态测量系统主要由传感器阵列、电缆网、数据采录装置和读数口组成。数据采录装置是整个系统的核心部分。

系统的总体设计思路：在模型表面沿轴向多个截面布置压力传感器，在航行体的质心处安装惯性测量组件，模拟前端板将传感器的输出信号经信号调理、滤波等处理，传送给数字采集板；数字采集板接收同采样频率的模拟前端板送来的电压信号，经多路开关选择后，由AD将电压信号转换成数字信号，并记录在存储单元中；试验结束后回收航行体读取数据。系统总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

航行体出水载荷和姿态测量系统的工作状态有两种，即在线监控状态和飞行状态。如图试验前航行体与地面监测计算机通过脱插连接，地面监测计算机通过发送命令让数据采录装置执行状态监控、采编和启动记录任务；数据采录装置收到记录数据命令时，即进入飞行状态，此时断开和地面监测计算机之间的连接电缆，数据采录装置应保持记录，并在达到记录数据命令要求的时间时停止记录。试验后回收航行体并读取数据。

2 航行体出水测量系统关键技术解决方法

2.1 数据采录装置硬件设计

数据采录装置是试验测量系统的核心设备，主要由换流电源模块、模拟前端板、数字采集板、监控电路板组成，完成试验压力、过载、角速度及时统信号的采集、编码和存储任务。试验结束后，数据采录装置回收，与地面监测计算机配合，完成数据的读取、分析和处理。数据采录装置原理框图如图2所示。

2.1.1 模拟前端板和数字采集板设计

模拟前端板将传感器给出的信号作信号适配及滤波处理，然后送给数据采集板。数字采集板是整个数据采录装置的核心，由多路选择器、AD转换器、CPU、存储单元、总线接口等组成。A/D转换器是将输入模拟电压信号转换为数字信号的关键部位。设计中采用AD公司的高速（1Msps）16位A/D转换器AD7671。根据系统CPU高速数据采集、大容量存储等特点，设计采用高速数字信号处理芯片TMS320LF2407A来实现。

存储单元采用的是电子盘（工业级）存储器。与普通Flash存储器相比，电子盘具有速度快、容量大的优点；与普通硬盘相比，电子盘工作环境温度宽、抗冲击振动能力强、体积小、安装形式多，更适合本测量系统。

图2 系统总体框图

2.1.2 监控电路板

监控电路板由RS422通讯电路、监控CPU、总线接口电路等几个部分组成。监控CPU选用具有51单片机内核的C8051F320，它内置了温度传感器可以完成对内部温度的测量，并且有USB控制器，支持USB 2.0协议，可以轻松实现USB通讯，而且具有功耗低、操作简单等特点［4］。RS422通讯电路芯片选用MAXM公司的MAX3491 RS-485/RS-422收发器，如图3所示。

图3 MAX3491连接电路

总线接口电路负责将各个采集板上的存储器数据通过并口总线传送到监控电路板，再通过监控电路板上的USB口或RS422口上传到监控计算机。总线接口电路电原理图如图4所示。

2.2 航行体和地面设备的接口设计

通过设计一个脱插实现地面设备与航行体的通讯，试验前地面设备给出数据采录装置的启动信号，控制系统给出时统信号，伴随航行体的运动尾部电缆断开，存储器持续记录数据至试验结束。脱插接头需考虑水下使用的安全性，避免短路引起数据采录装置的损坏。

2.3 系统低功耗设计

低功耗作为水下仪器中最重要的考虑因素之一，整个系统需要供电的模块有压力传感器和变送器、惯性测量组件、换流电源模块、模拟前端板、数字采集板、监控电路板等。系统的工作电流近2A，如不采用有效的低功耗设计方法直接影响试验的数据采集［5］。本系统采用如下设计，最大限度降低功耗。如图5所示。

选用TI公司的MSP430低功耗单片机作为系统的电源管理控制芯片，芯片工作电流小于7 mA。系统在采集启动前为休眠状态，整个系统只有MSP430单片机为激活状态，当接收到系统的采集启动信号后，单片机产生一个中断，开启模拟电路和数字电路电源，系统按照编程设定的参数采集数据。利用单片机内部的定时器设置系统的工作时间，当采样结束时，单片机的定时器产生一个断电中断，断开系统的模拟电路和数字电路的电源。系统采样前和采样结束后的工作电流小于10 mA，采样工作时电流近2 A。采用这种方法实现了系统的低功耗设计。

图4 并口总线接口电路

图5 系统低功耗设计

3 测量系统在水下试验的应用

航行体出水载荷和姿态测量系统多次成功应用于水下试验，成功获得近100%的有效数据。该系统抗干扰能力强，系统具有高可靠性能多次重复使用，系统防水性能良好，满足水下测量要求。典型的航行体表面压力和姿态参数如图6～图9所示。

图6 航行体表面不同位置的压力曲线

图7 X向角速度随时间变化曲线

图8 Y向角速度随时间变化曲线

图9 Z向角速度随时间变化曲线

航行体出水载荷和姿态测试数据有很好的信噪比，完全满足水下测量的要求，为航行体出水载荷和出水姿态的研究提供了关键数据。

4 结束语

本文介绍了航行体出水载荷和出水姿态的测量方法。根据水下航行体表面压力和姿态的测量要求，提出了系统的总体设计方案，对数据采录装置的核心模块进行了设计，系统采用低功耗设计思想。试验结果表明，测量系统能够满足航行体水下测量要求。该系统亦可用于更严酷的航行体水下试验，其他无引线测量的场合，也具有一定的参考价值。

［1］权晓波，李岩，魏海鹏.大攻角下轴对称航行体空化流动特性试验研究［J］.水动力学研究与进展，2008，23（6）: 663-667.

［2］曹少珺，孙发鱼.一种基于惯性测量组合的弹箭飞行姿态测试方法［J］.探测与控制学报，2007，29（6）:63-68.

［3］李代金，张宇文，党建军.潜艇垂射航行体出筒姿态的研究［J］.弹箭与制导学报，2009，29（4）:172-174.

［4］郑双，王悦.嵌入式系统电源的设计与调试［J］.单片机与嵌入式系统应用.2007（11）:67-68.

［5］陈渊睿，伍堂顺，毛建一.动力锂电池组充放电智能管理系统［J］.电源技术，2009（8）:666-670.

（责任编辑周江川）

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

陈柯勋.航行体出水载荷测试技术研究［J］.四川兵工学报，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

陈柯勋（1984—），男，工程师，主要从事光学工程与电子技术研究。