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[導(dǎo)讀] 導(dǎo)彈在機動飛行過程中,機動過載將對發(fā)動機的結(jié)構(gòu)和燃燒室燒蝕區(qū)域造成影響。發(fā)動機過載臺通過高速旋轉(zhuǎn)從而對發(fā)動機產(chǎn)生離心力,以模擬發(fā)動機在工作過程中的橫向過載。當(dāng)發(fā)動機的過載達到設(shè)定值時,發(fā)動機點火工作

   導(dǎo)彈在機動飛行過程中,機動過載將對發(fā)動機的結(jié)構(gòu)和燃燒室燒蝕區(qū)域造成影響。發(fā)動機過載臺通過高速旋轉(zhuǎn)從而對發(fā)動機產(chǎn)生離心力,以模擬發(fā)動機在工作過程中的橫向過載。當(dāng)發(fā)動機的過載達到設(shè)定值時,發(fā)動機點火工作。試驗過程中,需要實時監(jiān)控和記錄發(fā)動機的溫度、壓強、應(yīng)變、過載、轉(zhuǎn)速等信號。過載臺高速旋轉(zhuǎn)時的工作狀況決定了信號的測量只能采用非接觸方式,應(yīng)用無線電遙測技術(shù)是實現(xiàn)發(fā)動機過載試驗非接觸測量較理想的選擇。

1 發(fā)動機過載試驗臺遙測系統(tǒng)的特點

   發(fā)動機過載試驗臺遙測系統(tǒng)由遙測發(fā)射單元和數(shù)據(jù)接收及處理單元組成,系統(tǒng)組成原理如圖1所示。

根據(jù)實驗室布局和設(shè)備的需要,遙測發(fā)射單元位于旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸的中心,并隨著過載臺一起轉(zhuǎn)動。接收天線安裝在距試驗臺15 m距離的墻壁上。出于安全需要,由遙測接收機和同步解調(diào)器組成的遙測數(shù)據(jù)處理單元位于過載實驗室隔壁房間。遙測設(shè)備分布如圖2所示,試驗現(xiàn)場實景見圖3??梢钥闯?,發(fā)動機過載臺遙測系統(tǒng)將承受多徑衰落和發(fā)動機噴焰的影響。

1.1 多徑衰落

    發(fā)動機過載試驗間四面是鋼筋混凝土防爆墻,房頂為可移動的半開放空間,試驗轉(zhuǎn)臺全部為金屬框架,轉(zhuǎn)臺最高轉(zhuǎn)速為300 r/min,發(fā)射天線距發(fā)動機尾噴口0.5~2 m。在這種工作環(huán)境下,多徑信號主要來自實驗室地面、墻壁,以及試驗臺和發(fā)動機噴焰的反射波。隨著試驗臺的高速旋轉(zhuǎn),進入接收天線的多徑合成信號將發(fā)生快速時變,因此遙測信道是快速時變的多徑信道。

1.2 發(fā)動機噴焰影響

   固體火箭發(fā)動機噴焰是一種高濃度、高碰撞、劇烈湍動的不均勻等離子體。無線電遙測信號通過發(fā)動機噴焰時,將產(chǎn)生衰落、反射、相移、調(diào)制噪聲等變化。此外,隨著試驗臺高速旋轉(zhuǎn),噴焰將以最高5次/s的頻率阻斷直射波通道,因此,噴焰對遙測信號的影響具有快速時變衰落特點。

2 遙測系統(tǒng)設(shè)計方案

針對過載試驗臺遙測系統(tǒng)的特點,為了克服高速旋轉(zhuǎn)、多徑衰落和發(fā)動機噴焰的影響,本方案在遙測發(fā)射單元結(jié)構(gòu)和電路布局、收發(fā)天線設(shè)計、信道編碼、系統(tǒng)設(shè)計等方面分別采取了相應(yīng)的措施。

2.1 發(fā)射單元結(jié)構(gòu)和電路布局設(shè)計

發(fā)動機在高速旋轉(zhuǎn)時將產(chǎn)生較大的離心力,該離心力以過載形式施加到遙測發(fā)射單元的各個部分。另外,發(fā)動機點火后,噴焰產(chǎn)生的高分貝噪聲會引起高頻振動。如圖4所示,遙測發(fā)射單元在結(jié)構(gòu)、電路布局中采取以下措施,有效降低了過載和高頻振動的影響。

(1)外形采用圓錐體結(jié)構(gòu),有利于提高旋轉(zhuǎn)時的機體的穩(wěn)定性。

(2)電路板位于試驗臺中心、水平安裝并與轉(zhuǎn)軸垂直,該方式消除了試驗臺高速旋轉(zhuǎn)對電路板產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩。元器件采用SMT器件,可以有效降低元器件承受的橫向剪切力。

(3)為了降低噴焰噪聲引起的高頻振動,遙測發(fā)射單元與試驗臺連接面之間增加減振絕緣墊,電路板和外殼體之間的間隙填充吸音材料。

2.2 收發(fā)天線設(shè)計

為了降低過載試驗臺和房頂?shù)陌l(fā)射波能量,發(fā)射天線采用柱狀單極子天線,其方向圖如圖5所示。該種天線的方向圖在水平剖面表現(xiàn)為均勻的方向性,有利于過載臺在高速旋轉(zhuǎn)時遙測信號穩(wěn)定接收;在垂直方向上,上下方向各有一個較深的零陷,有利于抑制發(fā)射信號在試驗臺和房頂形成的反射波,降低多徑衰落的影響。

接收天線采用螺旋天線,該天線波束寬度2θ0.5≤10°,指向性強,有利于抑制主波束外反射波的能量。

2.3 信道編碼

遙測數(shù)據(jù)在傳輸過程中,由于多徑衰落和發(fā)動機噴焰的影響,存在隨機性和突發(fā)性錯誤。本系統(tǒng)采用級聯(lián)碼+交織編碼進行前向糾錯,外碼為(204, 188)RS碼,內(nèi)碼為2/3卷積碼。由于RS碼適用于檢測和校正傳輸過程中的突發(fā)性錯誤,卷積碼擅長糾正隨機錯誤,因此二者相結(jié)合的級聯(lián)碼既能夠糾正隨機錯誤,又能夠糾正突發(fā)錯誤,適合于過載臺遙測信道的特性。為了盡量提高可糾錯的突發(fā)誤碼長度,使突發(fā)錯誤隨機化分布,本方案采用螺旋交織編碼,交織深度為256 B。經(jīng)測試,采用級聯(lián)碼后,可以獲得6.3 dB的編碼增益。

2.4 系統(tǒng)設(shè)計中的幾個關(guān)鍵技術(shù)

(1)強、弱電信號隔離

由于過載臺的高壓變頻器、驅(qū)動電機等強電壓設(shè)備在運轉(zhuǎn)中將對遙測設(shè)備的弱電信號造成干擾,如果處理不當(dāng),將大大降低遙測信號的采集精度,甚至使遙測功能喪失。因此,強電和弱電信號的隔離將直接影響遙測系統(tǒng)的性能。本設(shè)計采取以下隔離措施,較好地解決了強弱電隔離問題:

①遙測發(fā)射單元采用可充電鋰電池供電。純凈、穩(wěn)定的電源精度保證了各種傳感器的測量精度和數(shù)據(jù)采集精度。正式試驗前,充電器通過集流環(huán)對鋰電池充電,試驗開始后,充電回路斷開,鋰電池為遙測發(fā)射單元輸出電源。此外,遙測發(fā)射單元與過載臺固定端由絕緣減振墊隔離,使遙測發(fā)射單元電源地與過載臺強電匯流地在空間上完全隔離。上述措施在電源上完全隔斷了外部干擾源的傳導(dǎo)途徑;

②遙測發(fā)射單元全金屬殼體屏蔽,杜絕了強電設(shè)備在空間產(chǎn)生的強電磁場對遙測弱電支路的干擾。

(2)遙測系統(tǒng)各部分增益分配

根據(jù)無線通信理論,無線電自由空間損耗Lp=(4πR)2/λ2,其中R為有效傳輸距離,λ為射頻信號波長。在本系統(tǒng)R=15 m,λ=0.13 m,所以Lp(dB)=63 dB。本系統(tǒng)發(fā)射功率Pt=0.5 W(-3 dB),發(fā)射和接收天線增益分別為Gt=-5 dB,Gr=12 dB,接收機靈敏度Pr=-115 dB,電纜損耗L∑=15 dB。根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù),發(fā)動機噴焰和多徑效應(yīng)對無線遙測信號產(chǎn)生的峰值衰落Ld=38 dB。考慮到級聯(lián)碼產(chǎn)生的編碼增益Gc=6.3 dB,所以系統(tǒng)裕度M=Pt+Gt+Gr+Gc-Lp-L∑-Ld-Pr=9.3 dB??梢?,各部分增益的分配滿足系統(tǒng)要求,并具有足夠的設(shè)計裕度。

3 結(jié) 語

針對火箭發(fā)動機過載試驗臺遙測信道的特點,通過科學(xué)分配系統(tǒng)參數(shù),合理選擇收發(fā)天線類型,并采用級聯(lián)碼+交織編碼組成的信道編碼,成功解決了火箭噴焰和多徑衰落對無線電遙測信號的影響。目前,本遙測系統(tǒng)已在火箭發(fā)動機過載試驗中成功應(yīng)用,充分驗證了其設(shè)計的合理性和正確性,并為其他遙測系統(tǒng)的設(shè)計提供了有益的參考。

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