遙測技術(shù)在火箭發(fā)動機過載試驗中的應(yīng)用

   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。