遙測(cè)技術(shù)在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)載試驗(yàn)中的應(yīng)用

   導(dǎo)彈在機(jī)動(dòng)飛行過(guò)程中，機(jī)動(dòng)過(guò)載將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和燃燒室燒蝕區(qū)域造成影響。發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)載臺(tái)通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生離心力，以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中的橫向過(guò)載。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)載達(dá)到設(shè)定值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作。試驗(yàn)過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度、壓強(qiáng)、應(yīng)變、過(guò)載、轉(zhuǎn)速等信號(hào)。過(guò)載臺(tái)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的工作狀況決定了信號(hào)的測(cè)量只能采用非接觸方式，應(yīng)用無(wú)線電遙測(cè)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)載試驗(yàn)非接觸測(cè)量較理想的選擇。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)載試驗(yàn)臺(tái)遙測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)

   發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)載試驗(yàn)臺(tái)遙測(cè)系統(tǒng)由遙測(cè)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(shí)驗(yàn)室布局和設(shè)備的需要，遙測(cè)發(fā)射單元位于旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸的中心，并隨著過(guò)載臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。接收天線安裝在距試驗(yàn)臺(tái)15 m距離的墻壁上。出于安全需要，由遙測(cè)接收機(jī)和同步解調(diào)器組成的遙測(cè)數(shù)據(jù)處理單元位于過(guò)載實(shí)驗(yàn)室隔壁房間。遙測(cè)設(shè)備分布如圖2所示，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景見圖3?？梢钥闯?，發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)載臺(tái)遙測(cè)系統(tǒng)將承受多徑衰落和發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰的影響。

1.1 多徑衰落

    發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)載試驗(yàn)間四面是鋼筋混凝土防爆墻，房頂為可移動(dòng)的半開放空間，試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)全部為金屬框架，轉(zhuǎn)臺(tái)最高轉(zhuǎn)速為300 r／min，發(fā)射天線距發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口0.5～2 m。在這種工作環(huán)境下，多徑信號(hào)主要來(lái)自實(shí)驗(yàn)室地面、墻壁，以及試驗(yàn)臺(tái)和發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰的反射波。隨著試驗(yàn)臺(tái)的高速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入接收天線的多徑合成信號(hào)將發(fā)生快速時(shí)變，因此遙測(cè)信道是快速時(shí)變的多徑信道。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰影響

   固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰是一種高濃度、高碰撞、劇烈湍動(dòng)的不均勻等離子體。無(wú)線電遙測(cè)信號(hào)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰時(shí)，將產(chǎn)生衰落、反射、相移、調(diào)制噪聲等變化。此外，隨著試驗(yàn)臺(tái)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(duì)遙測(cè)信號(hào)的影響具有快速時(shí)變衰落特點(diǎn)。

2 遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

針對(duì)過(guò)載試驗(yàn)臺(tái)遙測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，為了克服高速旋轉(zhuǎn)、多徑衰落和發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰的影響，本方案在遙測(cè)發(fā)射單元結(jié)構(gòu)和電路布局、收發(fā)天線設(shè)計(jì)、信道編碼、系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)將產(chǎn)生較大的離心力，該離心力以過(guò)載形式施加到遙測(cè)發(fā)射單元的各個(gè)部分。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后，噴焰產(chǎn)生的高分貝噪聲會(huì)引起高頻振動(dòng)。如圖4所示，遙測(cè)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(guò)載和高頻振動(dòng)的影響。

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

(2)電路板位于試驗(yàn)臺(tái)中心、水平安裝并與轉(zhuǎn)軸垂直，該方式消除了試驗(yàn)臺(tái)高速旋轉(zhuǎn)對(duì)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(dòng)，遙測(cè)發(fā)射單元與試驗(yàn)臺(tái)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(jì)

為了降低過(guò)載試驗(yàn)臺(tái)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(guò)載臺(tái)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)遙測(cè)信號(hào)穩(wěn)定接收；在垂直方向上，上下方向各有一個(gè)較深的零陷，有利于抑制發(fā)射信號(hào)在試驗(yàn)臺(tái)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(qiáng)，有利于抑制主波束外反射波的能量。

2.3 信道編碼

遙測(cè)數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中，由于多徑衰落和發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰的影響，存在隨機(jī)性和突發(fā)性錯(cuò)誤。本系統(tǒng)采用級(jí)聯(lián)碼+交織編碼進(jìn)行前向糾錯(cuò)，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(cè)和校正傳輸過(guò)程中的突發(fā)性錯(cuò)誤，卷積碼擅長(zhǎng)糾正隨機(jī)錯(cuò)誤，因此二者相結(jié)合的級(jí)聯(lián)碼既能夠糾正隨機(jī)錯(cuò)誤，又能夠糾正突發(fā)錯(cuò)誤，適合于過(guò)載臺(tái)遙測(cè)信道的特性。為了盡量提高可糾錯(cuò)的突發(fā)誤碼長(zhǎng)度，使突發(fā)錯(cuò)誤隨機(jī)化分布，本方案采用螺旋交織編碼，交織深度為256 B。經(jīng)測(cè)試，采用級(jí)聯(lián)碼后，可以獲得6.3 dB的編碼增益。

2.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)

(1)強(qiáng)、弱電信號(hào)隔離

由于過(guò)載臺(tái)的高壓變頻器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等強(qiáng)電壓設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)中將對(duì)遙測(cè)設(shè)備的弱電信號(hào)造成干擾，如果處理不當(dāng)，將大大降低遙測(cè)信號(hào)的采集精度，甚至使遙測(cè)功能喪失。因此，強(qiáng)電和弱電信號(hào)的隔離將直接影響遙測(cè)系統(tǒng)的性能。本設(shè)計(jì)采取以下隔離措施，較好地解決了強(qiáng)弱電隔離問(wèn)題：

①遙測(cè)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(cè)量精度和數(shù)據(jù)采集精度。正式試驗(yàn)前，充電器通過(guò)集流環(huán)對(duì)鋰電池充電，試驗(yàn)開始后，充電回路斷開，鋰電池為遙測(cè)發(fā)射單元輸出電源。此外，遙測(cè)發(fā)射單元與過(guò)載臺(tái)固定端由絕緣減振墊隔離，使遙測(cè)發(fā)射單元電源地與過(guò)載臺(tái)強(qiáng)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(cè)發(fā)射單元全金屬殼體屏蔽，杜絕了強(qiáng)電設(shè)備在空間產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場(chǎng)對(duì)遙測(cè)弱電支路的干擾。

(2)遙測(cè)系統(tǒng)各部分增益分配

根據(jù)無(wú)線通信理論，無(wú)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(hào)波長(zhǎng)。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(jī)靈敏度Pr=-115 dB，電纜損耗L∑=15 dB。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰和多徑效應(yīng)對(duì)無(wú)線遙測(cè)信號(hào)產(chǎn)生的峰值衰落Ld=38 dB?？紤]到級(jí)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(jì)裕度。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)載試驗(yàn)臺(tái)遙測(cè)信道的特點(diǎn)，通過(guò)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(jí)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(duì)無(wú)線電遙測(cè)信號(hào)的影響。目前，本遙測(cè)系統(tǒng)已在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)載試驗(yàn)中成功應(yīng)用，充分驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的合理性和正確性，并為其他遙測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了有益的參考。