一种弹载测试系统地面标定装置结构

本科毕业设计说明书（论文）第1页共41页1绪论1.1课题背景在现代战争中，坦克的大量使用和坦克性能的不断提高，以及装甲作战攻击战术的不断发展，使反坦克的任务日益加重。目前，在近距离（5000米）内，各种各样的直瞄式反坦克导弹可以大显身手，但超出了这个距离，直瞄武器就无能为力了。间瞄武器虽然射程远，但精度差，命中率低。为了使间瞄武器能远距离地攻击敌方行进中的集群装甲目标，末敏弹作为众多技术方案中的一种被提出。末敏弹，顾名思义就是末端敏感器引爆弹药的意思。末敏弹多采用子母弹结构，母弹内装多个子弹（火炮发射的末敏弹的母弹一般只含两枚子弹），子弹战斗部装有自锻成型弹芯，在弹体的轴向装有毫米波和红外复合敏感系统用于搜索目标。子弹事实上可以用多种载体运载，如炮弹、远程火箭、航空火箭、飞机撒布器等，一次发射（或投射）可攻击多个不同的目标。它是把先进的敏感器技术和爆炸成型技术应用到子母弹领域中的一种新型弹药，把子母弹的面杀伤特点发展到攻击点目标，并利用敏感器从复杂的地面杂波背景环境中识别出地面静止或运动目标，它最大特点就是避开了装甲兵器的防护长处-前部和两襟，而着眼于攻击坦克最薄弱而又被大多数反坦克武器所忽略的部位-坦克顶部。母弹在目标区上空一定高度抛出子弹，下降到一定高度后形成稳态扫描，末敏弹在降落伞作用下以10米/秒左右的速度以接近铅垂方向稳速下落，为保证在一定范围内搜索目标，要使子弹弹体轴线与铅锤方向成一约30度的夹角，即扫描角，同时为了提高搜索效率，还要使弹轴在空中绕铅垂线以约4转/秒的转速旋转，转动过程中末敏弹的内侧面始终面向旋转轴，形成所谓的“月亮式运动”。这样，炸弹在空中一边旋转下落，一边搜索目标，一旦发现目标，即刻启动信号，引爆炸药射出自锻成型弹芯摧毁目标，如图1.1所示:本科毕业设计说明书（论文）第2页共41页图1.1末敏弹工作原理示意图末敏弹具有作战距离远、命中概率高、毁伤效果好、效费比高和发射后不管等优点。因此欧美各国如美国、西德、法国、英国、瑞典及以色列等都在积极研究和发展末敏弹，表1.1列出了国外研制中的几种末敏弹概况。表1.1国外研制中的几种末敏弹概况弹名公司口径（mm）子弹数敏感器XM398萨达姆美国AVCO公司1554红外敏感器XM836式萨达姆美国HONEYWELL公司1552红外敏感器/毫米波雷达美国AEROJIT公司1552毫米波敏感器ZEPL反装甲子母弹西德莱茵金属公司155（203）2（3）红外敏感器/毫米波雷达苍鹰末敏弹西德迪尔公司155（203）2（3）红外敏感器SMART-155西德迪尔公司1552红外敏感器毫米波雷达/毫米波辐射计TACED法国汤姆逊公司1553红外敏感器/毫米波雷达本科毕业设计说明书（论文）第3页共41页我国也十分重视末敏弹的发展工作，早在七十年代末就注意到国外末敏弹的发展，八十年代初就进行了可行性研究，“七·五”期间末敏弹作为预研的一个重点，对关键的单项技术进行了大量研究工作，“八·五”进一步开展了末敏弹总体系统分析与技术研究，取得了较好进展，目前已被确定为“九·五”型号项目。而稳态扫描参数测试技术研究正是为末敏弹的研制和定型服务的。1.2稳态扫描参数测试技术的国内外现状1.2.1国外的研究状况在国外，末敏弹技术已渐趋成熟，开始装备部队，国外在研制末敏弹过程中非常重视稳态扫描参数的测试。他们采用的测试技术主要是移植在炮弹、火箭的外弹道动态参数测试中所用的方法，如太阳方位传感器。太阳方位传感器以太阳射线作为基准方向，由太阳射线通过狭缝和光栏在传感器上成象或投影位置或投影间距的变化来测定末敏弹的太阳方位角，在转速稳定的条件下，经过较为复杂的计算和地面标定以得到末敏弹的太阳方位角，由信号周期规律测定转速。这种选取太阳射线为基准方向的测试方法原理是正确的，但也存在明显的缺点，如要求实验必须在晴天阳光充足时进行;还要求太阳射线与传感器的倾角不能太大，即要求实验必须在一天中的早上九点至下午五点间完成，以保证太阳光线对末敏弹呈合适的倾斜照射;由于必须在弹壁上开多个狭缝，以便接收太阳光，必然破坏末敏弹的本来结构，从而改变子弹的质量分布和转动惯量，往往使测出的数值偏离原末敏弹的真实值;而且这种方法弹上装置较复杂，准确标定也很困难;对实验条件要求苛刻，在系统由于横风等原因偏离正常姿态较大时，无法进行有效的测量;需要弹壳开孔并装置光学透镜，抗过载能力不高;因此只能进行模拟弹的测量而难以满足实弹发射条件下的测试要求，而且这种方法还无法得到末敏弹的地面扫描螺线。与太阳方位传感器类似的还有PSD法，它是以面阵PSD元件来代替太阳方位传感器，以太阳射线作为投影位置的改变确定扫描角。由于聚焦光斑不可能很小，且装置于弹壁上的透镜因弹径有限使其焦距不可能很长，故测角精度不可能很高，而且与太阳方位传感器一样，也只能用于模拟弹的测试。为实现实弹测试，必须在弹上尽量少装或不装东西，例如测速雷达法或高速摄影法，测速雷达法利用多普勒效应测速，但对于旋转和下落合成运动的物体，从合成频移中分离出旋本科毕业设计说明书（论文）第4页共41页转和下落速度需进一步研究和改造现有雷达设备，而且也无法对扫描角进行有效测量。用高速摄影仪加高倍望远镜系统，可实时记录末敏弹的稳态扫描过程，但由于末敏弹相应于相面的左右两极端位置判断不准，故扫描角不易精确测量。至今所见国外末敏弹测试报告多限于实验弹的直升飞机抛洒实验结果，尚未见实弹发射下的靶场实测报道。1.2.2国内研究状况为了很好地解决末敏弹稳态扫描参数难以精确测量的问题，“八•五”期间，南京理工大学应用物理系承接国防科工委测试通讯研究所预研任务研究末敏弹稳态扫描参数测试技术，于1992年提出地面激光雷达跟踪测量与沿弹轴测距同步进行的初始测试方案。其方法是，在弹上安装微型激光测距仪，且光轴与弹轴同向(最好两轴重合)，这样激光束发射方向就是末敏弹的弹轴方向。弹载微型激光测距仪随末敏弹作螺旋扫描下落，同时对地面漫反射目标测距，给出任意时刻的距离序列数据。由地面激光雷达给出末敏弹斜距离和仰角，则可由简单三角关系算出瞬时高度与下落速度，再由弹上微型测距仪给出轴向斜距离，结合地面测得的高度值直接算出扫描角，转速可由弹上周期合作目标给出的周期信号算出。该方案在具体实施时存在诸多困难。根据末敏弹总师单位的要求，为保证末敏弹稳态扫描参数测试的正确性，以便能完全反映真实弹的运动状态，弹上应该尽量少装东西，以保证和真实弹的质量分布、重心与转动惯量相同。南京理工大学末敏弹测试课题组于1995年改进了上述方案，提出弹上用地磁方位传感器测定转速与扫描角，地面激光雷达跟踪测定仰角、水平角与斜距离的方案。1.3本文的主要内容及研究意义理论和实验表明，由于敏感子弹旋转扫描时转轴不是子弹本体的惯性主轴；影响子弹旋转稳定性的因素很多，不仅有子弹本体的质量分布、转动惯量比和转轴位置，还有外加力矩的作用方式、悬挂方式、悬挂体的刚性等，因此仅靠炮射或空抛实验研究其动力学特性耗资大、周期长，难以取得具有统计意义的足够数据量;另外由于伞弹系统是一个柔性连接的多体非平衡系统，要建立严格精确的数学模型也非常困难，所以应尽快建立末敏弹稳态扫描参数室内模拟系统。这正是本文的主要内容。由末敏弹的工作原理可知，末敏弹的稳态扫描过程能否达到设计要求，直接本科毕业设计说明书（论文）第5页共41页关系到末敏弹搜索跟踪目标的能力和弹的命中率，而决定稳态扫描的三个关键运动参数为末敏弹的落速、扫描角和转速。对上述参数的正确和精确测试不仅为末敏弹的合理设计提供了依据，而且能对末敏弹的战斗效果进行客观的评价。末敏弹稳态扫描参数测试技术不仅是末敏弹整个研究课题的一个配套且不可缺少的研究工作，而且其测试技术本身就是一个涉及光、机、电、算、气动力学等许多学科的高技术、高难度课题。该项技术成功可以推广到其他多用途导弹运动参数的测量以及对空间不定域物体飞行姿态的测量，具有重要的社会和经济效益。本科毕业设计说明书（论文）第6页共41页2地面标定系统总体方案设计由于对不同的弹体以及质量分布，地磁传感器的定标系数都是不同的，因此标定成了末敏弹测试任务中的关键部分。为了准确地测定末敏弹的定标系数，本文分别提出了静态标定系统和动态标定系统的设计方案。2.1静态标定系统的设计2.1.1固定转台标定方案转台由1KW交流调速电机通过皮带轮以及一对伞齿轮带动，将安装好地磁传感器和信号采集记录装置的末敏弹置于旋转平台上，弹的扫描角(即弹轴线与旋转轴夹角)可通过连接在其底部的调节螺钉利用横向推移精密调节。该装置虽能基本正确地模拟末敏弹的真实扫描运动，但末敏弹的自由度被限制，不能最大限度的模拟末敏弹的稳态扫描过程，由此也无法进行扫描角摆动频率的测定。实验装置如图2.1所示:图2.1固定旋转平台实验系统简图2.1.2便携式转台标定方案随着末敏弹总体的快速进展，靶场实测任务越来越多，因此为了方便地给末敏弹进行实地定标，便携式转台便应运而生。便携式转台必须重量轻，适应能力强，便于在野外工作，还必须考虑到转动惯量比的平衡以及调节角度必须大等特本科毕业设计说明书（论文）第7页共41页点。装置如图2.2所示，转台由手柄通过皮带轮以及齿轮带动弹仓转动，将装好黑匣子的末敏弹置入弹仓，弹仓的调节范围为0-90度。该装置虽然携带方便，能基本正确地模拟末敏弹的真实扫描运动，但末敏弹的自由度也被限制住，不能最大限度的模拟末敏弹的稳态扫描过程。图2.2便携式转台实验系统简图2.2动态标定系统的设计随着末敏弹总体工作的快速推进和研究的不断深入，对相应的测试工作提出了更高的要求，除正确和精确测试末敏弹稳态扫描过程的转速、扫描角和下落速度三个基本参数外，为确定最佳的决策方案，提高弹的命中率，就需要对伞弹系统的动力学特性有更清晰的了解。由此需要依靠动态标定系统，该系统的建立具有以下重要意义。（1）采用室内动态模拟仿真，不受气候等条件限制，可进行高密集度充分实验，实时测出末敏弹转速和扫描角随时间变化的关系曲线，研究伞弹系统的动力学特性，利用地磁传感器采样率高的特点(400Hz/通道)，探索扫描角摆频与子弹质量分布、悬挂方式等因素的关系，具有成本低、研究周期短等显著优点。（2）可采用辅助的扫描角、转速直接测量方法，如激光束同轴指示方法，验证动态条件下弹上姿态测试装置测量结果的可靠性和测量精度，使测试装置由目前的静态标定过渡到具有更高可信度的动态标定，为伞弹系统设计提供更切实可靠的测量数据。本科毕业设计说明书（论文）第8页共41页（3）通过对动态模拟测试结果的规律性分析，可为系统总体的火力决策提供有价值的参考，有助于最终实现弹的命中率的既定目标。（4）为伞弹系统动力学特性研究和系统总体性能评估的理论建模提供实验支持。基于本文采用的地面标定系统方案的考虑，动态标定系统明显优于静态标定系统，所以本设计选择动态标定系统方案。其采用末敏弹与吊装转台柔性连接的室内稳态扫描动态模拟装置。为模拟末敏弹在空中的旋转情况，选择电机通过锥齿轮带动；为不限制末敏弹的自由度，采用链条传动，它有足够的强度又有足够的可动性，比单纯的杆状连接的优点要多得多；通过改变链条的长度，来改变扫描角的摆动频率；为了能够模拟伞在空中的运动姿态，采用薄铜片，使它有很好的柔性。装置如图2.3所示。1吊装转台2柔性传动机构3伞盘4伞绳5末敏弹图2.3动态标定系统总体示意图2.3执行机构根据标定系统的设计要求，本机构设计应做以下几个基本的工作：（1）本设计要满足末敏弹稳态扫描时的转速要求，使其转速在允许范围内，同时使模拟弹扫描角能在一定范围内调节。（2）根据转动时所需的功率选择合适的电机。（3）设计减速箱，按规定的传动比设计，并要求传动平稳，自锁性能好，以提高传动精度，且结构合理，安排紧凑。本科毕业设计说明书（论文）第9页共41页（4）在满足以上的设计要求的基础上，选择材料，设计相关零部件，并进行强度、刚度的校核。（5）尽量选用标准件，减少材料消耗，减少加工量，降低成本，以满足实际加工需要。（6）整体设计要简单，结构要紧凑，布局要合理。根据末敏弹的工作原理设计了一种简