一种应用于航天器空投试验的降落伞开伞力测量系统及方法

摘要

一种应用于航天器空投试验的降落伞开伞力测量系统及方法，拉力传感器一端通过第一转换接头与降落伞吊带安装连接；另一端通过第二转换接头及转换连接吊带与舱体上的降落伞连接分离机构对接安装；拉力传感器上的数据电缆通过分离电连接器安装固定在舱体上；分离电连接器拉绳套接在第二转换接头的绳销上；降落伞拉出伞舱，解除收口后充气张满，拉力传感器测量降落伞开伞过程的开伞力，并通过数据电缆将数据经分离电连接器输入到内记录器进行存储；降落伞按照预定工作程序与舱体分离的同时，通过拉动分离电连接器拉绳，使分离电连接器与舱体分离；舱体落地后，从内记录器中读取数据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种数据测量采集系统，特别是一种适用于返回式航天 器空投试验的全程跟踪、实时测量并记录降落伞开伞力测量方法。

背景技术

到目前为止，在降落伞的工程设计和分析过程中，通常仍采用的是 半经验半理论方法，试验研究仍然是降落伞的主要研究手段。其中，约 束(系留)试验方法中的风洞试验和非约束自由飞行试验方法中空投试 验是降落伞性能研究试验中最常用的两种试验方法。风洞试验可研究大 量与开伞过程相关的气动特性与伞衣结构对其的影响；而空投试验则有 降落伞与载荷系统的运动不受外界约束的优点，保证了整个降落伞系统 工作的真实性。降落伞的开伞是个复杂的物理过程，由拉直、充气、稳 定三个阶段组成。降落伞开伞过程中测量开伞过载能够为降落伞性能或 进行故障分析及理论研究提供依据。即使在设计仿真的基础上，也需要 通过不断试验，用真实试验数据进行修正，逐步建立较为完善的数学模 型。

随着科技的进步和测量技术的发展，在测量降落伞开伞过载提出了 新的技术和方法。如由唐明章、竺梅芳在2010年第二十三届全国空间探 测学术交流会发表的《一种测量柔性充气展开结构应力应变的新型传感 器系统》一文，以及由黎敏、李玉林发表的《嵌入式光纤传感系统在降 落伞盖材料应力分布动态测量中的应用》一文中，结合国外最新的MPD 和FBG光纤传感技术，提出了一种全新的能够在降落伞充气过程中测量 伞衣和伞绳应力和应变的方法，该方法在测量对象表面植入光纤传感器， 对应变和应力进行测量，通过使用不同配置的光纤传感器可以对伞衣和 伞绳上的静态和动态载荷进行测量。虽然通过原理性实验验证，但是将 降落伞上的全部光纤传感器组成遥测网络系统以进行多目标、多参数测 量与控制还有待展开深入研究。目前我国在该领域尚未开展研究，能力 较为匮乏。

在由李军，许屏发表的《一种基于GPS数据计算降落伞过载的方法》 一文中，针对目前国内降落伞测量技术的现状，提出了一种基于GPS数 据计算降落伞过载的新方法。该方法利用GPS速度数据进行后处理，通 过数值微分的方法，计算出降落伞系统的运动加速度，进一步计算出降 落伞的开伞过载。试验计算结果表明此方法是可行性的，但由于缺少测 量技术设备，该结果的准确性还有待进一步检验。在航天器空投试验中， 试验舱在飞机弹舱或货舱中，GPS信号被屏蔽，试验舱离机后，GPS在 热启动条件下需要20s才能重新捕捉到卫星信号，冷启动条件下则需要 60s。而正常情况下，从弹出引导伞到主伞开伞过程只有不到30s，因此， 该方法无法满足航天器空投试验测量降落伞开伞过载的要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：立足我国现有的降落伞开伞过载测量技 术，结合航天器回收系统的研制特点，采用了一种简单有效、可实现全 程跟踪、实时测量并记录降落伞开伞力测量方法。

本发明的技术解决方案是：一种应用于航天器空投试验的降落伞开 伞力测量系统，包括：第一转换接头、拉力传感器、第二转换接头、转 换连接吊带、数据电缆、分离电连接器、分离电连接器拉绳、以及安装 在舱体内的测量电源和内记录器；

拉力传感器一端通过第一转换接头与降落伞吊带安装连接；另一端 通过第二转换接头及转换连接吊带与舱体上的降落伞连接分离机构对接 安装；拉力传感器上的数据电缆通过分离电连接器安装固定在舱体上； 分离电连接器拉绳套接在第二转换接头的绳销上；降落伞拉出伞舱，解 除收口后充气张满，拉力传感器测量降落伞开伞过程的开伞力，并通过 数据电缆将数据经分离电连接器输入到内记录器进行存储；降落伞按照 预定工作程序与舱体分离的同时，通过拉动分离电连接器拉绳，使分离 电连接器与舱体分离；舱体落地后，从内记录器中读取数据。

还包括固定在试验舱壁上的测量电路开关，测量电路开关与测量电 源连接；空投后，在预设的时间内通过打开测量电路开关，使得测量电 源开始为内记录器供电

所述的传感器量程为0～150kN，内记录器采样频率不小于500Hz。

所述的内记录器通过其内置应变放大器对拉力传感器输出的应变拉 力信号进行调理放大，放大后的信号经过数模转换电路转换为可采集的 数字信号，然后该数据被存入内记录器的存储模块，舱体落地后，从内 记录器读取数据。

所述的分离电连接器拉绳的长度要比转换连接吊带受力拉伸后长度 大20mm～30mm。

一种应用于航天器空投试验的降落伞开伞力测量方法，步骤如下：

(1)根据降落伞的设计参数选择不同量程的拉力传感器，将拉力传 感器一端通过第一转换接头与降落伞吊带安装连接，另一端通过第二转 换接头及转换连接吊带与舱体上的降落伞连接分离机构对接安装；

(2)对接圆形分离电连接器，将拉力传感器与内记录器之间的电缆 通过圆形分离电连接器连接起来；

(3)根据降落伞脱伞方向确定圆形分离电连接器的安装方向，并将 圆形分离电连接器拉杆端的拉环上套接拉绳，然后将拉绳连接在转换接 头的绳销上；

(4)将圆形分离电连接器固定在试验舱体的端框上；内记录器、测 量电源固定在试验舱内的仪器板上；

(5)试验舱体离机投放，降落伞开伞，解除收口后充气张满，连接 在降落伞吊带上的拉力传感器测量降落伞开伞过程的开伞力，并通过数 据电缆将数据经圆形分离电连接器输入到内记录器进行存储；降落伞按 照预定工作程序与舱体分离的同时，通过拉动圆形分离电连接器拉绳， 使圆形分离电连接器与舱体分离；舱体落地后，读取内记录器中数据。

在步骤(4)与步骤(5)之间，先将测量电路开关固定在试验舱壁 上，测量电路开关在于测量电源连接；试验舱体离机投放后，预设的时 间内，打开测量电路开关，控制测量电源开始供电。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明中采用拉力传感器、数据电缆、内记录器、圆形分离电 连接器，将降落伞开伞过程中拉力传感器输出的微小的应变信号，通过 数据电缆经圆形分离电连接器传输至内记录器，内记录器通过其内置应 变放大器对拉力传感器输出的应变信号进行放大，形成能够被内记录器 接收的电压信号，然后经过内记录器里的数模转换电路将上述电压模拟 信号转换成数字信号并存储到内记录器的存储模块中，以实现海量测量 数据的传输与记录。

(2)本发明中采用圆形分离电连接器，当降落伞根据工作程序脱伞 时，拉力传感器上的数据电缆通过圆形分离电连接器及时解锁，脱离试 验舱，能够实时测量降落伞的开伞过载，保证测量数据的连续性和有效 性，保证降落伞正常开伞程序。同时，圆形分离电连接器能够重复使用， 有效节约试验成本和缩短试验周期。

(3)本发明已在航天器、航空器及武器装备等多个型号回收系统的 空投试验中得到推广使用，成功实现对降落伞开伞过载，如减速伞、主 伞及垂挂转换的全程跟踪、实时测量并记录，工作可靠，为降落伞设计 的研究改进提供了宝贵数据。

(4)本发明立足于我国基本国情，结合航天器降落伞系统的工作特 点和试验要求，能够全程跟踪、准确测量、实时记录减速伞或主伞开伞 过程的动态载荷数据，并能够保证部分测量设备跟随降落伞按照预定开 伞程序及时、可靠地脱离试验舱体。结构简单，经济实用、安装方便， 数据真实准确、分离时同步性好，对降落伞开伞干扰小，可重复使用。 在航天器、航空器及武器装备等多个型号回收系统的空投试验中得到普 遍应用。

附图说明

图1为本发明测量方法结构组成图；

图2a、2b分别为本发明中FD-20T、FD-20Z外形及安装尺寸图。

具体实施方式

如图1所示为本发明测量方法结构组成图，图2a、2b为本发明 FD-20T、FD-20Z外形及安装尺寸图。其中1为第一转换接头、2为拉 力传感器、3为第二转换接头、4为转换连接吊带、5为数据电缆、7为 圆形分离电连接器、6为圆形分离电连接器拉绳、8为试验舱体、9为测 量电源、10为内记录器、11为测量电路开关、12为降落伞。

拉力传感器2一端通过第一转换接头1与降落伞吊带安装连接，另 一端通过第二转换接头3及转换连接吊带4与试验舱体上的降落伞连接 分离机构对接安装。圆形分离电连接器7分别采用FD-20Z插座与 FD-20T插头。圆形分离电连接器7通常固定在试验舱体的端框上。具体 安装位置根据试验舱结构、伞舱位置、降落伞开伞路径确定，既要保证 分离时拉力与插头座轴心线方向一致，又要避免降落伞在开伞过程中与 圆形分离电连接器碰撞，导致圆形分离电连接器受损。内记录器10、测 量电源9固定在试验舱内的仪器板上。测量电路开关11固定在试验舱壁 上。当飞机飞行至靶场上空实施投放，模型脱离飞机数秒后，拔出的测 量电路开关11的拔销，测量设备触发记录。

圆形分离电连接器7采用杭州航天电子技术有限公司的FD-20圆形 分离电连接器，由FD-20Z插座与FD-20T插头两部分组成，插头和插座 通过连接螺帽进行对接，连接螺帽和FD-20T插头采用滚珠作可分离式 的结合。拉力传感器2上的数据电缆5通过FD-20Z插座与FD-20T插 头对接，数据电缆5的长度要略大于转换连接吊带4受力拉伸后长度， 避免数据电缆受力拉断。

圆形分离电连接器对接后，FD-20T插头一端朝向降落伞脱离试验舱 时的运动方向，FD-20T插头拉杆的拉环上套接拉绳6，拉绳6另一端套 接在第二转换接头3的绳销上，拉绳6的长度要比转换连接吊带4受力 拉伸后长度大20mm～30mm，能够使FD-20Z插座与FD-20T插头及时 分离，避免在降落伞开伞过程中提前解锁，测量数据无法传输。

拉力传感器2量程为0～150kN，采样频率不小于500Hz，第一转换 接头1具体结构需要与降落伞吊带匹配接口，其抗拉强度为 10000N～170000N，第二转换接头3通过转换连接吊带与降落伞连接分 离机构连接，第二转换接头3与转换连接吊带的抗拉强度均为 10000N～170000N。

测量电源9、内记录器10安装在舱体内的仪器板上。测量电源9为 内记录器10供电。试验过程中，按照工作程序，降落伞拉出伞舱，解除 收口后充气张满，拉力传感器2测量降落伞开伞过程中的开伞力输出一 个微小的应变拉力信号，通过数据电缆经圆形分离电连接器传输至内记 录器，内记录器通过其内置应变放大器对该应变信号进行放大，形成能 够被内记录器接收的电压信号，然后通过数模转换电路将该电压模拟信 号转换成数字信号存储到内记录器的存储模块中。降落伞按照工作程序 与降落伞连接分离机构(舱体)分离的同时，拉动连接在第二转换接头3 绳销上的拉绳6，使FD-20Z插座与FD-20T插头解锁分离。舱体落地后， 从内记录器上读取数据并存储在计算机中。

本发明设计一种应用于航天器空投试验的降落伞开伞力测量方法， 具体步骤为：

(1)根据降落伞12的设计参数合理选择不同量程的拉力传感器2， 将拉力传感器2一端通过第一转换接头1与降落伞吊带安装连接，另一 端通过第二转换接头3及转换连接吊带4与舱体上的降落伞连接分离机 构对接安装；

(2)对接圆形分离电连接器7，将拉力传感器2与内记录器10之 间的电缆通过圆形分离电连接器7连接起来，具备传输数据的功能；

(3)根据降落伞脱伞方式确定圆形分离电连接器7的安装方向，并 将圆形分离电连接器拉杆端的拉环上套接拉绳6，然后将拉绳6连接在第 二转换接头3的绳销上；

(4)圆形分离电连接器7固定在试验舱体的端框上；

(5)内记录器10、测量电源9固定在试验舱内的仪器板上。测量 电路开关11固定在试验舱壁上，测量电路开关11与测量电源9连接。

(6)试验舱体离机投放，降落伞12开伞，解除收口后充气张满， 连接在降落伞吊带上的拉力传感器2测量降落伞开伞过程的开伞力，并 通过数据电缆将数据经圆形分离电连接器7输入到内记录器10进行存 储。降落伞12按照预定工作程序与舱体分离的同时，通过拉动圆形分离 电连接器拉绳，使圆形分离电连接器7与舱体分离。舱体落地后，读取 内记录器中数据并贮存在计算机中。

飞机飞行至靶场上空实施投放，模型脱离飞机数秒后，通过连接在 飞机上的绳索拔出的测量电路开关的拔销，测量设备触发记录。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技 术。