高动态离心试验载荷模拟实现方法

摘要

本发明公开了一种高动态离心试验载荷模拟实现方法，利用离心机吊篮和置于该吊篮内的飞行器来实现，包括以下步骤：首先将飞行器的轴向加速度、法向加速度、侧向加速度合成为飞行器合成加速度，将离心机坐标系下的向心加速度、切向加速度合成为离心机合成加速度；通过离心机合成加速度实现对飞行器合成加速度的模拟，实现飞行器三个方向变化加速度全时间历程的载荷模拟。本发明通过离心机合成加速度实现对飞行器合成加速度的模拟，实现飞行器三个方向变化加速度全时间历程的载荷模拟，使离心机切向加速度不会成为附加载荷。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟弹道飞行器全历程加速度及加速度变化率的离心试验 的载荷模拟实现方法，尤其涉及一种高动态离心试验载荷模拟实现方法。

背景技术

传统离心试验都是稳态离心试验，其试验原理是利用圆周运动的向心加速 度来模拟单一最严酷加速度环境(a＝ω²R，ω是离心机转臂的旋转角速度，R是 旋转半径)，能够实现高加速度环境的模拟，但不能模拟加速度变化率，所以稳 态离心试验方法不适用于变加速度环境模拟；飞行员或宇航员训练用的载人离 心机(或者“飞行模拟器”)和用于惯性仪表加速度计校准的精密离心机，这 两种设备有加速度变化率“g/s”这一指标，但载人离心试验主要用于飞行员过 载耐力选拔与训练和加速度生理学研究，其载荷实现原理与稳态加速度试验相 同，不考虑切向加速度影响，而精密离心机对惯性仪表加速度计进行校准(包 括静态校准和动态校准)时，只要求离心机提供的快速变化加速度作用于加速 度计输入轴方向，勿需考虑输入轴垂直方向上的加速度影响，而载荷模拟试验 是要求作用在产品上的所有方向载荷与给定载荷条件一致。可见，载人离心试 验方法和加速度计校准试验方法都不能应用于模拟武器机动弹道载荷的变加速 度离心试验。

高动态离心试验就是通过高动态离心机来实现快速变化惯性载荷的试验模 拟，其主要特点就是对加速度和加速度变化率(即加加速度)同时模拟。这里 的“高动态”是相对“稳态”而言，稳态离心试验模拟的是恒加速度，高动态 离心试验模拟的是变化的加速度(包括加速度大小和方向)，由于试验件三个方 向的加速度都在变化，所以飞行器坐标系下的合成加速度方向也是变化的；加 速度变化率即单位时间内加速度从一个稳态加速度条件变化到另一个稳态加速 度条件的变化量，“g/s”。

目前未见有用于武器系统加速度和加速度变化率同时模拟的高动态离心试 验载荷模拟实现方法的相关文献公开，更未见实际应用。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种高动态离心试验载荷模 拟实现方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种高动态离心试验载荷模拟实现方法，利用离心机吊篮和置于该吊篮内 的飞行器来实现，离心机吊篮相对于离心机转臂进行两个垂直方向的旋转：绕 飞行器轴线的旋转即第一旋转和离心机转臂旋转平面内的旋转即第二旋转；所 述高动态离心试验载荷模拟实现方法包括以下步骤：

(1)首先将飞行器的轴向加速度法向加速度侧向加速度合成 为一空间矢量即飞行器合成加速度将离心机坐标系下的向 心加速度切向加速度合成为离心机旋转平面内的矢量即离心机合成加速 度

(2)通过离心机合成加速度实现对飞行器合成加速度的模拟，实 现飞行器三个方向变化加速度全时间历程的载荷模拟；其中，通过控制离心机 转臂的转速ω(t)实现离心机合成加速度大小的控制，通过对所述第一旋转的 方向和所述第二旋转的方向的控制实现对离心机合成加速度方向的控制。

上述全历程的含义如下：整个时间历程任何时刻载荷与给定载荷条件一致， 同时模拟产品三个方向的加速度和加速度变化率，并保持各加速度方向的准确 性；切向加速度也不能被忽略。

作为优选，所述步骤(2)中，通过控制离心机转臂的转速ω(t)实现离心机 合成加速度大小的控制，采用以下公式计算所述离心机转臂的转速ω(t)的大 小：

a_nτ²＝a_xyz²

即${\left(R\stackrel{·}{\omega \left(t\right)}\right)}^2+{\left(\mathrm{R\omega }{\left(t\right)}^2\right)}^2=a_x^2+a_y^2+a_z^2$

其中，R表示离心机旋转半径，a_x、a_y、a_z分别表示轴向加速度的 大小、法向加速度的大小、侧向加速度的大小。

所述步骤(2)中，通过对所述第一旋转的方向和所述第二旋转的方向的控 制实现对离心机合成加速度方向的控制，所述第一旋转的角度α和所述第 二旋转的角度θ分别采用以下公式计算：

$\alpha =\arctan \left(\frac{a_y}{a_x}\right)$

$\theta =\beta +(\frac{\pi }{2}-\gamma )=\frac{\pi }{2}+\arctan \left(\frac{a_{\tau }}{a_n}\right)-\arctan \left(\frac{a_x}{a_{\mathrm{yz}}}\right)$

其中，β表示离心机合成加速度与离心机坐标系下的向心加速度之 间的夹角，γ表示飞行器合成加速度与飞行器的法向/侧向加速度之间 的夹角，飞行器的法向/侧向加速度表示飞行器的法向加速度和侧向加速 度的合成加速度，a_yz表示飞行器的法向/侧向加速度的大小， a_x、a_y、a_z分别表示飞行器的轴向加速度的大小、法向加速度的大小、 侧向加速度的大小，a_τ、a_n分别表示离心机坐标系下的切向加速度向 心加速度的大小。

本发明的有益效果在于：

本发明通过离心机合成加速度实现对飞行器合成加速度的模拟，实 现飞行器三个方向变化加速度全时间历程的载荷模拟，使离心机切向加速度不 会成为附加载荷，更具体而言，通过对离心机转臂的转速ω(t)、绕飞行器轴线的 旋转即第一旋转的角度α、离心机转臂旋转平面内的旋转即第二旋转的角度θ这 三个参数的控制，实现飞行器三个方向变化加速度全时间历程的载荷真实模拟， 适用于高动态离心试验，可应用于载人离心机、飞行模拟器等其它变加速度试 验技术中。

附图说明

图1是本发明所述高动态离心试验载荷模拟原理图；

图2是本发明所述飞行器的法向/侧向加速度的合成原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1和图2所示，本发明所述高动态离心试验载荷模拟实现方法，利用 离心机吊篮2和置于该吊篮2内的飞行器1来实现，离心机吊篮2相对于离心 机转臂3进行两个垂直方向的旋转：绕飞行器1轴线的旋转即第一旋转和离心 机转臂3旋转平面内的旋转即第二旋转；所述高动态离心试验载荷模拟实现方 法包括以下步骤：

(1)首先将飞行器的轴向加速度法向加速度侧向加速度合成 为一空间矢量即飞行器合成加速度将离心机坐标系下的向 心加速度切向加速度合成为离心机旋转平面内的矢量即离心机合成加速 度

(2)通过离心机合成加速度实现对飞行器合成加速度的模拟，实 现飞行器三个方向变化加速度全时间历程的载荷模拟；其中，通过控制离心机 转臂的转速ω(t)实现离心机合成加速度大小的控制，通过对所述第一旋转的 方向和所述第二旋转的方向的控制实现对离心机合成加速度方向的控制；

所述步骤(2)中，采用以下公式计算所述离心机转臂的转速ω(t)的大小：

a_nτ²＝a_xyz²

即${\left(R\stackrel{·}{\omega \left(t\right)}\right)}^2+{\left(\mathrm{R\omega }{\left(t\right)}^2\right)}^2=a_x^2+a_y^2+a_z^2$

其中，R表示离心机旋转半径，a_x、a_y、a_z分别表示轴向加速度的 大小、法向加速度的大小、侧向加速度的大小；

所述第一旋转的角度α和所述第二旋转的角度θ分别采用以下公式计算：

$\alpha =\arctan \left(\frac{a_y}{a_x}\right)$

$\theta =\beta +(\frac{\pi }{2}-\gamma )=\frac{\pi }{2}+\arctan \left(\frac{a_{\tau }}{a_n}\right)-\arctan \left(\frac{a_x}{a_{\mathrm{yz}}}\right)$

其中，β表示离心机合成加速度与离心机坐标系下的向心加速度之 间的夹角，γ表示飞行器合成加速度与飞行器的法向/侧向加速度之间 的夹角，飞行器的法向/侧向加速度表示飞行器的法向加速度和侧向加速 度的合成加速度，a_yz表示飞行器的法向/侧向加速度的大小， a_x、a_y、a_z分别表示飞行器的轴向加速度的大小、法向加速度的大小、 侧向加速度的大小，a_τ、a_n分别表示离心机坐标系下的切向加速度向 心加速度的大小。

利用离心机的向心加速度切向加速度合成的离心机合成加速度模拟飞行器的轴向加速度法向加速度侧向加速度合成的飞行器合成 加速度从而使离心机切向加速度不会成为附加载荷；说明：离心机模拟 惯性载荷的缺陷就是产生附加的切向载荷，该方法将切向加速度作为合成加速 度分量，将无附加载荷的存在。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制， 只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视 为落入本发明专利的权利保护范围内。