陳 棟，鄧坤秀，李 佳，徐 勇，梁 浩

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小型電爆閥中火工品輸出壓力測試方法研究

陳 棟，鄧坤秀，李 佳，徐 勇，梁 浩

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽，621999）

根據(jù)小型電爆閥中火工品輸出壓力測試需求，設計了測壓系統(tǒng)。針對測壓系統(tǒng)存在動態(tài)響應不足的問題，采用動態(tài)校準及動態(tài)補償方法，改善了測壓系統(tǒng)的動態(tài)性能。試驗結(jié)果表明，測壓系統(tǒng)的動態(tài)性能指標滿足要求，可滿足小型電爆閥中火工品輸出壓力測試需要。

電爆閥；輸出壓力測試；動態(tài)補償

電爆閥利用火工品輸出高壓燃氣作為動力源完成閥門啟閉功能，因其高可靠性、小體積、長時貯存穩(wěn)定性等特點，在航空航天、國防和工業(yè)領域得到了廣泛的應用。在電爆閥研制中亟需準確獲得火工品輸出壓力數(shù)據(jù)，然而小型電爆閥閥體結(jié)構(gòu)復雜、尺寸小，火工品輸出燃氣壓力峰值高（數(shù)百MPa）且上升時間快（約數(shù)十μs），同時電爆閥動作歷時短（約數(shù)百μs）且伴隨瞬時高溫和加速度沖擊，給火工品輸出壓力準確測試帶來挑戰(zhàn)[1]。本文開展小型電爆閥中火工品輸出壓力測試方法研究，為其研制提供支撐。

1 測試系統(tǒng)設計

考慮到火工品在電爆閥中爆燃輸出壓力分布不均勻，并且電爆閥做功壓力主要為運動部件頂端壓力，目前，比較可行的是采用側(cè)壁引壓測試方式，即在電爆閥閥體側(cè)壁補加工引壓管道進行測試，并以該測試結(jié)果作為運動部件頂端壓力的近似。側(cè)壁引壓測試結(jié)果與運動部件頂端壓力的近似程度一方面可通過運動部件VISAR測速結(jié)果驗證，另一方面可借助于電爆閥動作過程數(shù)值模型進行分析[2]。

電爆閥中火工品輸出壓力測試系統(tǒng)主要由電爆閥試驗件（含火工品）、試驗夾具、動壓傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集儀等組成，如圖1所示。動壓傳感器及相關設備性能參數(shù)見表1。圖1中，試驗夾具用于實現(xiàn)動壓傳感器與電爆閥試驗件的裝配，保證測試過程中動壓的密封；電爆閥試驗件上補加工引壓管道，引壓管道的加入使得電爆閥中火工品輸出壓力測試成為可能，但是增大了火工品作用時的自由容腔。為了減小其引入的測試誤差，要求引壓管道直徑盡可能小，而小直徑引壓管道由于固有頻率低，會使系統(tǒng)的動態(tài)特性大大降低。

圖1 電爆閥中火工品輸出壓力測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 動壓測試系統(tǒng)各組件及主要技術指標

Tab.1 Main parameters of pressure testing system components

動壓傳感器安裝之后，引壓管道的固有頻率0為[3]：

式（1）中：為引壓管道中介質(zhì)聲速；為引壓管道的截面積，即=π12/4，1為引壓管道直徑；為引壓管道的長度；V為引壓管道的有效容積，即V=+/2，其中為引壓管道末端與傳感器承壓端面形成的空腔容積。

根據(jù)電爆閥試驗件閥體結(jié)構(gòu)尺寸，設計引壓管道直徑1為1.5mm，引壓管道長度約2.7mm，空腔容積為10mm3?？紤]引壓管道中為空氣介質(zhì)，根據(jù)式（1）計算得到引壓管道的固有頻率約12.4kHz。

2 測試系統(tǒng)建模

電爆閥中火工品輸出壓力信號具有上升時間短、壓力峰值高的特點，要求測試系統(tǒng)的工作頻帶寬、響應速度快。然而，引壓管道的加入大大限制了測試系統(tǒng)的頻響。為了保證測試結(jié)果的準確性，需要對測試系統(tǒng)的動態(tài)特性進行研究，確定是否滿足測試需求。

2.1 動態(tài)校準

采用激波管對測試系統(tǒng)進行動態(tài)校準，激波管可產(chǎn)生較為理想的階躍壓力，壓力幅度范圍寬，頻率范圍廣（最高~2.5MHz）[4]?？紤]到引壓管道對整個測試系統(tǒng)頻響的限制，動態(tài)校準時，根據(jù)電爆閥試驗件上引壓管道的結(jié)構(gòu)尺寸設計引壓管道模擬件，將該模擬件與動壓傳感器裝配后形成測壓組件后進行動態(tài)校準。校準時，數(shù)據(jù)采樣率設置為5MHz，校準壓力盡可能大，以提高輸出信號信噪比。

2.2 建立數(shù)學模型

數(shù)學模型能簡明、準確地描述測試系統(tǒng)的主要特性。本文選用輸出誤差模型（OE）對測壓組件進行建模：

通過對動態(tài)校準數(shù)據(jù)進行歸一化、濾波及降采樣率處理，經(jīng)計算得到離散傳遞函數(shù)為：

在階躍信號作用下，傳遞函數(shù)響應值與被校件激波管校準響應數(shù)據(jù)對比見圖2。

由圖2可以看出，模型計算結(jié)果與動態(tài)校準實驗結(jié)果比較吻合，模型的損失函數(shù)為0.005，零極點全部位于單位圓內(nèi)，說明模型系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

基于上述模型進一步計算得到其幅頻特性曲線，見圖3。由圖3可知，幅頻特性曲線中峰值對應的諧振頻率為7.28×104rad/s（約11.6kHz），與計算的理論固有頻率12.4kHz較為接近。幅值誤差為±5%的工作頻帶為2.38×104rad/s（約3.8kHz），幅值誤差為±10%的工作頻帶為3.08×104rad/s（約4.9kHz）。

圖3 由模型計算的幅頻特性

2.3 模型補償校正

對測壓組件離散傳遞函數(shù)的極點進行分析，響應時間最大達到約1.1ms，而電爆閥測速結(jié)果表明其運動部件至停位時間約100μs、火工品在定容腔（容積同電爆閥中運動部件停位后最大容積）中輸出壓力上升時間約30μs，以測壓組件的響應時間不大于10μs為補償校正目標基本可滿足火工品輸出壓力準確測試的要求。由于傳遞函數(shù)的極點分布與系統(tǒng)的動態(tài)性能密切相關，采用零極點相消方法設計動態(tài)補償濾波器，消除不符合要求的極點，可改善系統(tǒng)的動態(tài)性能[5]。根據(jù)動態(tài)補償濾波器的設計原理，通過多次調(diào)整阻尼比與響應時間的值，得到較為理想的動態(tài)補償濾波器的傳遞函數(shù)為：

式（3）與式（4）相乘即可得到補償后等效系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，補償前后的幅頻特性曲線見圖4，補償前后階躍響應曲線的對比見圖5。

補償后，系統(tǒng)階躍響應的超調(diào)量及響應時間均大幅減小。其中，超調(diào)量從補償前的約43%降低到補償后的約2%，響應時間從補償前接近ms量級降低至10μs以內(nèi)。由補償前后的幅頻特性曲線可知，補償后系統(tǒng)的幅值曲線變得平坦，幅值誤差為±5%的工作頻帶由2.38×104rad/s（約3.8kHz）提高到2.28×105rad/s（約36kHz），幅值誤差為±10%的工作頻帶由3.08×104rad/s（約4.9kHz）提高到約2.82×105rad/s（約45kHz）。

圖5 補償前后測壓組件的階躍響應曲線

3 試驗數(shù)據(jù)處理

對電爆閥中火工品實測壓力歷程數(shù)據(jù)用式（4）描述的動態(tài)補償濾波器進行補償校正。補償前后的壓力曲線對比見圖6。由圖6可知，補償修正后，實測壓力最大值有所減小，由補償前的238MPa減小到約190MPa。

圖6 實測壓力曲線修正前后對比

4 結(jié)論

（1）小型電爆閥中火工品輸出壓力測試系統(tǒng)中的引壓管道會大幅降低整個系統(tǒng)的動態(tài)性能，為減小應用時的動態(tài)測試誤差，需對整個測試系統(tǒng)特別是引壓管道連同動壓傳感器部分的動態(tài)性能進行校準，分析其動態(tài)特性并進行動態(tài)性能補償。

（2）測試系統(tǒng)動態(tài)性能補償前后的結(jié)果表明，本文采用的動態(tài)性能補償方法可以拓展整個系統(tǒng)的工作頻帶，提高小型電爆閥中火工品輸出壓力測試數(shù)據(jù)的準確度。

[1] A.Dibbern,W.Spipes,M.Hagopian. Implications of dynamic pressure transducer mounting variations on measurements in pyrotechnic test apparatus[C]//45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit,2009.

[2] J M.Tafoya,J I.Tafoya,M A.Inbody.Pyrovalve function testing using gas gun actuation[C]//43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2007.

[3] Todd E.Rosenberger, Joseph W. Colburn, Carl R. Ruth. Pressure transducer performance and measurement trade-offs in a transient, high temperature, combustion environment[R]. ARL-TR-914, 1995

[4] 孔德仁. 兵器動態(tài)參量測試技術[M].北京:北京理工大學出版社, 2013.

[5] 黃俊欽.測試系統(tǒng)動力學及應用[M].北京:國防工業(yè)出版社, 2013.

Research on Deflagrable Gas Output Pressure Testing Method for Small Explosively Actuated Valve

CHEN Dong，DENG Kun-xiu，LI Jia，XU Yong，LIANG Hao

（Institute of System Engineering, CAEP, Mianyang, 621999）

According to the pressure testing requirements of the small explosively actuated valve, deflagrable gas output pressure testing system was designed. To solving the insufficient dynamic response of the system, dynamic calibration experiments were carried out and the dynamic compensation method was adopted. The results show that the dynamic properties of the pressure testing system are good, thereby, the system can fulfill the pressure testing requirements of the explosively actuated valve.

Explosively actuated valve；Deflagrable gas output pressure testing；Dynamic compensation

TJ450.6

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.06.012

1003-1480（2017）06-0045-04

2017-08-30

陳棟（1986 -），男，工程師，主要從事電爆閥設計及研究。