遙測技術在火箭發(fā)動機過載試驗中的應用

   導彈在機動飛行過程中，機動過載將對發(fā)動機的結構和燃燒室燒蝕區(qū)域造成影響。發(fā)動機過載臺通過高速旋轉從而對發(fā)動機產(chǎn)生離心力，以模擬發(fā)動機在工作過程中的橫向過載。當發(fā)動機的過載達到設定值時，發(fā)動機點火工作。試驗過程中，需要實時監(jiān)控和記錄發(fā)動機的溫度、壓強、應變、過載、轉速等信號。過載臺高速旋轉時的工作狀況決定了信號的測量只能采用非接觸方式，應用無線電遙測技術是實現(xiàn)發(fā)動機過載試驗非接觸測量較理想的選擇。

1 發(fā)動機過載試驗臺遙測系統(tǒng)的特點

   發(fā)動機過載試驗臺遙測系統(tǒng)由遙測發(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)實驗室布局和設備的需要，遙測發(fā)射單元位于旋轉臺轉軸的中心，并隨著過載臺一起轉動。接收天線安裝在距試驗臺15 m距離的墻壁上。出于安全需要，由遙測接收機和同步解調器組成的遙測數(shù)據(jù)處理單元位于過載實驗室隔壁房間。遙測設備分布如圖2所示，試驗現(xiàn)場實景見圖3?？梢钥闯觯l(fā)動機過載臺遙測系統(tǒng)將承受多徑衰落和發(fā)動機噴焰的影響。

1.1 多徑衰落

    發(fā)動機過載試驗間四面是鋼筋混凝土防爆墻，房頂為可移動的半開放空間，試驗轉臺全部為金屬框架，轉臺最高轉速為300 r／min，發(fā)射天線距發(fā)動機尾噴口0.5～2 m。在這種工作環(huán)境下，多徑信號主要來自實驗室地面、墻壁，以及試驗臺和發(fā)動機噴焰的反射波。隨著試驗臺的高速旋轉，進入接收天線的多徑合成信號將發(fā)生快速時變，因此遙測信道是快速時變的多徑信道。

1.2 發(fā)動機噴焰影響

   固體火箭發(fā)動機噴焰是一種高濃度、高碰撞、劇烈湍動的不均勻等離子體。無線電遙測信號通過發(fā)動機噴焰時，將產(chǎn)生衰落、反射、相移、調制噪聲等變化。此外，隨著試驗臺高速旋轉，噴焰將以最高5次／s的頻率阻斷直射波通道，因此，噴焰對遙測信號的影響具有快速時變衰落特點。

2 遙測系統(tǒng)設計方案

針對過載試驗臺遙測系統(tǒng)的特點，為了克服高速旋轉、多徑衰落和發(fā)動機噴焰的影響，本方案在遙測發(fā)射單元結構和電路布局、收發(fā)天線設計、信道編碼、系統(tǒng)設計等方面分別采取了相應的措施。

2.1 發(fā)射單元結構和電路布局設計

發(fā)動機在高速旋轉時將產(chǎn)生較大的離心力，該離心力以過載形式施加到遙測發(fā)射單元的各個部分。另外，發(fā)動機點火后，噴焰產(chǎn)生的高分貝噪聲會引起高頻振動。如圖4所示，遙測發(fā)射單元在結構、電路布局中采取以下措施，有效降低了過載和高頻振動的影響。

(1)外形采用圓錐體結構，有利于提高旋轉時的機體的穩(wěn)定性。

(2)電路板位于試驗臺中心、水平安裝并與轉軸垂直，該方式消除了試驗臺高速旋轉對電路板產(chǎn)生的扭轉力矩。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，遙測發(fā)射單元與試驗臺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)天線設計

為了降低過載試驗臺和房頂?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，有利于過載臺在高速旋轉時遙測信號穩(wěn)定接收；在垂直方向上，上下方向各有一個較深的零陷，有利于抑制發(fā)射信號在試驗臺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，有利于抑制主波束外反射波的能量。

2.3 信道編碼

遙測數(shù)據(jù)在傳輸過程中，由于多徑衰落和發(fā)動機噴焰的影響，存在隨機性和突發(fā)性錯誤。本系統(tǒng)采用級聯(lián)碼+交織編碼進行前向糾錯，外碼為(204， 188)RS碼，內(nèi)碼為2／3卷積碼。由于RS碼適用于檢測和校正傳輸過程中的突發(fā)性錯誤，卷積碼擅長糾正隨機錯誤，因此二者相結合的級聯(lián)碼既能夠糾正隨機錯誤，又能夠糾正突發(fā)錯誤，適合于過載臺遙測信道的特性。為了盡量提高可糾錯的突發(fā)誤碼長度，使突發(fā)錯誤隨機化分布，本方案采用螺旋交織編碼，交織深度為256 B。經(jīng)測試，采用級聯(lián)碼后，可以獲得6.3 dB的編碼增益。

2.4 系統(tǒng)設計中的幾個關鍵技術

(1)強、弱電信號隔離

由于過載臺的高壓變頻器、驅動電機等強電壓設備在運轉中將對遙測設備的弱電信號造成干擾，如果處理不當，將大大降低遙測信號的采集精度，甚至使遙測功能喪失。因此，強電和弱電信號的隔離將直接影響遙測系統(tǒng)的性能。本設計采取以下隔離措施，較好地解決了強弱電隔離問題：

①遙測發(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量精度和數(shù)據(jù)采集精度。正式試驗前，充電器通過集流環(huán)對鋰電池充電，試驗開始后，充電回路斷開，鋰電池為遙測發(fā)射單元輸出電源。此外，遙測發(fā)射單元與過載臺固定端由絕緣減振墊隔離，使遙測發(fā)射單元電源地與過載臺強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途徑；

②遙測發(fā)射單元全金屬殼體屏蔽，杜絕了強電設備在空間產(chǎn)生的強電磁場對遙測弱電支路的干擾。

(2)遙測系統(tǒng)各部分增益分配

根據(jù)無線通信理論，無線電自由空間損耗Lp=(4πR)2／λ2，其中R為有效傳輸距離，λ為射頻信號波長。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，接收機靈敏度Pr=-115 dB，電纜損耗L∑=15 dB。根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，發(fā)動機噴焰和多徑效應對無線遙測信號產(chǎn)生的峰值衰落Ld=38 dB。考慮到級聯(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，并具有足夠的設計裕度。

3 結 語

針對火箭發(fā)動機過載試驗臺遙測信道的特點，通過科學分配系統(tǒng)參數(shù)，合理選擇收發(fā)天線類型，并采用級聯(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無線電遙測信號的影響。目前，本遙測系統(tǒng)已在火箭發(fā)動機過載試驗中成功應用，充分驗證了其設計的合理性和正確性，并為其他遙測系統(tǒng)的設計提供了有益的參考。