遥测技术在火箭发动机过载试验中的应用

遥测技术在火箭发动机过载试验中的应用

导弹在机动飞行过程中，机动过载将对发动机的结构和燃烧室烧蚀区域造成影响。发动机过载台通过高速旋转从而对发动机产生离心力，以模拟发动机在工作过程中的横向过载。当发动机的过载达到设定值时，发动机点火工作。试验过程中，需要实时监控和记录发动机的温度、压强、应变、过载、转速等信号。过载台高速旋转时的工作状况决定了信号的测量只能采用非接触方式，应用无线电遥测技术是实现发动机过载试验非接触测量较理想的选择。

　　1 发动机过载试验台遥测系统的特点

　　发动机过载试验台遥测系统由遥测发射单元和数据接收及处理单元组成，系统组成原理如图1所示。

　　根据实验室布局和设备的需要，遥测发射单元位于旋转台转轴的中心，并随着过载台一起转动。接收天线安装在距试验台15 m距离的墙壁上。出于安全需要，由遥测接收机和同步解调器组成的遥测数据处理单元位于过载实验室隔壁房间。遥测设备分布如图2所示，试验现场实景见图3。可以看出，发动机过载台遥测系统将承受多径衰落和发动机喷焰的影响。

　　1.1 多径衰落

　　发动机过载试验间四面是钢筋混凝土防爆墙，房顶为可移动的半开放空间，试验转台全部为金属框架，转台最高转速为300 r／min，发射天线距发动机尾喷口0.5～2 m。在这种工作环境下，多径信号主要来自实验室地面、墙壁，以及试验台和发动机喷焰的反射波。随着试验台的高速旋转，进入接收天线的多径合成信号将发生快速时变，因此遥测信道是快速时变的多径信道。

　　1.2 发动机喷焰影响

　　固体火箭发动机喷焰是一种高浓度、高碰撞、剧烈湍动的不均匀等离子体。无线电遥测信号通过发动机喷焰时，将产生衰落、反射、相移、调制噪声等变化。此外，随着试验台高速旋转，喷焰将以最高5次／s的频率阻断直射波通道，因此，喷焰对遥测信号的影响具有快速时变衰落特点。

　　2 遥测系统设计方案

　　针对过载试验台遥测系统的特点，为了克服高速旋转、多径衰落和发动机喷焰的影响，本方案在遥测发射单元结构和电路布局、收发天线设计、信道编码、系统设计等方面分别采取了相应的措施。

　　2.1 发射单元结构和电路布局设计

　　发动机在高速旋转时将产生较大的离心力，该离心力以过载形式施加到遥测发射单元的各个部分。另外，发动机点火后，喷焰产生的高分贝噪声会引起高频振动。如图4所示，遥测发射单元在结构、电路布局中采取以下措施，有效降低了过载和高频振动的影响。

　　(1)外形采用圆锥体结构，有利于提高旋转时的机体的稳定性。

　　(2)电路板位于试验台中心、水平安装并与转轴垂直，该方式消除了试验台高速旋转对电路板产生的扭转力矩。元器件采用SMT器件，可以有效降低元器件承受的横向剪切力。

　　(3)为了降低喷焰噪声引起的高频振动，遥测发射单元与试验台连接面之间增加减振绝缘垫，电路板和外壳体之间的间隙填充吸音材料。

　　2.2 收发天线设计

　　为了降低过载试验台和房顶的发射波能量，发射天线采用柱状单极子天线，其方向图如图5所示。该种天线的方向图在水平剖面表现为均匀的方向性，有利于过载台在高速旋转时遥测信号稳定接收；在垂直方向上，上下方向各有一个较深的零陷，有利于抑制发射信号在试验台和房顶形成的反射波，降低多径衰落的影响。

　　接收天线采用螺旋天线，该天线波束宽度2θ0.5≤10°，指向性强，有利于抑制主波束外反射波的能量。

　　2.3 信道编码

　　遥测数据在传输过程中，由于多径衰落和发动机喷焰的影响，存在随机性和突发性错误。本系统采用级联码+交织编码进行前向纠错，外码为(204，188)RS码，内码为2／3卷积码。由于RS码适用于检测和校正传输过程中的突发性错误，卷积码擅长纠正随机错误，因此二者相结合的级联码既能够纠正随机错误，又能够纠正突发错误，适合于过载台遥测信道的特性。为了尽量提高可纠错的突发误码长度，使突发错误随机化分布，本方案采用螺旋交织编码，交织深度为256 B。经测试，采用级联码后，可以获得6.3 dB的编码增益。

　　2.4 系统设计中的几个关键技术

　　(1)强、弱电信号隔离

　　由于过载台的高压变频器、驱动电机等强电压设备在运转中将对遥测设备的弱电信号造成干扰，如果处理不当，将大大降低遥测信号的采集精度，甚至使遥测功能丧失。因此，强电和弱电信号的隔离将直接影响遥测系统的性能。本设计采取以下隔离措施，较好地解决了强弱电隔离问题：

　　①遥测发射单元采用可充电锂电池供电。纯净、稳定的电源精度保证了各种传感器的测量精度和数据采集精度。正式试验前，充电器通过集流环对锂电池充电，试验开始后，充电回路断开，锂电池为遥测发射单元输出电源。此外，遥测发射单元与过载台固定端由绝缘减振垫隔离，使遥测发射单元电源地与过载台强电汇流地在空间上完全隔离。上述措施在电源上完全隔断了外部干扰源的传导途径；

　　②遥测发射单元全金属壳体屏蔽，杜绝了强电设备在空间产生的强电磁场对遥测弱电支路的干扰。

　　(2)遥测系统各部分增益分配

　　根据无线通信理论，无线电自由空间损耗Lp=(4πR)2／λ2，其中R为有效传输距离，λ为射频信号波长。在本系统R=15 m，λ=0.13 m，所以Lp(dB)=63 dB。本系统发射功率Pt=0.5 W(-3 dB)，发射和接收天线增益分别为Gt=-5 dB，Gr=12 dB，接收机灵敏度Pr=-115 dB，电缆损耗L∑=15 dB。根据现场测试数据，发动机喷焰和多径效应对无线遥测信号产生的峰值衰落Ld=38 dB。考虑到级联码产生的编码增益Gc=6.3 dB，所以系统裕度M=Pt+Gt+Gr+Gc-Lp-L∑-Ld-Pr=9.3 dB。可见，各部分增益的分配满足系统要求，并具有足够的设计裕度。

　　3 结 语

　　针对火箭发动机过载试验台遥测信道的特点，通过科学分配系统参数，合理选择收发天线类型，并采用级联码+交织编码组成的信道编码，成功解决了火箭喷焰和多径衰落对无线电遥测信号的影响。目前，本遥测系统已在火箭发动机过载试验中成功应用，充分验证了其设计的合理性和正确性，并为其他遥测系统的设计提供了有益的参考。