摘 要
在进行空降试验时，假人在空中的运动过载和旋转角速度是非常重要的参数，然而由于在试验条件对测试手段的限制以及假人运动的状态，对于假人在此期间的过载和旋转角速度测量还是一个难题。本文通过对假人运动过程的研究，研制了一种新型测试系统，并通过地面试验和空中试验验证，试验结果表明该测试系统可以准确的测试假人在试验时的过载和旋转角速度，满足试验测试要求。
【关键词】空降 假人 运动状态
1 引言
在进行空降试验，伞兵在空降期间承受较大的过载和旋转角速度，为了减小人员伤亡，在试验前期都使用假人来代替真人进行试验，然后将假人在试验期间的过载和旋转角速度与标准值进行对比，再决定是否进行伞兵试验，所以，过载和旋转角速度是空降试验较为重要的参数。由于空降试验在空中进行，测试系统不但要面临复杂多变的机载环境，而且测试准确、可靠，所以对于假人在此期间的过载和旋转角速度测量还是一个亟待解决的难题。
2 需求分析
评判伞兵能否进行空降，主要的依据就是伞兵在空降期间承受的过载和旋转角速度不超过人体耐限值，所以对假人的测试主要就是进行三向过载和三向旋转角速度的测试。由于假人在空降期间运动状态变化较为剧烈，所以测试系统的采样率和测试范围一定要满足要求。为了提高测试的准确性，测试时必须将传感器加装于假人重心位置，所以在假人胸腔内必须留有一定的空间来加装传感器，所以该测试系统不但要体积小，而且要操作方便。考虑到复杂的机载环境，测试系统必须能在高温、低温、振动环境、冲击环境和复杂电磁环境下可正常工作，根据以上使用要求，采集器要具有以下特点：
（1）具有测试三向过载和三向旋转角速度的功能，采样率不低于1000次/秒，测量范围为-20g～+20g和-1000°～+1000°/s；
（2）测试系统体积小，操作方便，可靠性高；
（3）满足机载环境，即在高温65℃和低温-30℃下可正常工作；
（4）在振动环境（5～2000Hz，5g），冲击环境（半正弦波冲击，每轴15g，11ms）和复杂电磁环境（RE102和RS103曲线）下可正常工作。
3 设计方案
通过对本项目合同的技术要求进行认真分析和严谨讨论后，项目分为三部分：控制模块、采集模块和传感器模块。
控制模块的主要功能是控制测试系统的开关、测试、记录、充电和数据下载，其主要包括电源开关、记录开关、记录指示灯、容量指示指示灯、电量指示灯、数据下载USB接口和充电接口等。
采集记录模块时系统的核心，其主要功能为：对传感器模拟量进行采集和存储、状态指示控制、时钟管理、电源管理电路和USB通讯。根据以上功能，采用优化设计，将采集记录器分为A/D采集电路、数据存储器、状态显示部分、时钟管理部分和CPU单元、电源管理电路和充电电池等。
（1）采集电路。采集电路是将模拟信号进行量化的单元，对于加速度信号和角速率信号的采集在电路设计中采用了一个A/D转换器，6个通道的信号通过模拟开关切换输入到A/D转换器，考虑到干扰和误差等因素，选用16Bit的A/D转换器。
（2）数据存储器。数据存储采用了Flash存储芯片为介质，将A/D量化采集后的数据直接存储到芯片内，存储芯片的管理是由CPU承担，操作时序由CPLD产生，存储芯片是基于扇区的管理、存储和擦除，存储器选用MX29GL512EH，其特点是单片存储容量大，读写速度快。
（3）状态显示部分。状态显示是对采集记录器的工作状态、电池电量和存储容量的显示，采集器在打开电源开关，但不打开存储开关的条件下，分别用两排发光二极管来表示电池剩余电量和存储剩余容量的百分比，每个发光管表示25%。当采集记录器和PC连接后，通过数据处理软件可以精确的获取采集记录器的信息。
（4）时钟管理部分。时钟管理单元的主要功能是产生北京时间、并能通过USB授时，时钟管理电路的另一个主要功能是给采集的参数打时间标签。时钟电路采用DAS3231，守时精度优于±1分钟/年。在PC机上利用数据处理软件，通过USB可以对时间进行校准。打时间标签的时间是专用的时钟电路产生的，最小分辨率为500μS，每秒钟和时钟电路同步一次。该电路设计的目的是使时间标签在采样率大于1次每秒时具有精确的时间参考点。
（5）CPU小系统。CPU小系统是采集记录器的管理核心，承担时序的管理、采集单元和存储单元的协调、电量的检测和上位机的通信等。CPU小系统由 STR710FZ（arm7）、CPLD及驱动电路组成。
（6）电源管理。电源管理是针对电池和供电电路的管理，由充电电路、充电保护电路、电源检测和供电电路组成。电源管理单元的主要功能是给传感器和采集记录器内的电路提供所需的电压，在充电电池充放电时进行管理和保护。
（7）充电电池。充电电池是采集记录器的重要组成部分，在采集记录器的所有工作过程中提供能量，能满足6个飞行小时的采集记录工作，同时还要符合宽温工作的要求。本系统采用松下18650，2800mAH的锂电池，可循环充电500次以上。
传感器模块其主要功能就是测试假人的三向加速度和旋转角速度，主要包括三轴加速度传感器和三轴角速率传感器。三轴加速度计结合三个正交的相同电容加速度计，每一个加速度计都包含由密封微机械的电筒传感单元和一个放大器，外壳采用环氧密封技术的电镀铝制材料，可方便地使用M4螺钉安装。由于考虑到使用环境的特殊，选取了高精度、高可靠性、抗冲击的CS-3LAS-03A加速度传感器。旋转角速度传感器的核心部件就是陀螺仪，它是用来测量角速率的固态传感器，其采用MEMS芯片，制造采用BIMOS生产工艺和载流焊工艺技术。该系统选取了具有高可靠性和高封装坚固性的CS-3ARS-02B角速度传感器。以上传感器的测量范围和工作特性均满足试验要求。
4 试验结果及分析
4.1地面试验
测试系统研制完成后，首先进行了常温环境下测试试验、高温环境下测试试验、低温环境下测试试验、精度测试试验、振动试验、冲击试验和电磁兼容试验。
常温、高温和低温试验环境温度分别为20℃、65℃和-30℃，试验时先将测试系统在规定环境条件下保温1小时，然后打开电源开关和记录开关，再使用标准过载和角速度对测试系统进行动作，记录10分钟，然后下载数据检查其是否正常。
精度测试分别在常温和高温条件下进行，试验时使用标准信号源给采集记录器的6个通道输入9个电压信号，然后记录9个电压值的采集数据，即对应的角速率和加速度值，然后根据测试值和标准值计算采集器的精度，经计算其精度为0.61%，满足测试需求。
振动试验、冲击試验和电磁兼容实验均在正常大气试验条件进行。分别在振动试验、冲击试验和电磁试验环境下进行。试验前打开测试开关，在冲击环境下和电磁环境下进行测试，经试验测试系统显示正常，整体工作状态稳定、采集数据正常合理。
4.2 空降试验
经地面试验后进行了空降试验，试验时将测试系统加装在假人胸腔内部（重心处），规定向人体前面为x方向，右侧为y方向，向上为z方向。试验前将假人固定在飞机舱内，接近空降场时将假人移至后舱门附件，打开测试系统，当听到空降口令后将假人推出舱外。假人、测试系统及试验图如图2所示。
假人落地后对测试数据进行下载和分析，根据试验结果假人在z方向承受的最大过载为14.49，绕x轴的旋转角速度最大，为-724.53弧度/秒，图3为测试的过载曲线图，图4为测试的旋转角速度曲线图。以上测试结果与理论分析和实际情况相符，说明该测试系统可以测试空降期间假人的运动状态参数。
5 结论
通过以上地面试验和空中试验结果的分析表明，该测试技术可以用于空降试验假人运动状态的测试，较好的解决了该难题。该系统具有可靠性高、体积小，操作方便等优点，也可用于其它高速运动物体的运动状态测量。
参考文献
[1]余莉.飞行器救生及生命保障技术[M].北京：国防工业出版社，2003.
[2]方振平.航空器飞行动力学[D].北京：北京航空航天大学，2009.
[3]冈武民.Y7飞机乘员应急跳伞运动轨迹计算[J].飞行试验，1991.
作者简介
史继斌（1979-），男，中国飞行试验研究院，主要从事飞机环境控制系统的试飞研究工作。
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