二级轻气炮超高速撞击实验测控系统研究

论文摘要

空间碎片对在轨航天器安全运行的威胁问题,已经日益严重,为了提高航天器对危险空间碎片的抗撞击能力,并且进行风险评估,需要在地面进行一系列的超高速撞击模拟实验来验证防护设计方案并且为其提供可靠的数据。二级轻气炮可以发射各种形状的弹丸,而且对弹丸质量、尺寸和材料有较宽的适应范围,对同一速度的可重复性好,是目前超高速弹丸驱动中应用最广泛的技术之一。在二级轻气炮超高速加载实验中,弹丸飞行速度的测量一直是实验的重点和难点,它决定着实验结果的可靠性;同时近距离的超高速撞击实验操作也存在着一定的危险,本文以哈尔滨工业大学空间碎片高速撞击研究中心的二级轻气炮实验系统为研究对象,结合现代传感器技术和计算机控制技术,针对弹丸的速度测量和轻气炮的自动控制展开研究。首先,阐述了国内外空间碎片防护的研究现状以及气体炮几种常用的测速方法,分析了各个方法的优缺点,简单介绍了二级轻气炮的工作原理。其次,分析了现有的二级轻气炮控制系统,阐述了控制柜显示模块设计思想,设计了一套独立的数据采集系统,可在二级轻气炮手动工作模式和自动控制模式下工作,并且介绍了二级轻气炮控制软件的开发流程。最后,提出了二级轻气炮激光测速系统的总体设计方案,设计了测速平台、发光检测电路、测速电路,并详细分析了各电路的基本原理。在二级轻气炮实验中对铝球弹丸进行了一系列测试,验证了测速系统的可靠性,得出了弹丸测速的规律和特点。分析了实验环境对弹丸测速的影响,以及测速系统的误差和不确定度。通过大量的实验验证,整个测速系统取得了较好的实验效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内研究现状
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.3 二级轻气炮实验系统
• 1.4 弹丸测速技术
• 1.4.1 电探针方法
• 1.4.2 磁感应方法
• 1.4.3 X射线方法
• 1.4.4 激光测速方法
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 二级轻气炮实验系统
• 2.1 实验系统分析及设计方案
• 2.2 数据采集系统设计
• 2.2.1 系统功能
• 2.2.2 设计方案
• 2.2.3 系统电路图
• 2.2.4 传感器信号调理图
• 2.2.5 显示板模块设计
• 2.3 控制系统执行元件控制电路
• 2.3.1 阀门控制电路
• 2.3.2 电机控制电路
• 2.3.3 采集/控制卡
• 2.3.4 高速相机触发电路
• 2.4 本章小结
• 第3章 二级轻气炮控制系统软件设计
• 3.1 自动控制系统软件结构
• 3.2 自动控制系统主控模块
• 3.3 自动控制系统软件设计
• 3.4 数据采集系统软件设计
• 3.4.1 主程序
• 3.4.2 串口初始化程序
• 3.4.3 ADC控制初始化程序
• 3.4.4 串口数据中断方式接收程序
• 3.4.5 数据处理与显示数据格式转换程序
• 3.4.6 定时/计数器T0 溢出中断处理程序
• 3.4.7 显示控制程序
• 3.5 本章小结
• 第4章 激光测速系统的设计
• 4.1 测速系统工作原理及方案
• 4.2 测速系统主要元器件
• 4.2.1 激光器
• 4.2.2 光电探测器
• 4.2.3 凸透镜
• 4.2.4 测速系统主要元器件参数
• 4.3 激光测速系统的设计
• 4.3.1 激光测速平台的设计
• 4.3.2 激光测速电路的设计
• 4.4 桌面实验
• 4.5 本章小结
• 第5章 测速结果分析
• 5.1 轻气炮上检测实验
• 5.1.1 原轻气炮检测实验
• 5.1.2 改进轻气炮测速实验
• 5.2 误差分析
• 5.2.1 时间间隔测量不确定度
• 5.2.2 时间判读不确定度
• 5.2.3 光幕准直误差
• 5.2.4 光幕距离测量不确定度
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢