限幅振蕩的引信氣流諧振壓電發電機

雷軍命，李新文，朱雅鵬，孔令利，孫誠誠 (， )

0 引言

氣流諧振壓電發電機為引信用物理電源的一種，用壓電振子替代了射流發電機的磁電轉換機構[1-3]。文獻[4]提出引信微環音振蕩壓電發電機，是利用彈丸飛行過程中迎面氣流激勵噴注管內壓電晶體產生電能的壓電發電機。文獻[1]和文獻[4]在本質上都是一種將彈丸飛行中的氣流通過環音振蕩器，使得壓電振子在諧振點附近連續振動，由正壓電效應，壓電振子輸出電能，而壓電電振子在諧振狀態時具有較高的壓電轉換效率，使得該電源能滿足低功耗引信電路的全彈道供電，同時可提供基于環境激勵的解除保險信號。文獻[5]提出了一種基于MEMS的微型氣流諧振壓電發電機，但輸出功率小。文獻[1]中的氣流諧振壓電發電機在高彈速、長時間工作時，存在壓電振子容易破裂的問題。文獻[6]提出了一種引信氣流諧振壓電發電機用焊接環形壓電振子，在一定程度上提高了復合壓電振子的強度，實驗室吹風模擬試驗表明，在800 m/s風速下，帶有環形壓電振子的氣流諧振壓電發電機持續工作200 s后，壓電陶瓷片沒有破裂。將試驗風速提高到1 000 m/s風速時，環形壓電振子就出現了破裂現象，其原因是由于壓電振子振幅過大引起的。為此，本文提出了限幅振蕩的引信氣流諧振壓電發電機。

1 氣流諧振壓電發電機

1.1 構造和原理

氣流諧振壓電發電機由環形噴咀、氣流諧振腔和壓電振子組成[4]。如圖1所示，將壓電振子周邊固定在氣流諧振腔的底部，且使氣流諧振腔的共振頻率與壓電振子的諧振頻率接近，從壓電振子的兩極分別引出兩根引線，構成氣流諧振壓電發電機的輸出極。彈在空中飛行時，氣流通過環形氣道，形成環形氣流沖擊氣流諧振腔頭部的環形尖劈邊緣，產生環音，在管口處形成聲波振動。由于聲波振動的頻率與諧振腔共振頻率相近，因此在氣流諧振腔中形成空氣介質共振。這種介質共振會引起諧振腔底部壓電振子產生相同頻率的振動，使壓電振子在諧振點附近振動。由正壓電效應，引線兩端就會輸出交變電流，其輸出大小與彈在空氣中的飛行速度成正比。

為了提高壓電振子的強度，一般是將壓電陶瓷薄片與金屬薄片黏結在一起，比如常用的膠粘結辦法，文獻[4]提出的焊接辦法在黏結強度和機電轉換系數上要好于膠粘結的辦法，但在更高彈速時，比如122 mm遠程火箭彈上，彈速要超過1 000 m/s，且工作時間要超過200 s，文獻[4]提出的環形壓電振子在可靠性上存在一定的隱患，原因是復合壓電振子的變形過大，造成壓電陶瓷片破裂。

1.2 壓電振子振幅與彈速關系

諧振腔中介質的振幅值與管口聲壓成正比，與短管的截面積成反比，聲波在管中的傳波為駐波形式，可由式(1)表示[7]。

(1)

式(1)中,υa為諧振腔中介質的振幅值，Pa為管口聲壓，S1為短管的截面積，Ra為聲容，Xa為聲抗。

式(1)中的υa越大復合壓電振子的振幅越大，管口聲壓Pa隨著彈速增大而變大，由于彈丸在超音速飛行時會產生的激波效應，兩者不成正比關系。因此彈速越大，復合壓電振子的振幅越大。

氣流諧振壓電發電機的復合壓電振子的結構示意圖如圖2所示，采用周邊固定的方式。

彈丸在飛行時，氣流通過環形氣道，形成環形氣流沖擊氣流諧振腔頭部的環形尖劈邊緣，產生環音，在管口處形成聲波振動，并觸發諧振腔內部的空氣進入諧振狀態，腔體底部的復合壓電振子在氣體壓力和自身彈性的作用下產生周期振動，且彈速越高，振幅越大。

將氣流諧振壓電發電機安裝在122 mm遠程火箭彈引信內，設計了進氣道和出氣道，利用FLUENT流體仿真軟件計算出150 m/s和1 000 m/s彈速時諧振腔內部的壓力云圖如圖3、圖4所示。

從圖3可以得到風速為150 m/s時諧振腔內部產生的壓力為0.95×105Pa。從圖4可以得到風速為1 000 m/s時諧振腔內部產生的壓力為6.7×105Pa，壓力分布均勻。將這兩個力作用在復合壓電振子結構上，利用ANSYS軟件進行結構分析和模態分析，從而得到諧振片的振幅大小。圖5為諧振片的計算網格圖。

計算得到風速為150 m/s時諧振片的最大振幅接近0.2 mm，風速為1 000 m/s時諧振片的最大振幅接近1.2 mm。

復合壓電振子的振幅主要受到壓電陶瓷片的限制，在大振幅時，陶瓷片容易破裂，試驗結果也證明了這一點。

2 限幅振蕩的引信氣流諧振壓電發電機

在諧振狀態下，壓電振子中交變的機械應變與應力的幅值通常要比極限許用值小得多，較大的振幅反而不利于壓電振子在諧振狀態下的正常工作[8]。因此，為了提高諧振壓電發電機的工作時間和可靠性，應控制復合壓電振子的振幅。為了降低發電機的啟動風速，應減小金屬基片的厚度，易于復合壓電振子起振。

為此，提出了限幅振蕩的引信氣流諧振壓電發電機，將圖2所示復合壓電振子的金屬基片厚度減小，在前端增加一個環形墊片和一個金屬諧振片，結構示意圖如圖6所示。由于金屬基片厚度的減小，使得發電機的啟動變得容易，前端金屬諧振片由于沒有壓電陶瓷片的限制，從而提高了強度。當彈丸在空中飛行時，氣流進入帶有進氣口的環形噴頭形成環形射流，環形射流撞擊諧振腔的尖劈形成聲的振蕩，只要該振蕩頻率與諧振腔的固有頻率相同，就在諧振腔中形成空氣共振，諧振腔的空氣振動激勵底部的諧振片產生諧振，諧振片以諧振頻率連續擊打復合壓電振子，使得復合壓電振子也以相同頻率強迫振動。

諧振片的振動幅度跟氣流大小成正比關系，環形墊片設置在諧振片和復合壓電振子之間，由于當諧振片的振幅超過環形墊片的厚度時會擊打到復合壓電振子，損失能量，因此會對諧振片振動幅度起到限制作用，復合壓電振子也同樣，從而使氣流諧振壓電發電機能適應更高的彈速和更長的彈道飛行時間。

3 試驗驗證

3.1 模擬高風速長時間工作性能吹風試驗

由于射流吹風模擬裝置提供不了風速為1 000 m/s、持續時間不小于200 s的試驗條件。本方案通過仿真彈丸在1 000 m/s風速時，發電機引信進氣口處的質量流量K，然后通過仿真計算比對得到圖7所示的管道吹風模擬裝置圖c點處的質量流量值為K時的管道壓力值P，管道壓力值為P時，即認為發電機在1 000 m/s風速下工作。

圖8為氣流諧振壓電發電機在1 000 m/s風速條件下，持續工作200 s的曲線圖。

從圖8可以看出，限幅振蕩的氣流諧振壓電發電機工作時間均大于200 s，單峰最大值分別為：92 V，均方根值為64.4 V。計算得知發電機在3 kΩ負載時，輸出功率大于1.38 W。

3.2 模擬火箭彈低速啟動存儲測試

由于火箭彈價格高，未用野戰火箭彈作飛行試驗，使用最高速度450 m/s的模擬火箭彈進行低速啟動試驗。試驗時發電機輸出端并接了一個3 kΩ的負載，用彈內存儲記錄儀采集負載兩端的電壓。

試驗共射擊了5發，用雷達跟蹤彈丸飛行速度。試驗均采到了有效數據。用Matlab軟件對試驗數據進行了處理，圖9為第一發試驗數據結果圖，最高彈速為256 m/s，這是由于第一發炮管溫度低的原故。后續彈道數據和電機輸出正常，結果基本接近，圖10為典型試驗數據結果圖。

從圖9和圖10可以看出。在全彈道中，發電機輸出正常，沒有掉電現象；輸出電壓有效值變化與彈速變化一致，在彈道頂點時發電機輸出電壓最低；發電機頻率變化范圍較窄。從發電機輸出頻率與彈速關系來看，發電機啟振點幾乎與彈速同步，啟振瞬間發電機輸出有效值為30 V，電流10 mA。

表1為5發電機輸出功率及對應的彈速表。由于第一發彈速不正常，對表1的試驗數據進行處理時，將第一發數據剔除。

表1中最小輸出功率為0.102 W，作統計，求出最小彈速時輸出功率均值為0.105 W、標準差0.006 W，用均值減三倍標準差，以0.99的置信度估計極限最小輸出功率，得到最小彈速時，最小輸出功率不小于0.097 W。

表1 發電機輸出功率與對應彈速表

Tab.1 Output of the generator and the corresponding projectile speedometer

序號彈速/(m/s)最大/最小電壓有效值/V最大/最小輸出功率/W最大/最小負載/kΩ1256/11355/20.01.0/0.13332435/11652/17.50.9/0.10233442/11652/17.50.9/0.10234443/11358/17.51.1/0.10235430/11258/18.51.1/0.1143

一般電子時間引信功耗僅為 mW量級，利用發射時的火控系統給引信電源電容器充電即可工作，以便將火控臍纜脫開瞬間作為計時起點。發電機作為接力電源，在初始段有持續的1 W左右輸出的情況下，允許中間斷電。以上試驗數據表明，限幅振蕩的引信氣流諧振壓電發電機的最小輸出近100 mW，完全滿足電子時間引信的功耗要求。且發電機的輸出電壓較高，彈道中可以給發火電容充電到需要的啟爆電壓，無需電壓變換。

4 結論

本文提出限幅振蕩的引信氣流諧振壓電發電機。該發電機是將復合壓電振子的金屬基片厚度降低，增加了壓電陶瓷片的厚度；同時，在復合壓電振子的前端設置了一個限位用的環形墊片和金屬諧振片。用金屬諧振片來擊打復合壓電振子，環形墊片的厚度用來調整擊打復合壓電振子的振幅，從而起到限制復合壓電振子振動幅度的作用，避免了由于振幅過大壓電陶瓷片表面破裂的問題。模擬高風速長時間工作性能吹風試驗表明，該發電機在1 000 m/s風速下可持續工作200 s以上未損壞，輸出功率1.38 W以上；模擬火箭彈低速啟動存儲測試表明，發電機響應速度快，全彈道發電機輸出正常，沒有掉電現象；最小彈速時，最小輸出功率近100 mW。該發電機解決了氣流諧振壓電發電機在高彈速時復合壓電振子容易破裂的問題，且體積沒有增大，滿足在遠程火箭彈電子時間引信上的使用要求。

參考文獻:

[1]雷軍命. 引信氣流諧振壓電發電機[J]. 控測與控制學報,2009,31(1):23-26.

[2]呂娜，蔡建余，陳荷娟. 彈載氣流壓電發電機環隙變截面進氣孔[J].探測與控制學報，2012，34(3):47-51.

[3]孫加存，陳荷娟.風動壓電發電機的結構設計實驗研究[J].壓電與聲光，2012，34(6):860-863.

[4]曲威，陳荷娟，孫加存，等. 微環音振蕩壓電發電機同步電荷能量采集方法[J]壓電與聲光, 2013，35(5):672-675.

[5]林瑞娥. 引信氣流諧振壓電發電機用焊接環形壓電振子[J].控測與控制學報,2014,36(1):67-70.

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[7]何琳. 聲學理論與工程應用[M].北京：科學出版社，2006.

[8]B. B. 馬洛夫.壓合諧振傳感器[M].翁善臣，譯.北京：國防工業出版社. 1984.