Акселерометр МАК-1 простейший прибор, основная задача которого замер максимальной перегрузки,
моделируемой при стендовых испытаниях. Возможности прибора
довольно ограничены, точность не велика, но зато он доступен в изготовлении, даже начинающему
ракетчику. Делается из подручных материалов, затраты практически нулевые. МАК-1 не может быть использован
в полете, так как имеет слишком большую инерционность чувствительного элемента.
Диапазон измерения 20g, точность +/- 0,5g, вес 15 г.
Компоненты
Все, из чего делается акселерометр, показано на фотке и может вызвать улыбку. Но ведь дело
не в форме, а в содержании. Мне трудно представить человека, у которого где-нибудь не
завалялась старая шариковая ручка и спица от старого зонтика (или велосипеда).
Главное, чтобы ручка была прозрачной и имела откручивающийся, лучше
металлический, наконечник. Длина спицы должна быть достаточной
для организации системы фиксации показания. У меня вышло 145 мм. Диаметр зонтичной спицы 1,8 мм.
Колпачок к ручке может быть любой пластиковый,
лишь бы плотно одевался и не соскакивал.
Основная деталь, впрочем, здесь пружинка. Это, так сказать, чувствительный элемент. Нужна тоненькая пружина, работающая на растяжение. Я вытащил пружину из механизма переключения скоростей старого проигрывателя грампластинок. Диаметр 3 мм, длина 31 мм, максимальное усилие 170г. Тут есть один нюанс. Пружина может быть сделана напряженной, т.е. работать не с нулевого усилия. Чтобы избавиться от этой ненужной особенности, надо растянуть пружину до небольшой деформации. Витки при этом должны сдегка разойтись и лежать не плотно.
Прочую мелочевку будем упоминать по ходу.
Изготовление
Измерительная часть прибора это микробезмен. Нагрузка подается на шток - спицу.
Подпружиненный шток ходит внутри прозрачного корпуса, что позволяет замерять его смещение. Для этого
организуем в месте крепления к пружине риску из кусочков контрастных кембриков.
Пружинка фиксируется в ухе на штоке. На спицах от зонтов есть такие. Другим концом пружина крепится
к пишущему носику толстого стержня от шариковой ручки. Носик зажимается наконечником ручки и фиксирует
пружину.
Нагрузка на шток возникает от текущего веса штока. Шток достаточно легкий (2,8 г) и, чтобы
полностью использовать возможности пружины его вес надо довести до определенного уровня.
Максимальная нагрузка при полном сжатии пружины, как я уже говорил, 170 г. Для измерения перегрузок
до 20g нам надо, чтобы вес штока был в районе 8,5 г. Для этого на свободный конец спицы подвешиваем
какой-нибудь подходящий грузик. Проще всего взять свинцовое грузило с центральным отверстием.
Чтобы груз не соскакивал его можно поджать плоскогубцами и подстраховать кусочком термоусадочной трубки.
Для подгонки веса достаточно откусить щипцами нужное количество свинца.
Самое сложное в приборе было организовать систему фиксации показания, то бишь конструкцию,
фиксирующую шток при попытке обратного движения. Наиболее подходящей мне показалась система,
применяющаяся в строительных шприцах, для выдавливания всяких там жидких гвоздей и силиконов.
Она очень проста и имеет очень важное свойство - почти не создает сопротивления рабочему движению штока.
Ключевой элемент системы фиксации стоппер. Это стальная пластинка 18х5х0,5 с центральным отверстием
диаметром ~2,0 мм. Точнее, отверстие должно быть такого диаметра, чтобы спица легко проходила в него
без трения, а при небольшом перекосе, не более 20°, заклинивала. Пластинка удерживается корпусом из колпачка.
В колпачке сделаны прорези, куда вставляется стоппер. Прорези сделаны таким образом, чтобы стоппер мог
поворачиваться от угла 90° к штоку до угла 45°. Естественно, в торце колпачка делается отверстие 2,0 мм, в
которое свободно проходит шток. Собираем конструкцию, как показано на фотке сборки. Вставляем стоппер в прорезь,
просовываем шток в открытый конец колпачка и продеваем в отверстие стоппера. Колпачок плотно одеваем на ручку и
система почти собрана.
Почему, почти? Да потому, что так она работать не будет. Для работы надо обеспечить постоянный контакт стоппера со штоком. Для этого берем узкую полоску из упругой, но тонкой (~0,1 мм) жести и зафиксировав ее на колпачке резиновым колечком, подпружиниваем стоппер. Сделать это надо именно таким образом, как показано на фотографии сборки. Подпружинивание идет в двух направлениях. С одной стороны стоппер поджимается к штоку, в то же время он удерживается под фиксирующим углом к штоку. Это важный момент, т.к. такое положение стоппера позволяет свести к минимуму (~0,5 мм) обратное движение штока в процессе фиксации.
Сброс показания осуществляется легким нажатием вниз на свободный конец стоппера. Лучше придерживать шток при
этом, чтобы избежать ударных нагрузок.
Калибровка
Теперь проведём калибровку, т.е. организуем шкалу. Для этого подвешиваем к штоку целофановый пакетик.
Удерживаем прибор вертикально и нагружаем пакет разновесками.
Отмечаем фломастером для компакт дисков на корпусе ручки положения красной метки на штоке, соответствующие нагрузкам
5g, 10g, 15g, 20g. Перед рисованием риски лучше проделать операцию нагрузки несколько раз, чтобы убедиться в повторяемости
результата. Риску надо ставить только после снятия нагрузки, отмечая, таким образом, показание с учетом обратного
смещения штока. В-принципе, этих четырех отметок достаточно, что бы получить данные с точностью +/-0,5g. Если
вы не доверяете глазомеру, можно поставить промежуточные риски, разделив замеренные диапазоны на равные доли,
поскольку шкала линейная.
При нагружении не забывайте учитывать вес самого штока с нормировочным грузиком и пакета.
К сожалению, простота прибора не означает простоту использования. Каждый прибор имеет инерционность и собственную частоту. Для МАК-1 эти параметры далеко не идеальны для ракетных целей. Проще говоря при резкой подаче нагрузки на прибор будет наблюдаться заброс показания выше реального. Теория говорит, что заброс может быть в 2 раза выше. Понятие "резкости" непосредственно связано с частотой собственных колебаний. Частота колебаний чувствительного элемента МАК-1 при средней перегрузке 10g составляет ~0,4 с. Это означает, например, что нарастанние тяги ракетного движка, которое обычно находится в пределах 0,1-0,3 с, будет для прибора "резким", т.е. для летных измерений использование прибора крайне проблематично.
Однако при стендовых испытаниях перегрузка обычно имитируется падением с некоторой высоты.
Такие условия легко смоделировать и провести "динамическую" тарировку. Подвешиваем грузик,
соответствующий определенной статической перегрузке. Поднимаем шток до нулевой отметки и
резко отпускаем. Шток фиксируется в некотором положении, соответствующем забросу.
Записываем показания и реальные значения прегрузки. По ним строим график.
По графику можно
определять реальное значение перегрузки, внося поправку в показание прибора. Конечно, точности к
измерениям это увы не прибавляет.
Заключение
Насколько нужен такой простенький приборчик в наш век компьютеризации? На мой взгляд, нужен. Обычно для срабатывания автоматики, основанной на использовании сил инерции вполне достаточна оценка перегрузки с точностью +/-1 g. Для этого совсем не обязательно покупать или изобретать сложное дорогостоящее оборудование.Акселерометр прошел проверку при испытании системы спасения ракеты "Циклон-2". Дальнейшая эксплуатация ракеты показала, что имитация ускорения была проведена правильно. /17.05.2010 kia-soft/