本發(fā)明涉及航天液體發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，具體涉及4-25n姿控發(fā)動(dòng)機(jī)真空熱環(huán)境穩(wěn)態(tài)推力校準(zhǔn)測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為目前最為成熟的推進(jìn)系統(tǒng)之一，具有諸多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，仍然是各國(guó)努力發(fā)展的主力推進(jìn)系統(tǒng)，并且在大推力和小推力方面都取得了諸多成果，目前美國(guó)仍然在大多數(shù)推進(jìn)系統(tǒng)方面領(lǐng)先世界，俄羅斯則繼續(xù)保持液體推進(jìn)特別是大推力液體火箭方面的領(lǐng)先地位，歐盟和日本在追趕美國(guó)的技術(shù)水平，以中國(guó)為代表的第三世界國(guó)家也開(kāi)始在液體推進(jìn)領(lǐng)域同傳統(tǒng)強(qiáng)國(guó)展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是火箭推進(jìn)系統(tǒng)的一部分。推進(jìn)系統(tǒng)是由發(fā)動(dòng)機(jī)(固、液、沖壓、姿控)、增壓系統(tǒng)、貯箱設(shè)備及有關(guān)設(shè)備等組成。不論大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，還是小推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，只要把增壓系統(tǒng)、貯箱、推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)連在一起就可稱(chēng)為推進(jìn)系統(tǒng)。多年來(lái)，我國(guó)的大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制單位只研制和交付發(fā)動(dòng)機(jī)，而從事姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的研制單位，不僅要研制姿控火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，還要交付包括貯箱、氣瓶以及含增壓系統(tǒng)在內(nèi)的整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)。

關(guān)于小推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的定義有不同的說(shuō)法，我國(guó)文獻(xiàn)及出版物中一般將小推力劃分在0.02—2000n(0.002—200公斤)之間。阿列瑪索夫在其著作《火箭發(fā)動(dòng)機(jī)原理》一書(shū)中把推力從0.01—1600n的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)歸入小推力發(fā)動(dòng)機(jī)。不論運(yùn)載、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、飛船上使用何種用途的發(fā)動(dòng)機(jī)(推進(jìn)劑沉底、末速修正、軌道修正、位置保持、姿態(tài)控制等)，均屬于小推力發(fā)動(dòng)機(jī)的范疇。

隨著空間任務(wù)的豐富，小推力、高比沖的推進(jìn)器得到越來(lái)越多的應(yīng)用，而完成此類(lèi)推進(jìn)裝置的地面試驗(yàn)特性的研究，低量級(jí)的推力測(cè)試是一項(xiàng)必須突破的關(guān)鍵技術(shù)。

國(guó)內(nèi)有學(xué)者針對(duì)小推力測(cè)量存在的技術(shù)難點(diǎn)，提出了根據(jù)應(yīng)用的推力傳感器不同，測(cè)試臺(tái)架可采用壓電式傳感器和應(yīng)變式傳感器兩種方案：

使用壓電式傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于動(dòng)態(tài)特性好，高剛度，推進(jìn)劑管道影響小，其缺點(diǎn)是靜態(tài)精度較低，對(duì)小力值不能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定測(cè)量，高內(nèi)阻抗，電干擾性能差，安裝預(yù)緊力及濕溫度影響大；

使用應(yīng)變式傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于穩(wěn)態(tài)精度高，低內(nèi)阻輸出，抗電干擾性能好，其缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)特性差，需后續(xù)附加處理，推進(jìn)劑管路剛度影響大，工作溫度范圍較窄。

測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào).vol.18supp.2004公開(kāi)的一篇名為《實(shí)現(xiàn)微牛級(jí)動(dòng)態(tài)推力測(cè)試的方法和試驗(yàn)研究》提出了一種微牛級(jí)的測(cè)試方法[8]，其基本思想是將微牛級(jí)推力通過(guò)懸臂梁轉(zhuǎn)換成微米級(jí)位移，然后通過(guò)微位移傳感器測(cè)試該微位移，得到微推力大小。其測(cè)試推力可達(dá)2μⁿ左右。

另外，宇航學(xué)報(bào)[j].vol.29.no2,march2008公開(kāi)的一篇名為《真空環(huán)境下微推力測(cè)量的研究》提出了真空環(huán)境下微推力的測(cè)量方法，提出了利用杠桿力的放大原理，將推力值放大從而能夠被傳感器準(zhǔn)確檢測(cè)到。

但是如果采用上述兩種傳統(tǒng)測(cè)量方法運(yùn)用于4-25n量級(jí)小推力測(cè)量時(shí)會(huì)存在如下難題：

(1)推力動(dòng)架和定架之間的支撐件、約束件(彈簧片)的影響。

(2)推進(jìn)劑管路布置以及推進(jìn)劑管路內(nèi)壓力和流體動(dòng)量的影響。

(3)熱試車(chē)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)主閥門(mén)后的管路、推力室頭部、噴管冷卻夾套內(nèi)的推進(jìn)劑填充量和燒蝕式噴管的燒蝕量變化，會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)重力的變化，因此會(huì)影響推力測(cè)量的準(zhǔn)確度。

(4)小推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)本身質(zhì)量和推力較小，測(cè)試中容易受臺(tái)架結(jié)構(gòu)非線性及周?chē)h(huán)境的影響，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體在熱試車(chē)時(shí)溫度較高，對(duì)與其連接的組件及傳感器等有不均勻熱傳導(dǎo)和熱輻射，會(huì)帶來(lái)結(jié)構(gòu)非線性以及傳感器溫漂等不利影響，高溫會(huì)引入較大的測(cè)量不確定度。這就要求臺(tái)架及傳感器具有良好的動(dòng)態(tài)特性，較高的靜態(tài)精度，抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)能夠進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定測(cè)量，但一般電壓式和應(yīng)變式傳感器應(yīng)用特點(diǎn)比較強(qiáng)，很難同時(shí)滿足以上要求。

(5)為保證試車(chē)所需真空度的大量機(jī)械泵、引射系統(tǒng)等機(jī)械設(shè)備不可避免的對(duì)測(cè)量過(guò)程造成一定影響，其振動(dòng)會(huì)引入相應(yīng)的測(cè)量不確定度。

根據(jù)4-25n姿控發(fā)動(dòng)機(jī)真空熱環(huán)境穩(wěn)態(tài)推力測(cè)量技術(shù)要求，目前采用了如圖1所示的裝置實(shí)現(xiàn)小推力測(cè)量，具體是將發(fā)動(dòng)機(jī)003直接懸掛于傳感器上，由發(fā)動(dòng)機(jī)承受發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，然后進(jìn)行推力測(cè)量，傳感器采用輪輻式彈性元件001，在彈性元件001上粘貼有應(yīng)變片002，見(jiàn)圖1所示，但目前采用的裝置存在以下問(wèn)題：

(1)在4-25n姿控發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)推力測(cè)量過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)水平安裝固定于傳感器上，在發(fā)動(dòng)機(jī)的重量作用下，傳感器受彎矩作用，會(huì)在垂直方向產(chǎn)生一定的形變，在熱試車(chē)過(guò)程中由于推力室燒蝕引起的發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量變化對(duì)傳感器也會(huì)造成測(cè)量干擾，且這些影響在試前無(wú)法進(jìn)行精確理論計(jì)算分析，這些狀態(tài)均與試驗(yàn)室校準(zhǔn)環(huán)境不同；

(2)在4-25n姿控發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)推力測(cè)量過(guò)程中，大氣壓力、環(huán)境溫度與試驗(yàn)室校準(zhǔn)環(huán)境不同，導(dǎo)致應(yīng)用試驗(yàn)室校準(zhǔn)系數(shù)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)推力時(shí)其精度降低；

(3)在推力測(cè)量過(guò)程中，推進(jìn)劑供應(yīng)管路安裝存在管路約束，必然會(huì)產(chǎn)生一定的初始力值，在進(jìn)行多次試驗(yàn)時(shí)需要重復(fù)安裝管路，這導(dǎo)致初始力值在每次試驗(yàn)過(guò)程也不完全相同，這些狀態(tài)也在試驗(yàn)室內(nèi)無(wú)法模擬；

(4)在發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車(chē)過(guò)程中，推進(jìn)劑供應(yīng)管路會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的推力變化而產(chǎn)生一定形變，從而產(chǎn)生額外約束力，這就導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的推力傳遞效率降低，因此，由天平傳感器測(cè)得的力值是小于發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)推力的。

同時(shí)目前的測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)也存在缺陷，現(xiàn)用校準(zhǔn)方式多為手動(dòng)校準(zhǔn)，即通過(guò)對(duì)高精度的標(biāo)準(zhǔn)力傳感器懸掛砝碼進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)力加載，待加載力穩(wěn)定后通過(guò)太平洋采集系統(tǒng)記錄測(cè)量力和標(biāo)準(zhǔn)力，從而進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)，這種方式適合在試車(chē)前進(jìn)行校準(zhǔn)，不僅耗時(shí)耗力，校準(zhǔn)精度也不夠高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了實(shí)現(xiàn)4-25n姿控發(fā)動(dòng)機(jī)小推力校準(zhǔn)測(cè)量要求，解決測(cè)量過(guò)程中管路約束、高溫、振動(dòng)引入的不確定度多，且不適合在試車(chē)前校準(zhǔn)、校準(zhǔn)精度差等問(wèn)題提出了一種4-25n姿控發(fā)動(dòng)機(jī)真空熱環(huán)境穩(wěn)態(tài)推力校準(zhǔn)測(cè)量裝置。

本發(fā)明的基本工作原理：

力源控制計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)定好的校準(zhǔn)程序，通過(guò)plc控制器，驅(qū)動(dòng)伺服器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)缸對(duì)標(biāo)準(zhǔn)力傳感器施加標(biāo)準(zhǔn)力載荷，并通過(guò)加載鋼絲作用于單分力天平測(cè)量裝置，同時(shí)將該標(biāo)準(zhǔn)力值傳輸給數(shù)據(jù)采集單元；在該力的作用下，單分力天平測(cè)量裝置上輸出的電壓信號(hào)由數(shù)據(jù)采集單元采集，經(jīng)總線回傳給力源控制計(jì)算機(jī)。力源控制計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)存貯校準(zhǔn)過(guò)程中標(biāo)準(zhǔn)力源及單分力天平測(cè)量裝置在各個(gè)校準(zhǔn)檔位輸出的實(shí)際力值，再通過(guò)數(shù)據(jù)處理，獲取單分力天平測(cè)量裝置的校準(zhǔn)系數(shù)。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案是：

本發(fā)明提供了一種4-25n姿控發(fā)動(dòng)機(jī)真空熱環(huán)境穩(wěn)態(tài)推力校準(zhǔn)測(cè)量裝置，包括基座轉(zhuǎn)接架、減震塊、定架、天平轉(zhuǎn)接板、單分力天平測(cè)量裝置、推進(jìn)劑管路、推進(jìn)劑管路固定裝置以及原位校準(zhǔn)裝置；

基座轉(zhuǎn)接架與定架之間均布安裝多個(gè)減震塊；定架周邊固定安裝有多個(gè)推進(jìn)劑管路固定裝置，推進(jìn)劑管路通過(guò)推進(jìn)劑管路固定裝置安裝，推進(jìn)劑管路一端與外部推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)連通，另一端與待測(cè)量姿控發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑入口連通；單分力天平測(cè)量裝置通過(guò)天平轉(zhuǎn)接板安裝在定架的一端，原位校準(zhǔn)裝置安裝在定架的另一端；

單分力天平測(cè)量裝置包括天平支架、配重組件以及天平安全防護(hù)支架；

天平支架包括豎直梁以及水平應(yīng)變梁；豎直梁的頂部安裝待測(cè)量姿控發(fā)動(dòng)機(jī)，待測(cè)量姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的推力方向垂直于豎直梁；配重組件安裝在豎直梁中部；豎直梁的底部與水平應(yīng)變梁上端面固連，水平應(yīng)變梁的下端面設(shè)置有前端筋板、中間筋板以及后端筋板；水平應(yīng)變梁分別通過(guò)前端筋板、中間筋板以、后端筋板與天平轉(zhuǎn)接板固定連接；水平應(yīng)變梁上按全橋方式貼覆有應(yīng)變片；

配重組件包括平衡杠桿以及配重塊；平衡杠桿垂直于在豎直梁中部，平衡杠桿包括固定端和懸空端；固定端至懸空端之間開(kāi)設(shè)長(zhǎng)條孔；固定端與豎直梁中部固定連接，配重塊通過(guò)螺栓螺母固定在長(zhǎng)條孔上；

天平安全防護(hù)裝置包括天平安全防護(hù)支架以及限位螺釘；天平安全防護(hù)支架的一端固定安裝在定架上，另一端設(shè)置有兩塊平行的固定板，豎直梁中部位于兩塊固定板之間，兩塊固定板之間的距離大于豎直梁中部的厚度，其中一塊固定板上安裝限位螺釘，限位螺釘?shù)穆菁y段穿過(guò)所述固定板與所述豎直梁接觸；

原位校準(zhǔn)裝置包括標(biāo)準(zhǔn)力源、標(biāo)準(zhǔn)力源控制系統(tǒng)以及l(fā)型支架；

l型支架的底部與定架固定連接；l型支架頂部與所述豎直梁安裝待測(cè)量姿控發(fā)動(dòng)機(jī)等高的位置安裝標(biāo)準(zhǔn)力源；標(biāo)準(zhǔn)力源包括電動(dòng)缸、安裝法蘭、轉(zhuǎn)接桿、標(biāo)準(zhǔn)力傳感器、轉(zhuǎn)接環(huán)以及加載鋼絲；

電動(dòng)缸通過(guò)安裝法蘭垂直固定安裝于l型支架上，電動(dòng)缸的輸出端通過(guò)轉(zhuǎn)接桿與標(biāo)準(zhǔn)力傳感器連接；標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的輸出端安裝轉(zhuǎn)接環(huán)；加載鋼絲一端與轉(zhuǎn)接環(huán)連接，另一端與待測(cè)量姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的中軸線連接；

標(biāo)準(zhǔn)力源控制系統(tǒng)包括力源控制計(jì)算機(jī)、總線、數(shù)據(jù)采集單元、伺服驅(qū)動(dòng)器以及plc控制器；

力源控制計(jì)算機(jī)傳輸目標(biāo)力值給plc控制器，plc控制器通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器控制所述電動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的實(shí)際力值作用于單分力天平測(cè)量裝置上并被數(shù)據(jù)采集單元接收后通過(guò)總線傳輸回力源控制計(jì)算機(jī)；力源控制計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)際力值和標(biāo)準(zhǔn)力值進(jìn)行比較，獲得單分力天平測(cè)量裝置的校準(zhǔn)系數(shù)。

單分力天平測(cè)量裝置還包括天平主動(dòng)恒溫裝置；天平主動(dòng)恒溫裝置包括固定安裝在定架上并且位于豎直梁兩側(cè)的剖分式水冷夾套結(jié)構(gòu)；水冷夾套結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)與外界空間隔離的空腔；所述水平應(yīng)變梁位于所述空腔內(nèi)；

水冷夾套結(jié)構(gòu)的側(cè)壁為空心機(jī)構(gòu)，水冷夾套結(jié)構(gòu)上安裝有第一進(jìn)水接頭與第一出水接頭；第一進(jìn)水接頭靠近水冷夾套結(jié)構(gòu)下部設(shè)置，第一出水接頭靠近水冷夾套結(jié)構(gòu)上部設(shè)置。

原位校準(zhǔn)裝置還包括固定安裝在l型支架上的圓柱形殼體，標(biāo)準(zhǔn)力傳感器位于圓柱形殼體內(nèi)；圓柱形殼體的外壁為空心結(jié)構(gòu)，圓柱形殼體的外壁上安裝有第二進(jìn)水接頭與第二出水接頭；第二進(jìn)水接頭靠近圓柱形殼體中心下部設(shè)置，第二出水接頭靠近圓柱形殼體中心上部設(shè)置。

具體來(lái)說(shuō)，上述定架上表面開(kāi)有等間距的多個(gè)t型槽，天平轉(zhuǎn)接板沿所述多個(gè)t型槽排列方向上開(kāi)設(shè)有u型槽；相鄰t型槽的中心距與u型槽的長(zhǎng)度滿足的關(guān)系式為：lu≥2lt，

其中，u型槽長(zhǎng)度為lu，相鄰t型槽中心距為lt。

具體來(lái)說(shuō)，推進(jìn)劑管路固定裝置為包括下部支架和上卡箍，所述下部支架的底面開(kāi)設(shè)有螺紋孔，下部支架的上端為與所述上卡箍相適配的下卡箍。

上述水平應(yīng)變梁與天平轉(zhuǎn)接板之間、豎直梁頂部與待測(cè)量姿控發(fā)動(dòng)機(jī)之間均設(shè)置真空隔熱板。

上述水平應(yīng)變梁上的最大應(yīng)變?chǔ)排c待測(cè)量姿控發(fā)動(dòng)機(jī)推力f之間關(guān)系如下：

其中，a為水平應(yīng)變梁橫截面積，e為水平應(yīng)變梁的彈性模量，wz為豎直梁的抗彎截面系數(shù)，y為待測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)在豎直梁的安裝位置到豎直梁與水平應(yīng)變梁相交的位置之間的豎直高度；

上述原位校準(zhǔn)裝置還包括固定在l型支架上的電動(dòng)缸保護(hù)罩，電動(dòng)缸位于電動(dòng)保護(hù)罩內(nèi)。

上述減震塊為6個(gè)be-40減震器，其固有頻率小于15hz。

上述推進(jìn)劑管路的材料為1cr18ni9ti，采用“z”型結(jié)構(gòu)布置。

本發(fā)明所具有的優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明采用了單分力天平裝置，并安裝有減震器和推進(jìn)劑管路固定裝置，解決了姿控發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量時(shí)由于管路約束、振動(dòng)引入的不確定度多等問(wèn)題，原位校準(zhǔn)可以模擬實(shí)際工況，現(xiàn)場(chǎng)完成測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)標(biāo)定和校核，本裝置中的自動(dòng)原位校準(zhǔn)裝置相比傳統(tǒng)校準(zhǔn)方式來(lái)說(shuō)，可以遠(yuǎn)程自動(dòng)進(jìn)行推力標(biāo)定，從而實(shí)現(xiàn)了試車(chē)前、試車(chē)中、試車(chē)后標(biāo)定，同時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)同時(shí)記錄標(biāo)準(zhǔn)力值和測(cè)量力值，標(biāo)定精度更高，更接近實(shí)際工況。

2、本發(fā)明單分力天平裝置中設(shè)置配重組件，可在試前平衡由于發(fā)動(dòng)機(jī)懸掛引起的不平衡量，同時(shí)設(shè)計(jì)有天平安全防護(hù)裝置，確保在誤操作條件下天平不會(huì)發(fā)生過(guò)載，保護(hù)傳感器測(cè)量精度。

3、本發(fā)明采用天平主動(dòng)恒溫裝置和力源主動(dòng)恒溫裝置，使應(yīng)變片和標(biāo)準(zhǔn)力傳感器在熱試車(chē)過(guò)程中始終處于恒定合適的溫度環(huán)境，解決了水平應(yīng)變梁在真空熱環(huán)境下變形帶來(lái)的應(yīng)變片和標(biāo)準(zhǔn)力傳感器測(cè)量精度降低，零位漂移的難題。

4、本發(fā)明采用的天平轉(zhuǎn)接板設(shè)置u型槽，保證天平支架安裝后處于定架中間對(duì)稱(chēng)面位置，定架上開(kāi)設(shè)t型槽，并且(u型槽長(zhǎng)度)lu≥2lt(相鄰t型槽中心距)，可以實(shí)現(xiàn)天平支架無(wú)級(jí)移動(dòng)固定，方便不同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝固定。

5、本發(fā)明的水平應(yīng)變梁與天平轉(zhuǎn)接板之間、豎直梁頂部與待測(cè)量姿控發(fā)動(dòng)機(jī)之間均設(shè)置真空隔熱板，真空隔熱板由填充芯材與真空保護(hù)表層復(fù)合而成，可有效避免空氣對(duì)流引起的熱傳遞，導(dǎo)熱系數(shù)可大幅度降低，從而避免了熱試車(chē)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉄崃總鲗?dǎo)至應(yīng)變片，造成應(yīng)變片精度降低甚至損壞。

6、本發(fā)明的減震塊為6個(gè)be-40減震器，其固有頻率小于15hz，每個(gè)隔振塊可承載40kg，隔振塊置于基礎(chǔ)連接板和定架之間，減小由真空艙基礎(chǔ)傳遞過(guò)來(lái)的外界振動(dòng)。

7、本發(fā)明的推進(jìn)劑管路的布置采用“z”型結(jié)構(gòu)，保證入口部分與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線垂直，降低入口剛度，減小管路約束，進(jìn)一步提高單分力天平的測(cè)量精度。

附圖說(shuō)明

圖1現(xiàn)有測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；

圖2為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；

圖3為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；

圖4為單分力天平測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；

圖5為標(biāo)準(zhǔn)力源的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；

圖6為天平主動(dòng)恒溫裝置的剖視圖

圖7為定架的主視圖；

圖8為圖7的a向剖視圖；

圖9為推進(jìn)劑管路固定裝置的主視圖；

圖10為推進(jìn)劑管路固定裝置的側(cè)視圖；

圖11本發(fā)明采用單分力天平杠桿原理示意圖；

圖12為標(biāo)準(zhǔn)力源控制系統(tǒng)的原理圖。

附圖標(biāo)記如下：

1-基座轉(zhuǎn)接架、2-減震塊、3-定架、4-天平轉(zhuǎn)接板、5-單分力天平測(cè)量裝置、51-天平支架、511-豎直梁、512-水平應(yīng)變梁、5121-前端筋板、5122-中間筋板、5123-后端筋板、52-配重組件、521-平衡杠桿、522-配重塊、53-天平安全防護(hù)裝置、531-天平安全防護(hù)支架、532-限位螺釘、533-固定板、6-推進(jìn)劑管路、7-推進(jìn)劑管路固定裝置、71-下部支架、72-上卡箍、73-螺紋孔、74-下卡箍、8-原位校準(zhǔn)裝置、81-標(biāo)準(zhǔn)力源、811-電動(dòng)缸、812-安裝法蘭、813-轉(zhuǎn)接桿、814-標(biāo)準(zhǔn)力傳感器、815-轉(zhuǎn)接環(huán)、816-加載鋼絲、83-l型支架、84-圓柱形殼體、841-第二進(jìn)水接頭、842-第二出水接頭、85-電動(dòng)缸保護(hù)罩、9-待測(cè)量姿控發(fā)動(dòng)機(jī)、10-應(yīng)變片、11-天平主動(dòng)恒溫裝置、111-水冷夾套結(jié)構(gòu)、112-第一進(jìn)水接頭、113-第一出水接頭。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出的推力校準(zhǔn)測(cè)量裝置包括基座轉(zhuǎn)接架1、減震塊2、定架3、天平轉(zhuǎn)接板4、單分力天平測(cè)量裝置5、推進(jìn)劑管路6、推進(jìn)劑管路固定裝置7以及原位校準(zhǔn)裝置8；

以上幾個(gè)部件的具體功能是：

基座轉(zhuǎn)接架1用于和真空艙基礎(chǔ)進(jìn)行對(duì)接，對(duì)接位置開(kāi)有u型孔，便于安裝位置調(diào)節(jié)，其材料選用碳鋼，結(jié)構(gòu)采用中空設(shè)計(jì)，為保證強(qiáng)度和剛度的前提下，減小其質(zhì)量，中空位置設(shè)計(jì)在承載最小位置，基礎(chǔ)連接板上表面開(kāi)有減震塊連接螺紋盲孔，與減震塊采用螺栓連接。

定架3和天平轉(zhuǎn)接板4用于安裝單分力天平測(cè)量裝置、推進(jìn)劑管路固定裝置，實(shí)現(xiàn)4-25n姿控發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程產(chǎn)生的軸向推力測(cè)量，用于并支撐各組件，并將有關(guān)作用力傳遞至試車(chē)臺(tái)基礎(chǔ)。

減震塊2采用的是be-40減震器，設(shè)計(jì)采用6個(gè)減震器，每個(gè)減震器可承載40kg，隔振塊置于基礎(chǔ)連接板和定架之間，減小由真空艙基礎(chǔ)傳遞過(guò)來(lái)的外界振動(dòng)。

單分力天平測(cè)量裝置5實(shí)現(xiàn)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)小推力測(cè)量，將推力輸入轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出，經(jīng)計(jì)算后，可獲取待測(cè)量姿控發(fā)動(dòng)機(jī)軸向推力。

推進(jìn)劑管路6用于給待測(cè)量姿控發(fā)動(dòng)機(jī)提供推進(jìn)劑。

推進(jìn)劑管路固定裝置7用于將推進(jìn)劑管路整齊、合理、可靠的安裝在定架上。

原位校準(zhǔn)裝置8用于提供標(biāo)準(zhǔn)力源對(duì)單分力天平測(cè)量裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，獲取校準(zhǔn)系數(shù)。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明:

如圖2和圖3所示，基座轉(zhuǎn)接架1與定架3之間均布安裝多個(gè)減震塊2；定架3周邊固定安裝有多個(gè)推進(jìn)劑管路固定裝置6，推進(jìn)劑管路5通過(guò)推進(jìn)劑管路6固定裝置安裝，推進(jìn)劑管路5一端與外部推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)連通，另一端與待測(cè)量姿控發(fā)動(dòng)機(jī)9推進(jìn)劑入口連通；單分力天平測(cè)量裝置5通過(guò)天平轉(zhuǎn)接板4安裝在定架3的一端，原位校準(zhǔn)裝置8安裝在定架3的另一端；

如圖4所示，單分力天平測(cè)量裝置5包括天平支架51、配重組件52以及天平安全防護(hù)裝置53；

天平支架51包括豎直梁511以及水平應(yīng)變梁512；豎直梁511的頂部安裝待測(cè)量姿控發(fā)動(dòng)機(jī)9，待測(cè)量姿控發(fā)動(dòng)機(jī)9的推力方向垂直于豎直梁511；配重組件52安裝在豎直梁511中部；豎直梁511的底部與水平應(yīng)變梁512上端面固連，水平應(yīng)變梁512的下端面設(shè)置有前端筋板、中間筋板以及后端筋板；水平應(yīng)變梁分別通過(guò)前端筋板、中間筋板以、后端筋板與天平轉(zhuǎn)接板4固定連接；水平應(yīng)變梁512上按全橋方式貼覆有應(yīng)變片10；

如圖7和8所示，定架3材料選擇1cr18ni9ti，用于實(shí)現(xiàn)單分力天平測(cè)量裝置5等部件的連接，其表面開(kāi)有等間距的t型槽，并開(kāi)有高精度定位孔，用于單分力天平精確安裝；天平轉(zhuǎn)接板4用于實(shí)現(xiàn)單分力天平測(cè)量裝置5和定架3的活動(dòng)連接，其連接方式為螺栓連接，轉(zhuǎn)接板上開(kāi)有u型槽及相應(yīng)的高精度定位孔，保證安裝后處于定架中間對(duì)稱(chēng)面位置，設(shè)u型槽長(zhǎng)度為lu，相鄰t型槽中心距為lt，設(shè)計(jì)lu≥2lt，則在沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸線方向移動(dòng)時(shí)，任意位置都至少有兩個(gè)t型槽與之相交，從而可以實(shí)現(xiàn)單分力天平無(wú)級(jí)移動(dòng)固定，方便不同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝固定。

如圖4所示，配重組件52包括平衡杠桿521以及配重塊522；平衡杠桿521垂直于在豎直梁511中部，平衡杠桿521包括固定端和懸空端；固定端至懸空端之間開(kāi)設(shè)長(zhǎng)條孔；固定端與豎直梁5111中部固定連接，配重塊522通過(guò)螺栓固定在長(zhǎng)條孔上；平衡杠桿521上設(shè)置有刻度線。配重塊522可在平衡杠桿521之上移動(dòng)調(diào)整，確定其平衡位置，平衡杠桿之上設(shè)計(jì)有刻度線，保證同一臺(tái)產(chǎn)品多次試驗(yàn)時(shí)處于相同的試驗(yàn)狀態(tài)。

天平安全防護(hù)裝置53包括天平安全防護(hù)支架531以及限位螺釘532；天平安全防護(hù)支架531的一端固定安裝在定架3上，另一端設(shè)置有兩塊平行的固定板533，豎直梁511中部位于兩塊固定板533之間，兩塊固定板533之間的距離大于豎直梁511中部的厚度，其中一塊固定板533上安裝限位螺釘532，限位螺釘532的螺紋段穿過(guò)所述固定板533與所述豎直梁511接觸。實(shí)際使用過(guò)程中將限位螺釘頂緊豎直梁，則可保證超出載荷由固定支架吸收，從而保護(hù)傳感器不受損害。

如圖6所示，本發(fā)明的校準(zhǔn)測(cè)量裝置還包括采用強(qiáng)制水冷對(duì)流方式，使應(yīng)變片10始終處于22±1℃的恒溫環(huán)境中，保證的測(cè)量精度的天平主動(dòng)恒溫裝置11；天平主動(dòng)恒溫裝置11包括固定安裝在定架上并且位于豎直梁511兩側(cè)的剖分式水冷夾套結(jié)構(gòu)111；水冷夾套結(jié)構(gòu)111構(gòu)成一個(gè)與外界空間隔離的空腔；所述水平應(yīng)變梁512位于所述空腔內(nèi)；

水冷夾套結(jié)構(gòu)111的側(cè)壁為空心結(jié)構(gòu)，水冷夾套結(jié)構(gòu)111上安裝有第一進(jìn)水接頭112與第一出水接頭113；第一進(jìn)水接頭112靠近水冷夾套結(jié)構(gòu)111下部設(shè)置，第一出水接頭113靠近水冷夾套結(jié)構(gòu)111上部設(shè)置。水冷夾套結(jié)構(gòu)111材料為不銹鋼，表面拋光處理，在對(duì)裝置內(nèi)部進(jìn)行水冷換熱的同時(shí)，還可以增大外界輻射熱反射，從而保證在熱試車(chē)過(guò)程中，測(cè)力傳感器可以處于22±1℃的恒溫環(huán)境，保證其測(cè)量精度，同時(shí)上進(jìn)下出的接頭布置，可以保證水冷夾套結(jié)構(gòu)的空心結(jié)構(gòu)內(nèi)冷卻水盡可能的多，確保恒溫效果。

如圖9和10所示，推進(jìn)劑管路固定裝置7包括下部支架71和上卡箍72，所述下部支架71的底面開(kāi)設(shè)有螺紋孔73，下部支架71的上端為與所述上卡箍72相適配的下卡箍74，上卡箍72和下卡箍74通過(guò)螺栓連接，從而實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑管路的緊固。

另外，水平應(yīng)變梁512與天平轉(zhuǎn)接板4之間、豎直梁511頂部與待測(cè)量姿控發(fā)動(dòng)機(jī)9之間均設(shè)置真空隔熱板12，目的是為了有效避免空氣對(duì)流引起的熱傳遞，導(dǎo)熱系數(shù)可大幅度降低，從而避免了熱試車(chē)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉄崃總鲗?dǎo)至應(yīng)變片，造成應(yīng)變片精度降低甚至損壞。

單分力天平測(cè)量裝置采用杠桿原理，將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力通過(guò)杠桿+彈性轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)方法，將發(fā)動(dòng)機(jī)推力轉(zhuǎn)換為力矩，再將水平應(yīng)變梁設(shè)計(jì)于力臂較小的位置，水平應(yīng)變梁上按全橋方式貼有應(yīng)變片，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)相同推力的量級(jí)下，相比傳統(tǒng)彈簧式測(cè)力機(jī)構(gòu)可大大增加水平應(yīng)變梁的變形量，從而提高其靈敏度,其原理示意圖如圖11所示，水平應(yīng)變梁上的最大應(yīng)變?chǔ)排c發(fā)動(dòng)機(jī)推力f有如下關(guān)系；

其中，a為水平應(yīng)變梁橫截面積，e為水平應(yīng)變梁的彈性模量，wz為豎直梁的抗彎截面系數(shù)，y為待測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)在豎直梁的安裝位置到豎直梁與水平應(yīng)變梁相交的位置之間的豎直高度.

試驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)入口段管路采用硬管。由于管路內(nèi)的推進(jìn)劑會(huì)在進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)入口時(shí)流動(dòng)方向發(fā)生改變，從而在推力測(cè)量時(shí)引入附加力值，依據(jù)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)要求，入口管路應(yīng)垂直于推力軸向走向，并使氧化劑和燃料管道對(duì)稱(chēng)于推力軸線，則可以使液體壓力和液體流動(dòng)所產(chǎn)生的“負(fù)推力”減至最小值，為了降低管路剛度，推進(jìn)劑管路6布置采用“z”型結(jié)構(gòu)，燃料與氧化劑管路通過(guò)管路固定裝置在定架上固定。

參見(jiàn)圖2，原位校準(zhǔn)裝置8包括標(biāo)準(zhǔn)力源81、標(biāo)準(zhǔn)力源控制系統(tǒng)以及l(fā)型支架83；

l型支架83的底部與定架3固定連接；l型支架83頂部與所述豎直梁511安裝待測(cè)量姿控發(fā)動(dòng)機(jī)等高的位置安裝標(biāo)準(zhǔn)力源81；如圖4所示，標(biāo)準(zhǔn)力源81包括電動(dòng)缸811、安裝法蘭812、轉(zhuǎn)接桿813、標(biāo)準(zhǔn)力傳感器814、轉(zhuǎn)接環(huán)815以及加載鋼絲816；

參見(jiàn)圖5，電動(dòng)缸811通過(guò)安裝法蘭812垂直固定安裝于l型支架83上(實(shí)際上電動(dòng)缸811與安裝法蘭812通過(guò)4個(gè)螺栓固定，安裝法蘭812上設(shè)計(jì)加工有定位凸臺(tái)，用于連接電動(dòng)缸811和支撐架時(shí)的精確定位，保證電動(dòng)缸安裝的同軸度)，電動(dòng)缸811的輸出端通過(guò)轉(zhuǎn)接桿813與標(biāo)準(zhǔn)力傳感器814連接；標(biāo)準(zhǔn)力傳感器814的輸出端安裝轉(zhuǎn)接環(huán)815；加載鋼絲816一端與轉(zhuǎn)接環(huán)815連接，另一端與待測(cè)量姿控發(fā)動(dòng)機(jī)9的中軸線連接；為了避免高溫環(huán)境對(duì)標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的影響，原位校準(zhǔn)裝置還包括固定安裝在l型支架83上的圓柱形殼體84，標(biāo)準(zhǔn)力傳感器814位于圓柱形殼體84內(nèi)；圓柱形殼體84的外壁為空心結(jié)構(gòu)，圓柱形殼體84的外壁上安裝有第二進(jìn)水接頭841與第二出水接頭842；第二進(jìn)水接頭841靠近圓柱形殼體84中心下部設(shè)置，第二出水接頭842靠近圓柱形殼體84中心上部設(shè)置。為了對(duì)電動(dòng)缸811進(jìn)行保護(hù)，原位校準(zhǔn)裝置8還包括固定在l型支架上的電動(dòng)缸保護(hù)罩85，電動(dòng)缸811位于電動(dòng)保護(hù)罩85內(nèi)。

標(biāo)準(zhǔn)力傳感器814選用hbms2標(biāo)準(zhǔn)力傳感器，其量程為50n，測(cè)量精度0.05％。轉(zhuǎn)接環(huán)815用于加載鋼絲816和標(biāo)準(zhǔn)力傳感器814的連接，其一端加工有與標(biāo)準(zhǔn)力傳感器814匹配的外螺紋，另外一端開(kāi)有φ0.2的通孔，用于加載鋼絲816固定，加載鋼絲816一端穿過(guò)φ0.2通孔，采取錫焊澆注方式進(jìn)行固連，保證鋼絲連接強(qiáng)度和同軸度。加載鋼絲采用低彈性、高強(qiáng)度、低剛度的合金鋼絲，確保加載過(guò)程中無(wú)拉力遲滯，卸載過(guò)程中無(wú)內(nèi)力干擾。為了降低加載裝置的重量，電動(dòng)缸轉(zhuǎn)接桿、標(biāo)準(zhǔn)力轉(zhuǎn)接環(huán)、安裝法蘭均采用輕質(zhì)材料lv12制作。

如圖12所示，標(biāo)準(zhǔn)力源控制系統(tǒng)包括力源控制計(jì)算機(jī)、can總線、mp30數(shù)據(jù)采集單元、hbm標(biāo)準(zhǔn)力傳感器、smc電動(dòng)缸、伺服驅(qū)動(dòng)器、plc控制器、網(wǎng)線；

力源控制計(jì)算機(jī)執(zhí)行設(shè)定的標(biāo)定程序，在某個(gè)檔位確定了加載的標(biāo)準(zhǔn)力值后，通過(guò)plc控制器控制伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)缸產(chǎn)生的實(shí)際力值作用于單分力天平測(cè)量裝置，并由mp30數(shù)據(jù)采集單元采集，再通過(guò)can總線將實(shí)際力值實(shí)時(shí)傳輸給力源控制計(jì)算機(jī)，力源控制計(jì)算機(jī)內(nèi)的軟件將實(shí)際力值與標(biāo)準(zhǔn)力值比較，形成閉環(huán)控制，當(dāng)實(shí)際力值與標(biāo)準(zhǔn)力值在允許誤差范圍內(nèi)時(shí)，停止標(biāo)準(zhǔn)力加載，并將該數(shù)據(jù)傳輸給力源控制計(jì)算機(jī)，然后執(zhí)行下一個(gè)檔位的運(yùn)動(dòng)控制。

該校準(zhǔn)測(cè)量裝置的具體實(shí)施流程如下：

1、狀態(tài)檢查

通過(guò)給單分力天平測(cè)量裝置中的應(yīng)變片供橋壓，并通過(guò)壓力回測(cè)系統(tǒng)顯示當(dāng)前橋壓，數(shù)據(jù)采集單元能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)變片信號(hào)實(shí)時(shí)采集，沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸向?qū)μ炱街Ъ苁┘恿χ?，?duì)應(yīng)變片橋路輸出進(jìn)行檢查，確認(rèn)橋路輸出正確，數(shù)據(jù)采集單元可對(duì)標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的壓力進(jìn)行調(diào)整，并實(shí)時(shí)采集標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的輸出電壓值。

2、小推力姿控發(fā)動(dòng)機(jī)安裝

產(chǎn)品安裝前，應(yīng)將測(cè)量裝置中天平安全防護(hù)裝置鎖死，防止安裝過(guò)程中應(yīng)變片過(guò)載失效，確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車(chē)過(guò)程中的推力在應(yīng)變片量程范圍之內(nèi)，通過(guò)天平轉(zhuǎn)接板將待測(cè)量姿控發(fā)動(dòng)機(jī)與天平支架安裝。

3、約束系統(tǒng)安裝

按照測(cè)量裝置設(shè)計(jì)要求安裝推進(jìn)劑管路、姿控發(fā)動(dòng)機(jī)控制氣管路及壓力、溫度振動(dòng)測(cè)量線纜，連接天平主動(dòng)恒溫裝置以及標(biāo)準(zhǔn)力傳感器恒溫裝置的循環(huán)水路，并啟動(dòng)循環(huán)水，將各種管路及線纜固定牢固。確保各種管路，線纜無(wú)干涉現(xiàn)象。調(diào)整平衡配重位置，直至數(shù)據(jù)采集單元顯示單分力天平測(cè)量裝置輸出信號(hào)為零，此時(shí)天平處于平衡狀態(tài)。

4、原位校準(zhǔn)

檢查并確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)已處于熱試車(chē)狀態(tài)，推進(jìn)劑管路增壓至試驗(yàn)額定壓力。預(yù)加載力值為額定推力的120％，加載不少于三次，由零到120％額定載荷推力分6個(gè)檔位進(jìn)行加載，每次分別做升程加載和回程卸載，同時(shí)記錄天平測(cè)力傳感器信號(hào)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

5、單分力天平測(cè)量裝置系數(shù)計(jì)算

依據(jù)流程(4)原位校準(zhǔn)所得數(shù)據(jù)，利用最小二乘法計(jì)算出其線性相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)偏差，并將上述兩個(gè)參數(shù)設(shè)置至力源控制計(jì)算機(jī)中。具體計(jì)算方法如下：

最小二乘法擬合一組變量之間的線性方程(y＝bx+a)，對(duì)于原位校準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)而言，x為某一檔位的標(biāo)準(zhǔn)力值，y為該檔位對(duì)應(yīng)的同時(shí)采集到的測(cè)量力值。實(shí)際校準(zhǔn)過(guò)程中會(huì)采集到不同檔位的升回程標(biāo)準(zhǔn)力值和測(cè)量力值，并重復(fù)3遍，從而獲取一組標(biāo)定數(shù)據(jù)[xi,yi]，兩變量之間的相關(guān)性用相關(guān)系數(shù)(r)來(lái)表示。

斜率b的計(jì)算公式為公式

截距a的計(jì)算公式為公式：

相關(guān)系數(shù)是衡量一組測(cè)量數(shù)據(jù)xi、yi線性相關(guān)程度的參量，其定義為：

r值在0<|r|≤1中。|r|越接近于1，x、y之間線性好；r為正，直線斜率為正，稱(chēng)為正相關(guān)；r為負(fù)，直線斜率為負(fù)，稱(chēng)為負(fù)相關(guān)。|r|接近于0，則測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)分散或xi、yi之間為非線性。

在最小二乘法中，假定自變量誤差可以忽略不計(jì)，是為了方便推導(dǎo)回歸方程。操作中函數(shù)的誤差大于自變量的誤差即可認(rèn)為滿足假定。實(shí)際上兩者均是變量，都有誤差，從而導(dǎo)致結(jié)果y、a、b的標(biāo)準(zhǔn)差(n≥6)如下：

(根式的分母為n-2,是因?yàn)橛袃蓚€(gè)變量)

本校準(zhǔn)系統(tǒng)中獲取的標(biāo)準(zhǔn)偏差即為σy

6、系數(shù)檢查

對(duì)天平支架施加軸向標(biāo)準(zhǔn)力，并由采集設(shè)備記錄應(yīng)變片的輸出信號(hào)，用標(biāo)定所得系數(shù)對(duì)采集的數(shù)據(jù)處理，檢查單分力天平測(cè)量裝置中應(yīng)變片的輸出力值與標(biāo)準(zhǔn)力值的一致性，并多次進(jìn)行升回程加載，檢查其重復(fù)性。(注：這里的重復(fù)性主要是針對(duì)測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)幾次升回程加載，看其在每個(gè)力加載檔位的測(cè)量輸出是否一致，如果一致性很好，表明測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定性很好，也即其重復(fù)性很好)

7、準(zhǔn)備熱試車(chē)

試加載校驗(yàn)無(wú)誤后，電動(dòng)缸歸零，加載鋼絲不再受力，此時(shí)一體化裝置已處于熱試車(chē)狀態(tài)。