姿控發(fā)動機(jī)矢量推力測量校準(zhǔn)一體化裝置及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及航天發(fā)動機(jī)試驗，具體地說設(shè)及姿控發(fā)動機(jī)工作過程中，矢量推力準(zhǔn) 確獲取的試驗方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 理想狀態(tài)下，發(fā)動機(jī)推力與發(fā)動機(jī)中屯、軸線重合，但實際情況往往是：由于加工精 度的限制，非對稱因素的影響，形成發(fā)動機(jī)的幾何不對稱性，或者高溫高壓情況下發(fā)動機(jī)喉 部與噴管的變形W及燃?xì)庠趪姽軆?nèi)的不對稱流動，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)推力作用線偏離發(fā)動機(jī)中屯、 軸線，從而產(chǎn)生了推力偏屯、、出現(xiàn)側(cè)向推力和主推力矢量繞推進(jìn)器質(zhì)屯、的力矩，推力偏屯、的 存在不僅影響導(dǎo)彈的飛行性能，而且還直接影響發(fā)動機(jī)本身的性能及入軌精度和使用壽 命。為保證導(dǎo)彈的發(fā)射萬無一失，發(fā)動機(jī)推力矢量誤差應(yīng)嚴(yán)格控制。武器系統(tǒng)總體對發(fā)動機(jī) 推力矢量要求偏屯、角和偏移滿足一定指標(biāo)，如果發(fā)動機(jī)的偏屯、角過大，會使導(dǎo)彈武器飛行 過程中有可能失敗，即使能夠完成定點，也需要彈體上的姿控發(fā)動機(jī)不停的糾偏而大量消 耗燃料，導(dǎo)致命中率降低。對于目前世界各國戰(zhàn)略武器發(fā)展的激烈競爭，運種影響命中率的 技術(shù)難題不能滿足我國武器系統(tǒng)精確控制的要求。針對運些問題，在某型號2000N發(fā)動機(jī)研 制過程中，提出了矢量推力測量的技術(shù)要求。
[0003] 在對發(fā)動機(jī)推力矢量測試方面，早期使用傳統(tǒng)的Ξ點支撐式推力壓力實驗臺配合 光線示波器組成測試系統(tǒng)，運種系統(tǒng)精度低，示波器無法測量快速變化的信號并且不具備 數(shù)據(jù)處理能力，已不能滿足科研的需要。隨著推力矢量測量技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)研究人員在發(fā) 動機(jī)推力偏屯、測量方面展開了很多研究，目前在矢量推力測試中較多采用了六分力臺架測 試裝置加上計算機(jī)化的測試系統(tǒng)，運樣方便、快捷，使測量的精確度及處理結(jié)果的質(zhì)量都大 為的提局。
[0004] 美國于20世紀(jì)60年代開始使用六分力試車臺，對具有推力矢量控制機(jī)構(gòu)的發(fā)動機(jī) 的推力矢量進(jìn)行試驗測量，有效提高了測試精度。日本于20世紀(jì)70年代也開展了運方面的 研究與應(yīng)用。國外對火箭發(fā)動機(jī)推力矢量測試技術(shù)基本處于保密狀態(tài)，先進(jìn)的火箭發(fā)動機(jī) 推力測量技術(shù)能查到的相對較少。我國于20世紀(jì)70年代也開始了矢量推力測量技術(shù)研究， 目前也基本采用推力偏屯、試驗臺（六分力試驗臺）來進(jìn)行推力矢量的測量。
[0005] 但現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用于主推力和側(cè)向力相差很多的矢量推力測量時存在W下難題：
[0006] (1)受復(fù)雜的安裝曉性件的影響，向間相互干擾大是較難解決的問題，即于一個方 向施加載荷時，其它方向均會產(chǎn)生輸出，會導(dǎo)致側(cè)向力"淹沒"在干擾量內(nèi)，使得其測量精度 達(dá)不到要求。
[0007] (2)由于液體火箭發(fā)動機(jī)工作，需要試驗臺持續(xù)的給發(fā)動機(jī)供應(yīng)推進(jìn)劑，并且需要 實時進(jìn)行多參數(shù)測量，因此采用矢量力傳感器直接進(jìn)行液體火箭發(fā)動機(jī)矢量推力測量時， 傳感器測量的力值并不是真正的2000N發(fā)動機(jī)矢量推力，而是被推進(jìn)劑供應(yīng)管路、控制氣管 路、測量線纜等約束環(huán)節(jié)消耗后的矢量力，運導(dǎo)致矢量力傳感器測量到的力值遠(yuǎn)小于發(fā)動 機(jī)真實的矢量推力。
[0008] (3)供應(yīng)管路的存在，會影響矢量推力測量裝置的相間互擾系數(shù)
[0009] (4)2000N姿控發(fā)動機(jī)高空模擬試驗過程中，大噴管狀態(tài)下的高溫福射會導(dǎo)致矢量 推力測量裝置產(chǎn)生較大的溫升，最高可達(dá)200°C，高溫引入了較大的測量不確定度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為了實現(xiàn)姿控發(fā)動機(jī)矢量推力測量要求，解決相間互擾大、約束環(huán)節(jié)及高溫環(huán)境 引入的不確定度多等問題，本發(fā)明提高一種姿控發(fā)動機(jī)矢量推力測量校準(zhǔn)一體化裝置及測 量方法。
[0011] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案：
[0012] 姿控發(fā)動機(jī)矢量推力測量校準(zhǔn)一體化裝置，其特殊之處在于:包括發(fā)動機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)矢 量力力源、加載機(jī)構(gòu)、矢量力測量單元、數(shù)據(jù)處理模塊W及原位推力計算模塊，
[0013] 所述標(biāo)準(zhǔn)矢量力力源用于根據(jù)執(zhí)行要求產(chǎn)生并控制9個標(biāo)準(zhǔn)力作用在加載機(jī)構(gòu) 上；
[0014] 所述加載機(jī)構(gòu)用于固定待校準(zhǔn)的矢量力傳感器，并將9個標(biāo)準(zhǔn)力施加在不同的地 方完成待校準(zhǔn)矢量力傳感器的Ξ個方向的力載荷Fx、Fy、FzW及Ξ個方向的力矩載荷Mx、 My、Mz的加載；
[0015] 所述矢量力測量單元用于對待測矢量力傳感器輸出的電壓信號的進(jìn)行采集并存 儲至數(shù)據(jù)處理模塊，同時為待校準(zhǔn)矢量力傳感器的7個應(yīng)變橋單獨提供激勵，并對所提供激 勵進(jìn)行回測；
[0016] 所述數(shù)據(jù)處理模塊用于接收來自標(biāo)準(zhǔn)矢量力力源的加載結(jié)果和矢量力測量單元 的測量結(jié)果，并進(jìn)行存儲對，后通過計算獲取待校準(zhǔn)矢量力傳感器的校準(zhǔn)系數(shù)；
[0017] 所述原位推力計算模塊用于在裝置處于測量狀態(tài)時，根據(jù)已得到校準(zhǔn)系數(shù)W及采 集到的電壓信號計算所施加在發(fā)動機(jī)法蘭面的力。
[0018] 標(biāo)準(zhǔn)矢量力力源包括力源控制模塊、PLC控制器、9個伺服驅(qū)動器、9個電動缸、9個 標(biāo)準(zhǔn)傳感器W及采集設(shè)備，
[0019] 9個伺服驅(qū)動器、9個電動缸和9個標(biāo)準(zhǔn)力傳感器一一對應(yīng)，依次連接；
[0020] 所述力源控制模塊包括施加指令產(chǎn)生模塊、比較模塊W及施加結(jié)果反饋模塊，所 述采集設(shè)備用于采集用于在標(biāo)準(zhǔn)力傳感器上的實時力值并反饋給力源控制模塊;PLC控制 器控制對應(yīng)電動缸運動，電動缸產(chǎn)生的力作用于對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)力傳感器上；
[0021] 所述施加指令產(chǎn)生模塊用于根據(jù)矢量力傳感器校準(zhǔn)程序產(chǎn)生施加指令發(fā)送給化C 控制器，同時將施加指令中包含的施加標(biāo)準(zhǔn)力值發(fā)送給比較模塊；
[0022] 所述比較模塊用于接收數(shù)據(jù)采集設(shè)備反饋的實時力值，并與需要施加的標(biāo)準(zhǔn)力值 進(jìn)行比較后，根據(jù)比較結(jié)果向施加指令產(chǎn)生模塊或施加結(jié)果反饋模塊發(fā)送指令；當(dāng)實時力 值與標(biāo)準(zhǔn)力值在差值在允許范圍內(nèi)，向施加指令產(chǎn)生模塊發(fā)送停止施加指令，同時向施加 結(jié)果反饋模塊發(fā)送施加結(jié)果。
[0023] 上述加載機(jī)構(gòu)包括加載裝置和定位組件，
[0024] 所述加載裝置包括加載頭、連桿、傳感器安裝法蘭W及后法蘭，所述加載頭的一端 與發(fā)動機(jī)連接，所述加載頭的另一端通過連桿與后法蘭連接，所述傳感器安裝法蘭位于后 法蘭與加載頭之間，待校準(zhǔn)矢量力傳感器的一端固定在傳感器安裝法蘭上，待校準(zhǔn)矢量力 傳感器的另一端固定在加載頭上；
[0025] 設(shè)加載頭的中屯、位置為原點，加載頭與水平面平行的為X軸，與水平面垂直的為Z 軸，發(fā)動機(jī)的中軸線為Y軸；
[0026] 所述加載頭上的設(shè)置有六個拉環(huán)和兩個壓座;后法蘭上設(shè)置有第屯拉環(huán)；
[0027] 拉環(huán)用于實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)拉力的施加，具有3自由度，對施加的標(biāo)準(zhǔn)拉力具有補償作用； 壓座用于實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)壓力的施加，具有3自由度，對施加的標(biāo)準(zhǔn)推力具有補償作用;六個拉環(huán) 和兩個壓座通過組合的方式實現(xiàn)巧、Fz、Mx、My和Mz標(biāo)準(zhǔn)力的施加；
[0028] 第一拉環(huán)位于加載頭的X軸上，標(biāo)準(zhǔn)拉力F1通過第一拉環(huán)作用在加載頭上，標(biāo)準(zhǔn)拉 力F1的方向與X軸同向；第二、Ξ拉環(huán)分別位于X軸上且WY軸對稱設(shè)置，標(biāo)準(zhǔn)拉力F6通過第 二拉環(huán)作用在加載頭上，標(biāo)準(zhǔn)拉力巧通過第Ξ拉環(huán)作用在加載頭上，標(biāo)準(zhǔn)拉力F6、標(biāo)準(zhǔn)拉力 F7的均與Z軸平行，方向相反且大小相同；第四拉環(huán)位于X軸上，第一壓座位于X軸上，第四拉 環(huán)與第一壓座WZ軸對稱設(shè)置;標(biāo)準(zhǔn)推力F8通過第一壓座作用在加載頭上，標(biāo)準(zhǔn)拉力F9通過 第四拉環(huán)作用在加載頭上，標(biāo)準(zhǔn)推力F8與標(biāo)準(zhǔn)拉力F9均與Z軸平行，方向相反且大小相同； 第五拉環(huán)位于加載頭的Z軸上，標(biāo)準(zhǔn)拉力F3通過第一拉環(huán)作用在加載頭上，標(biāo)準(zhǔn)拉力F3的方 向與Z軸同向；第六拉環(huán)位于加載頭的Z軸上，第二壓座位于加載頭的Z軸上，第六拉環(huán)與第 二壓座WX軸對稱設(shè)置，標(biāo)準(zhǔn)拉力巧通過第六拉環(huán)作用在加載頭上，標(biāo)準(zhǔn)推力F4通過第二壓 座作用在加載頭上，標(biāo)準(zhǔn)拉力F5與標(biāo)準(zhǔn)推力F4均與Y軸平行，方向相反且大小相同；標(biāo)準(zhǔn)拉 力F2通過第屯拉環(huán)作用在后法蘭上，標(biāo)準(zhǔn)拉力F2的方向與Y軸一致;9個電動缸分別作用在 六個拉環(huán)、兩個壓座和第屯拉環(huán)上；
[0029] 所述定位組件包括定架6、標(biāo)定架7W及推力墻8,所述傳感器安裝法蘭固定在推力 墻上，作用在第屯拉環(huán)上的電動缸固定在標(biāo)定架上，作用在第四拉環(huán)和第一壓座上的電動 缸固定在推力墻上，其余的電動缸均固定在定架上。
[0030] 上述發(fā)動機(jī)與矢量力傳感器之間的管路采用W下方式固定：
[0031] 在管路距離矢量力傳感器之間3-4m處固定在定架上，后將管路環(huán)繞3-4圈放置。
[0032] 上述數(shù)據(jù)處理模塊包括標(biāo)準(zhǔn)力判斷模塊、標(biāo)準(zhǔn)力采集模塊、電壓信號采集模塊、存 儲模塊W及校準(zhǔn)系數(shù)計算模塊，
[0033] 所述標(biāo)準(zhǔn)力判斷模塊用于接收來自標(biāo)準(zhǔn)矢量力力源的是否為正確的加載結(jié)果，并 在加載結(jié)果正確時，將加載的標(biāo)準(zhǔn)力值發(fā)送給標(biāo)準(zhǔn)力采集模塊，同時通知電壓信號采集模 塊采集與該加載結(jié)果對應(yīng)的電壓信號；
[0034] 所述標(biāo)準(zhǔn)力采集模塊用于采集標(biāo)準(zhǔn)力判斷模塊發(fā)送的標(biāo)準(zhǔn)力值，并發(fā)送給存儲模 塊;所述電壓信號采集模塊用于從矢量力測量單元采集對應(yīng)的電壓信號，并發(fā)送給存儲模 塊;所述存儲模塊用于按照對應(yīng)的關(guān)系存儲采集到的標(biāo)準(zhǔn)力值和電壓信號；
[0035] 所述校準(zhǔn)系數(shù)計算模塊用于在九個標(biāo)準(zhǔn)力加載完成后，從存儲模塊中讀取對應(yīng)的 數(shù)據(jù)按照單元校準(zhǔn)法計算待校準(zhǔn)矢量力傳感器的校準(zhǔn)系數(shù)。
[0036] 上述原位推力計算模塊包括解禪計算模塊、校準(zhǔn)系數(shù)存儲模塊W及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模 塊，
[0037] 所述解禪計算模塊用于在測量狀態(tài)下從電壓信號采集模塊得到當(dāng)前的測量電壓 值，后從校準(zhǔn)系數(shù)存儲模塊讀取校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行解禪計算得到相對矢量力傳感器校準(zhǔn)中屯、的 載荷；
[0038] 所述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊用于將相對矢量力傳感器校準(zhǔn)中屯、的載荷變換到發(fā)動機(jī)法蘭 面給定的坐標(biāo)系