CN107202660A - 4‑25n姿控发动机真空热环境稳态推力校准测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及4‑25N姿控发动机真空热环境稳态推力校准测量装置。该装置包括基座转接架、减震块、定架、天平转接板、单分力天平测量装置、推进剂管路、推进剂管路固定装置以及原位校准装置；基座转接架与定架之间均布安装多个减震块；定架周边固定安装有多个推进剂管路固定装置，推进剂管路通过推进剂管路固定装置安装，推进剂管路一端与外部推进剂供应***连通，另一端与待测量姿控发动机推进剂入口连通；单分力天平测量装置通过天平转接板安装在定架的一端，原位校准装置安装在定架的另一端；本发明满足了4‑25N姿控发动机小推力校准测量要求，解决测量过程中由于管路约束、高温、振动引入的不确定度多，且不适合在试车前校准、校准精度差等问题。

Description

4-25N姿控发动机真空热环境稳态推力校准测量装置

技术领域

本发明涉及航天液体发动机试验，具体涉及4-25N姿控发动机真空 热环境稳态推力校准测量装置。

背景技术

液体火箭发动机作为目前最为成熟的推进***之一，具有诸多独特 的优势，仍然是各国努力发展的主力推进***，并且在大推力和小推力 方面都取得了诸多成果，目前美国仍然在大多数推进***方面领先世 界，俄罗斯则继续保持液体推进特别是大推力液体火箭方面的领先地 位，欧盟和日本在追赶美国的技术水平，以中国为代表的第三世界国家也开始在液体推进领域同传统强国展开竞争。

火箭发动机是火箭推进***的一部分。推进***是由发动机(固、 液、冲压、姿控)、增压***、贮箱设备及有关设备等组成。不论大推 力液体火箭发动机，还是小推力液体火箭发动机，只要把增压***、贮 箱、推进剂供应***与发动机连在一起就可称为推进***。多年来，我 国的大推力液体火箭发动机研制单位只研制和交付发动机，而从事姿控发动机的研制单位，不仅要研制姿控火箭发动机，还要交付包括贮箱、 气瓶以及含增压***在内的整个推进***。

关于小推力液体火箭发动机的定义有不同的说法，我国文献及出版 物中一般将小推力划分在0.02—2000N(0.002—200公斤)之间。阿列 玛索夫在其著作《火箭发动机原理》一书中把推力从0.01—1600N的液 体火箭发动机归入小推力发动机。不论运载、导弹、卫星、飞船上使用 何种用途的发动机(推进剂沉底、末速修正、轨道修正、位置保持、姿 态控制等)，均属于小推力发动机的范畴。

随着空间任务的丰富，小推力、高比冲的推进器得到越来越多的应 用，而完成此类推进装置的地面试验特性的研究，低量级的推力测试是 一项必须突破的关键技术。

国内有学者针对小推力测量存在的技术难点，提出了根据应用的推 力传感器不同，测试台架可采用压电式传感器和应变式传感器两种方 案：

使用压电式传感器的优点在于动态特性好，高刚度，推进剂管道影 响小，其缺点是静态精度较低，对小力值不能进行长时间稳定测量，高 内阻抗，电干扰性能差，安装预紧力及湿温度影响大；

使用应变式传感器的优点在于稳态精度高，低内阻输出，抗电干扰 性能好，其缺点是动态特性差，需后续附加处理，推进剂管路刚度影响 大，工作温度范围较窄。

测试技术学报.Vol.18 Supp.2004公开的一篇名为《实现微牛级动 态推力测试的方法和试验研究》提出了一种微牛级的测试方法[8]，其 基本思想是将微牛级推力通过悬臂梁转换成微米级位移，然后通过微位 移传感器测试该微位移，得到微推力大小。其测试推力可达2μ^N左右。

另外，宇航学报[J].Vol.29.No2,March 2008公开的一篇名为《真 空环境下微推力测量的研究》提出了真空环境下微推力的测量方法，提 出了利用杠杆力的放大原理，将推力值放大从而能够被传感器准确检测 到。

但是如果采用上述两种传统测量方法运用于4-25N量级小推力测量 时会存在如下难题：

(1)推力动架和定架之间的支撑件、约束件(弹簧片)的影响。

(2)推进剂管路布置以及推进剂管路内压力和流体动量的影响。

(3)热试车过程中，发动机主阀门后的管路、推力室头部、喷管 冷却夹套内的推进剂填充量和烧蚀式喷管的烧蚀量变化，会引起发动机 重力的变化，因此会影响推力测量的准确度。

(4)小推力火箭发动机本身质量和推力较小，测试中容易受台架 结构非线性及周围环境的影响，同时发动机机体在热试车时温度较高， 对与其连接的组件及传感器等有不均匀热传导和热辐射，会带来结构非 线性以及传感器温漂等不利影响，高温会引入较大的测量不确定度。这 就要求台架及传感器具有良好的动态特性，较高的静态精度，抗干扰能力强，同时能够进行长时间稳定测量，但一般电压式和应变式传感器应 用特点比较强，很难同时满足以上要求。

(5)为保证试车所需真空度的大量机械泵、引射***等机械设备 不可避免的对测量过程造成一定影响，其振动会引入相应的测量不确定 度。

根据4-25N姿控发动机真空热环境稳态推力测量技术要求，目前采 用了如图1所示的装置实现小推力测量，具体是将发动机003直接悬挂 于传感器上，由发动机承受发动机的重量，然后进行推力测量，传感器 采用轮辐式弹性元件001，在弹性元件001上粘贴有应变片002，见图1 所示，但目前采用的装置存在以下问题：

(1)在4-25N姿控发动机稳态推力测量过程中，发动机水平安装 固定于传感器上，在发动机的重量作用下，传感器受弯矩作用，会在垂 直方向产生一定的形变，在热试车过程中由于推力室烧蚀引起的发动机 质量变化对传感器也会造成测量干扰，且这些影响在试前无法进行精确 理论计算分析，这些状态均与试验室校准环境不同；

(2)在4-25N姿控发动机稳态推力测量过程中，大气压力、环境 温度与试验室校准环境不同，导致应用试验室校准系数计算发动机推力 时其精度降低；

(3)在推力测量过程中，推进剂供应管路安装存在管路约束，必 然会产生一定的初始力值，在进行多次试验时需要重复安装管路，这导 致初始力值在每次试验过程也不完全相同，这些状态也在试验室内无法 模拟；

(4)在发动机热试车过程中，推进剂供应管路会随着发动机的推 力变化而产生一定形变，从而产生额外约束力，这就导致发动机的推力 传递效率降低，因此，由天平传感器测得的力值是小于发动机的真实推 力的。

同时目前的测量***的校准也存在缺陷，现用校准方式多为手动校 准，即通过对高精度的标准力传感器悬挂砝码进行标准力加载，待加载 力稳定后通过太平洋采集***记录测量力和标准力，从而进行测量*** 校准，这种方式适合在试车前进行校准，不仅耗时耗力，校准精度也不 够高。

发明内容

为了实现4-25N姿控发动机小推力校准测量要求，解决测量过程中 管路约束、高温、振动引入的不确定度多，且不适合在试车前校准、校 准精度差等问题提出了一种4-25N姿控发动机真空热环境稳态推力校准 测量装置。

本发明的基本工作原理：

力源控制计算机根据设定好的校准程序，通过PLC控制器，驱动伺 服器驱动电动缸对标准力传感器施加标准力载荷，并通过加载钢丝作用 于单分力天平测量装置，同时将该标准力值传输给数据采集单元；在该 力的作用下，单分力天平测量装置上输出的电压信号由数据采集单元采 集，经总线回传给力源控制计算机。力源控制计算机实时存贮校准过程 中标准力源及单分力天平测量装置在各个校准档位输出的实际力值，再 通过数据处理，获取单分力天平测量装置的校准系数。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供了一种4-25N姿控发动机真空热环境稳态推力校准测量 装置，包括基座转接架、减震块、定架、天平转接板、单分力天平测量 装置、推进剂管路、推进剂管路固定装置以及原位校准装置；

基座转接架与定架之间均布安装多个减震块；定架周边固定安装有 多个推进剂管路固定装置，推进剂管路通过推进剂管路固定装置安装， 推进剂管路一端与外部推进剂供应***连通，另一端与待测量姿控发动 机推进剂入口连通；单分力天平测量装置通过天平转接板安装在定架的 一端，原位校准装置安装在定架的另一端；

单分力天平测量装置包括天平支架、配重组件以及天平安全防护支 架；

天平支架包括竖直梁以及水平应变梁；竖直梁的顶部安装待测量姿 控发动机，待测量姿控发动机的推力方向垂直于竖直梁；配重组件安装 在竖直梁中部；竖直梁的底部与水平应变梁上端面固连，水平应变梁的 下端面设置有前端筋板、中间筋板以及后端筋板；水平应变梁分别通过 前端筋板、中间筋板以、后端筋板与天平转接板固定连接；水平应变梁 上按全桥方式贴覆有应变片；

配重组件包括平衡杠杆以及配重块；平衡杠杆垂直于在竖直梁中 部，平衡杠杆包括固定端和悬空端；固定端至悬空端之间开设长条孔； 固定端与竖直梁中部固定连接，配重块通过螺栓螺母固定在长条孔上；

天平安全防护装置包括天平安全防护支架以及限位螺钉；天平安全 防护支架的一端固定安装在定架上，另一端设置有两块平行的固定板， 竖直梁中部位于两块固定板之间，两块固定板之间的距离大于竖直梁中 部的厚度，其中一块固定板上安装限位螺钉，限位螺钉的螺纹段穿过所 述固定板与所述竖直梁接触；

原位校准装置包括标准力源、标准力源控制***以及L型支架；

L型支架的底部与定架固定连接；L型支架顶部与所述竖直梁安装 待测量姿控发动机等高的位置安装标准力源；标准力源包括电动缸、安 装法兰、转接杆、标准力传感器、转接环以及加载钢丝；

电动缸通过安装法兰垂直固定安装于L型支架上，电动缸的输出 端通过转接杆与标准力传感器连接；标准力传感器的输出端安装转接 环；加载钢丝一端与转接环连接，另一端与待测量姿控发动机的中轴线 连接；

标准力源控制***包括力源控制计算机、总线、数据采集单元、 伺服驱动器以及PLC控制器；

力源控制计算机传输目标力值给PLC控制器，PLC控制器通过伺服 驱动器控制所述电动缸运动，电动缸运动产生的实际力值作用于单分力 天平测量装置上并被数据采集单元接收后通过总线传输回力源控制计 算机；力源控制计算机对实际力值和标准力值进行比较，获得单分力天 平测量装置的校准系数。

单分力天平测量装置还包括天平主动恒温装置；天平主动恒温装置 包括固定安装在定架上并且位于竖直梁两侧的剖分式水冷夹套结构；水 冷夹套结构构成一个与外界空间隔离的空腔；所述水平应变梁位于所述 空腔内；

水冷夹套结构的侧壁为空心机构，水冷夹套结构上安装有第一进水 接头与第一出水接头；第一进水接头靠近水冷夹套结构下部设置，第一 出水接头靠近水冷夹套结构上部设置。

原位校准装置还包括固定安装在L型支架上的圆柱形壳体，标准力 传感器位于圆柱形壳体内；圆柱形壳体的外壁为空心结构，圆柱形壳体 的外壁上安装有第二进水接头与第二出水接头；第二进水接头靠近圆柱 形壳体中心下部设置，第二出水接头靠近圆柱形壳体中心上部设置。

具体来说，上述定架上表面开有等间距的多个T型槽，天平转接板 沿所述多个T型槽排列方向上开设有U型槽；相邻T型槽的中心距与U 型槽的长度满足的关系式为：Lu≥2Lt，

其中，U型槽长度为Lu，相邻T型槽中心距为Lt。

具体来说，推进剂管路固定装置为包括下部支架和上卡箍，所述下 部支架的底面开设有螺纹孔，下部支架的上端为与所述上卡箍相适配的 下卡箍。

上述水平应变梁与天平转接板之间、竖直梁顶部与待测量姿控发动 机之间均设置真空隔热板。

上述水平应变梁上的最大应变ε与待测量姿控发动机推力F之间关 系如下：

其中，A为水平应变梁横截面积，E为水平应变梁的弹性模量，W_z为 竖直梁的抗弯截面系数，y为待测量发动机在竖直梁的安装位置到竖直 梁与水平应变梁相交的位置之间的竖直高度；

上述原位校准装置还包括固定在L型支架上的电动缸保护罩，电动 缸位于电动保护罩内。

上述减震块为6个BE-40减震器，其固有频率小于15Hz。

上述推进剂管路的材料为1Cr18Ni9Ti，采用“Z”型结构布置。

本发明所具有的优点：

1、本发明采用了单分力天平装置，并安装有减震器和推进剂管路 固定装置，解决了姿控发动机推力测量时由于管路约束、振动引入的不 确定度多等问题，原位校准可以模拟实际工况，现场完成测量***的静 态标定和校核，本装置中的自动原位校准装置相比传统校准方式来说， 可以远程自动进行推力标定，从而实现了试车前、试车中、试车后标定，同时通过计算机同时记录标准力值和测量力值，标定精度更高，更接近 实际工况。

2、本发明单分力天平装置中设置配重组件，可在试前平衡由于发 动机悬挂引起的不平衡量，同时设计有天平安全防护装置，确保在误操 作条件下天平不会发生过载，保护传感器测量精度。

3、本发明采用天平主动恒温装置和力源主动恒温装置，使应变片 和标准力传感器在热试车过程中始终处于恒定合适的温度环境，解决了 水平应变梁在真空热环境下变形带来的应变片和标准力传感器测量精 度降低，零位漂移的难题。

4、本发明采用的天平转接板设置U型槽，保证天平支架安装后处 于定架中间对称面位置，定架上开设T型槽，并且(U型槽长度)Lu≥ 2Lt(相邻T型槽中心距)，可以实现天平支架无级移动固定，方便不同 型号发动机的安装固定。

5、本发明的水平应变梁与天平转接板之间、竖直梁顶部与待测量 姿控发动机之间均设置真空隔热板，真空隔热板由填充芯材与真空保护 表层复合而成，可有效避免空气对流引起的热传递，导热系数可大幅度 降低，从而避免了热试车过程中发动机燃气热量传导至应变片，造成应 变片精度降低甚至损坏。

6、本发明的减震块为6个BE-40减震器，其固有频率小于15Hz， 每个隔振块可承载40kg，隔振块置于基础连接板和定架之间，减小由真 空舱基础传递过来的外界振动。

7、本发明的推进剂管路的布置采用“Z”型结构，保证入口部分与 发动机轴线垂直，降低入口刚度，减小管路约束，进一步提高单分力天 平的测量精度。

附图说明

图1现有测量装置的结构简图；

图2为本发明的立体结构简图；

图3为本发明的结构简图；

图4为单分力天平测量装置的结构简图；

图5为标准力源的结构简图；

图6为天平主动恒温装置的剖视图

图7为定架的主视图；

图8为图7的A向剖视图；

图9为推进剂管路固定装置的主视图；

图10为推进剂管路固定装置的侧视图；

图11本发明采用单分力天平杠杆原理示意图；

图12为标准力源控制***的原理图。

附图标记如下：

1-基座转接架、2-减震块、3-定架、4-天平转接板、5-单分力天平 测量装置、51-天平支架、511-竖直梁、512-水平应变梁、5121-前端筋 板、5122-中间筋板、5123-后端筋板、52-配重组件、521-平衡杠杆、 522-配重块、53-天平安全防护装置、531-天平安全防护支架、532-限 位螺钉、533-固定板、6-推进剂管路、7-推进剂管路固定装置、71-下 部支架、72-上卡箍、73-螺纹孔、74-下卡箍、8-原位校准装置、81-标 准力源、811-电动缸、812-安装法兰、813-转接杆、814-标准力传感器、 815-转接环、816-加载钢丝、83-L型支架、84-圆柱形壳体、841-第二 进水接头、842-第二出水接头、85-电动缸保护罩、9-待测量姿控发动机、10-应变片、11-天平主动恒温装置、111-水冷夹套结构、112-第一 进水接头、113-第一出水接头。

具体实施方式

本发明提出的推力校准测量装置包括基座转接架1、减震块2、定 架3、天平转接板4、单分力天平测量装置5、推进剂管路6、推进剂管 路固定装置7以及原位校准装置8；

以上几个部件的具体功能是：

基座转接架1用于和真空舱基础进行对接，对接位置开有U型孔， 便于安装位置调节，其材料选用碳钢，结构采用中空设计，为保证强度 和刚度的前提下，减小其质量，中空位置设计在承载最小位置，基础连 接板上表面开有减震块连接螺纹盲孔，与减震块采用螺栓连接。

定架3和天平转接板4用于安装单分力天平测量装置、推进剂管路 固定装置，实现4-25N姿控发动机工作过程产生的轴向推力测量，用于 并支撑各组件，并将有关作用力传递至试车台基础。

减震块2采用的是BE-40减震器，设计采用6个减震器，每个减震 器可承载40kg，隔振块置于基础连接板和定架之间，减小由真空舱基础 传递过来的外界振动。

单分力天平测量装置5实现姿控发动机小推力测量，将推力输入转 化为电压信号输出，经计算后，可获取待测量姿控发动机轴向推力。

推进剂管路6用于给待测量姿控发动机提供推进剂。

推进剂管路固定装置7用于将推进剂管路整齐、合理、可靠的安装 在定架上。

原位校准装置8用于提供标准力源对单分力天平测量装置进行校 准，获取校准系数。

下面结合附图对本发明进行进一步说明:

如图2和图3所示，基座转接架1与定架3之间均布安装多个减震 块2；定架3周边固定安装有多个推进剂管路固定装置6，推进剂管路5 通过推进剂管路6固定装置安装，推进剂管路5一端与外部推进剂供应 ***连通，另一端与待测量姿控发动机9推进剂入口连通；单分力天平 测量装置5通过天平转接板4安装在定架3的一端，原位校准装置8安 装在定架3的另一端；

如图4所示，单分力天平测量装置5包括天平支架51、配重组件 52以及天平安全防护装置53；

天平支架51包括竖直梁511以及水平应变梁512；竖直梁511的顶 部安装待测量姿控发动机9，待测量姿控发动机9的推力方向垂直于竖 直梁511；配重组件52安装在竖直梁511中部；竖直梁511的底部与水 平应变梁512上端面固连，水平应变梁512的下端面设置有前端筋板、 中间筋板以及后端筋板；水平应变梁分别通过前端筋板、中间筋板以、 后端筋板与天平转接板4固定连接；水平应变梁512上按全桥方式贴覆 有应变片10；

如图7和8所示，定架3材料选择1Cr18Ni9Ti，用于实现单分力天 平测量装置5等部件的连接，其表面开有等间距的T型槽，并开有高精 度定位孔，用于单分力天平精确安装；天平转接板4用于实现单分力天 平测量装置5和定架3的活动连接，其连接方式为螺栓连接，转接板上 开有U型槽及相应的高精度定位孔，保证安装后处于定架中间对称面位 置，设U型槽长度为Lu，相邻T型槽中心距为Lt，设计Lu≥2Lt，则在 沿发动机轴线方向移动时，任意位置都至少有两个T型槽与之相交，从 而可以实现单分力天平无级移动固定，方便不同型号发动机的安装固 定。

如图4所示，配重组件52包括平衡杠杆521以及配重块522；平衡 杠杆521垂直于在竖直梁511中部，平衡杠杆521包括固定端和悬空端； 固定端至悬空端之间开设长条孔；固定端与竖直梁5111中部固定连接， 配重块522通过螺栓固定在长条孔上；平衡杠杆521上设置有刻度线。 配重块522可在平衡杠杆521之上移动调整，确定其平衡位置，平衡杠 杆之上设计有刻度线，保证同一台产品多次试验时处于相同的试验状 态。

天平安全防护装置53包括天平安全防护支架531以及限位螺钉 532；天平安全防护支架531的一端固定安装在定架3上，另一端设置 有两块平行的固定板533，竖直梁511中部位于两块固定板533之间， 两块固定板533之间的距离大于竖直梁511中部的厚度，其中一块固定 板533上安装限位螺钉532，限位螺钉532的螺纹段穿过所述固定板533 与所述竖直梁511接触。实际使用过程中将限位螺钉顶紧竖直梁，则可 保证超出载荷由固定支架吸收，从而保护传感器不受损害。

如图6所示，本发明的校准测量装置还包括采用强制水冷对流方式， 使应变片10始终处于22±1℃的恒温环境中，保证的测量精度的天平主 动恒温装置11；天平主动恒温装置11包括固定安装在定架上并且位于 竖直梁511两侧的剖分式水冷夹套结构111；水冷夹套结构111构成一 个与外界空间隔离的空腔；所述水平应变梁512位于所述空腔内；

水冷夹套结构111的侧壁为空心结构，水冷夹套结构111上安装有 第一进水接头112与第一出水接头113；第一进水接头112靠近水冷夹 套结构111下部设置，第一出水接头113靠近水冷夹套结构111上部设 置。水冷夹套结构111材料为不锈钢，表面抛光处理，在对装置内部进 行水冷换热的同时，还可以增大外界辐射热反射，从而保证在热试车过 程中，测力传感器可以处于22±1℃的恒温环境，保证其测量精度，同 时上进下出的接头布置，可以保证水冷夹套结构的空心结构内冷却水尽 可能的多，确保恒温效果。

如图9和10所示，推进剂管路固定装置7包括下部支架71和上卡 箍72，所述下部支架71的底面开设有螺纹孔73，下部支架71的上端 为与所述上卡箍72相适配的下卡箍74，上卡箍72和下卡箍74通过螺 栓连接，从而实现推进剂管路的紧固。

另外，水平应变梁512与天平转接板4之间、竖直梁511顶部与待 测量姿控发动机9之间均设置真空隔热板12，目的是为了有效避免空气 对流引起的热传递，导热系数可大幅度降低，从而避免了热试车过程中 发动机燃气热量传导至应变片，造成应变片精度降低甚至损坏。

单分力天平测量装置采用杠杆原理，将发动机产生的推力通过杠杆 +弹性转轴的设计方法，将发动机推力转换为力矩，再将水平应变梁设 计于力臂较小的位置，水平应变梁上按全桥方式贴有应变片，从而在发 动机相同推力的量级下，相比传统弹簧式测力机构可大大增加水平应变 梁的变形量，从而提高其灵敏度,其原理示意图如图11所示，水平应变 梁上的最大应变ε与发动机推力F有如下关系；

其中，A为水平应变梁横截面积，E为水平应变梁的弹性模量，W_z为 竖直梁的抗弯截面系数，y为待测量发动机在竖直梁的安装位置到竖直 梁与水平应变梁相交的位置之间的竖直高度.

试验时发动机入口段管路采用硬管。由于管路内的推进剂会在进入 发动机入口时流动方向发生改变，从而在推力测量时引入附加力值，依 据液体火箭发动机试验要求，入口管路应垂直于推力轴向走向，并使氧 化剂和燃料管道对称于推力轴线，则可以使液体压力和液体流动所产生 的“负推力”减至最小值，为了降低管路刚度，推进剂管路6布置采用 “Z”型结构，燃料与氧化剂管路通过管路固定装置在定架上固定。

参见图2，原位校准装置8包括标准力源81、标准力源控制*** 以及L型支架83；

L型支架83的底部与定架3固定连接；L型支架83顶部与所述竖 直梁511安装待测量姿控发动机等高的位置安装标准力源81；如图4所 示，标准力源81包括电动缸811、安装法兰812、转接杆813、标准力 传感器814、转接环815以及加载钢丝816；

参见图5，电动缸811通过安装法兰812垂直固定安装于L型支架 83上(实际上电动缸811与安装法兰812通过4个螺栓固定，安装法兰 812上设计加工有定位凸台，用于连接电动缸811和支撑架时的精确定 位，保证电动缸安装的同轴度)，电动缸811的输出端通过转接杆813 与标准力传感器814连接；标准力传感器814的输出端安装转接环815； 加载钢丝816一端与转接环815连接，另一端与待测量姿控发动机9的 中轴线连接；为了避免高温环境对标准力传感器的影响，原位校准装置 还包括固定安装在L型支架83上的圆柱形壳体84，标准力传感器814 位于圆柱形壳体84内；圆柱形壳体84的外壁为空心结构，圆柱形壳体84的外壁上安装有第二进水接头841与第二出水接头842；第二进水接 头841靠近圆柱形壳体84中心下部设置，第二出水接头842靠近圆柱 形壳体84中心上部设置。为了对电动缸811进行保护，原位校准装置8 还包括固定在L型支架上的电动缸保护罩85，电动缸811位于电动保护 罩85内。

标准力传感器814选用HBM S2标准力传感器，其量程为50N，测 量精度0.05％。转接环815用于加载钢丝816和标准力传感器814的连 接，其一端加工有与标准力传感器814匹配的外螺纹，另外一端开有φ 0.2的通孔，用于加载钢丝816固定，加载钢丝816一端穿过φ0.2通 孔，采取锡焊浇注方式进行固连，保证钢丝连接强度和同轴度。加载钢 丝采用低弹性、高强度、低刚度的合金钢丝，确保加载过程中无拉力迟 滞，卸载过程中无内力干扰。为了降低加载装置的重量，电动缸转接杆、 标准力转接环、安装法兰均采用轻质材料LV12制作。

如图12所示，标准力源控制***包括力源控制计算机、CAN总线、 MP30数据采集单元、HBM标准力传感器、SMC电动缸、伺服驱动器、PLC 控制器、网线；

力源控制计算机执行设定的标定程序，在某个档位确定了加载的标 准力值后，通过PLC控制器控制伺服驱动器驱动电动缸运动，电动缸产 生的实际力值作用于单分力天平测量装置，并由MP30数据采集单元采 集，再通过CAN总线将实际力值实时传输给力源控制计算机，力源控制 计算机内的软件将实际力值与标准力值比较，形成闭环控制，当实际力值与标准力值在允许误差范围内时，停止标准力加载，并将该数据传输 给力源控制计算机，然后执行下一个档位的运动控制。

该校准测量装置的具体实施流程如下：

1、状态检查

通过给单分力天平测量装置中的应变片供桥压，并通过压力回测系 统显示当前桥压，数据采集单元能够实现应变片信号实时采集，沿发动 机轴向对天平支架施加力值，对应变片桥路输出进行检查，确认桥路输 出正确，数据采集单元可对标准力传感器的压力进行调整，并实时采集 标准力传感器的输出电压值。

2、小推力姿控发动机安装

产品安装前，应将测量装置中天平安全防护装置锁死，防止安装过 程中应变片过载失效，确认发动机热试车过程中的推力在应变片量程范 围之内，通过天平转接板将待测量姿控发动机与天平支架安装。

3、约束***安装

按照测量装置设计要求安装推进剂管路、姿控发动机控制气管路及 压力、温度振动测量线缆，连接天平主动恒温装置以及标准力传感器恒 温装置的循环水路，并启动循环水，将各种管路及线缆固定牢固。确保 各种管路，线缆无干涉现象。调整平衡配重位置，直至数据采集单元显 示单分力天平测量装置输出信号为零，此时天平处于平衡状态。

4、原位校准

检查并确认发动机已处于热试车状态，推进剂管路增压至试验额定 压力。预加载力值为额定推力的120％，加载不少于三次，由零到120％ 额定载荷推力分6个档位进行加载，每次分别做升程加载和回程卸载， 同时记录天平测力传感器信号的校准数据。

5、单分力天平测量装置系数计算

依据流程(4)原位校准所得数据，利用最小二乘法计算出其线性 相关系数、标准偏差，并将上述两个参数设置至力源控制计算机中。具 体计算方法如下：

最小二乘法拟合一组变量之间的线性方程(y＝bx+a)，对于原位校 准测量***而言，x为某一档位的标准力值，y为该档位对应的同时采 集到的测量力值。实际校准过程中会采集到不同档位的升回程标准力值 和测量力值，并重复3遍，从而获取一组标定数据[x_i,y_i]，两变量之间 的相关性用相关系数(R)来表示。

斜率b的计算公式为公式

截距a的计算公式为公式：

相关系数是衡量一组测量数据xi、yi线性相关程度的参量，其定 义为：

r值在0<|r|≤1中。|r|越接近于1，x、y之间线性好；r为正， 直线斜率为正，称为正相关；r为负，直线斜率为负，称为负相关。|r| 接近于0，则测量数据点分散或xi、yi之间为非线性。

在最小二乘法中，假定自变量误差可以忽略不计，是为了方便推导 回归方程。操作中函数的误差大于自变量的误差即可认为满足假定。实 际上两者均是变量，都有误差，从而导致结果y、a、b的标准差(n≥6) 如下：

(根式的分母为n-2,是因为有两个变量)

本校准***中获取的标准偏差即为σ_y

6、系数检查

对天平支架施加轴向标准力，并由采集设备记录应变片的输出信 号，用标定所得系数对采集的数据处理，检查单分力天平测量装置中应 变片的输出力值与标准力值的一致性，并多次进行升回程加载，检查其 重复性。(注：这里的重复性主要是针对测量***，通过几次升回程加 载，看其在每个力加载档位的测量输出是否一致，如果一致性很好，表 明测量***稳定性很好，也即其重复性很好)

7、准备热试车

试加载校验无误后，电动缸归零，加载钢丝不再受力，此时一体化 装置已处于热试车状态。

Claims (10)

1.一种4-25N姿控发动机真空热环境稳态推力校准测量装置，其特征在于：包括基座转接架(1)、减震块(2)、定架(3)、天平转接板(4)、单分力天平测量装置(5)、推进剂管路(6)、推进剂管路固定装置(7)以及原位校准装置(8)；

基座转接架(1)与定架(3)之间均布安装多个减震块(2)；定架(3)周边固定安装有多个推进剂管路固定装置(7)，推进剂管路(6)通过推进剂管路固定装置安装，推进剂管路(6)一端与外部推进剂供应***连通，另一端与待测量姿控发动机(9)推进剂入口连通；单分力天平测量装置(5)通过天平转接板(4)安装在定架(3)的一端，原位校准装置(8)安装在定架(3)的另一端；

单分力天平测量装置(5)包括天平支架(51)、配重组件(52)以及天平安全防护装置(53)；

天平支架(51)包括竖直梁(511)以及水平应变梁(512)；竖直梁(511)的顶部安装待测量姿控发动机(9)，待测量姿控发动机的推力方向垂直于竖直梁(511)；配重组件(52)安装在竖直梁(511)中部；竖直梁(511)的底部与水平应变梁(512)上端面固连，水平应变梁(512)的下端面设置有前端筋板(5121)、中间筋板(5122)以及后端筋板(5123)；水平应变梁(512)分别通过前端筋板(5121)、中间筋板(5122)、后端筋板与天平转接板(4)固定连接；水平应变梁(512)上按全桥方式贴覆有应变片(10)；

配重组件(52)包括平衡杠杆(521)以及配重块(522)；平衡杠杆(521)垂直于在竖直梁(511)中部，平衡杠杆(521)包括固定端和悬空端；固定端至悬空端之间开设长条孔；固定端与竖直梁(511)中部固定连接，配重块(522)通过螺栓螺母固定在长条孔上；

天平安全防护装置(53)包括天平安全防护支架(531)以及限位螺钉(532)；天平安全防护支架(531)的一端固定安装在定架(3)上，

另一端设置有两块平行的固定板(533)，竖直梁(511)中部位于两块固定板(533)之间，两块固定板(533)之间的距离大于竖直梁(511)中部的厚度，其中一块固定板(533)上安装限位螺钉(532)，限位螺钉(532)的螺纹段穿过所述固定板(533)与所述竖直梁(511)接触；

原位校准装置(8)包括标准力源(81)、标准力源控制***以及L型支架(83)；

L型支架(83)的底部与定架(3)固定连接；L型支架(83)顶部与所述竖直梁(511)安装待测量姿控发动机等高的位置安装标准力源；标准力源(81)包括电动缸(811)、安装法兰(812)、转接杆(813)、标准力传感器(814)、转接环(815)以及加载钢丝(816)；

电动缸(811)通过安装法兰(812)垂直固定安装于L型支架上，电动缸(811)的输出端通过转接杆(813)与标准力传感器(814)连接；标准力传感器(814)的输出端安装转接环(815)；加载钢丝(816)一端与转接环(815)连接，另一端与待测量姿控发动机的中轴线连接；

标准力源控制***包括力源控制计算机、总线、数据采集单元、伺服驱动器以及PLC控制器；

力源控制计算机传输目标力值给PLC控制器，PLC控制器通过伺服驱动器控制所述电动缸(811)运动，电动缸(811)运动产生的实际力值作用于单分力天平测量装置(5)上并被数据采集单元接收后通过总线传输回力源控制计算机；力源控制计算机对实际力值和标准力值进行比较，获得单分力天平测量装置(5)的校准系数。

2.根据权利要求1所述的4-25N姿控发动机真空热环境稳态推力校准测量装置，其特征在于：所述单分力天平测量装置(5)还包括天平主动恒温装置(11)；天平主动恒温装置(11)包括固定安装定架(3)上并且位于竖直梁(511)两侧设置的剖分式水冷夹套结构(111)；水冷夹套结构(111)构成一个与外界空间隔离的空腔；所述水平应变梁(512)位于所述空腔内；

水冷夹套结构(111)的侧壁为空心机构，水冷夹套结构上安装有第一进水接头(112)与第一出水接头(113)；第一进水接头(112)靠近水冷夹套结构(111)下部设置，第一出水接头(113)靠近第一水冷夹套结构(111)上部设置。

3.根据权利要求1所述的4-25N姿控发动机真空热环境稳态推力校准测量装置，其特征在于：所述原位校准装置(8)还包括固定安装在L型支架(83)上的圆柱形壳体(84)；标准力传感器(814)位于圆柱形壳体(84)内；圆柱形壳体(84)的外壁为空心结构，圆柱形壳体84的外壁上安装有第二进水接头(841)与第二出水接头(842)；第二进水接头(841)靠近圆柱形壳体(84)中心下部设置，第二出水接头(842)靠近圆柱形壳体(84)中心上部设置。

4.根据权利要求1或2或3所述的4-25N姿控发动机真空热环境稳态推力校准测量装置，其特征在于：

所述定架(3)上表面开有等间距的多个T型槽，天平转接板(4)沿所述多个T型槽排列方向上开设有U型槽；相邻T型槽的中心距与U型槽的长度满足的关系式为：Lu≥2Lt，

其中，U型槽长度为Lu，相邻T型槽中心距为Lt。

5.根据权利要求4所述的4-25N姿控发动机真空热环境稳态推力校准测量装置，其特征在于：所述推进剂管路固定装置(7)包括下部支架(71)和上卡箍(72)，所述下部支架的底面开设有螺纹孔(73)，下部支架(71)的上端为与所述上卡箍(72)相适配的下卡箍(74)。

6.根据权利要求5所述的4-25N姿控发动机真空热环境稳态推力校准测量装置，其特征在于：所述水平应变梁(512)与天平转接板(4)之间、竖直梁(511)顶部与待测量姿控发动机(9)之间均设置真空隔热板。

7.根据权利要求6所述的4-25N姿控发动机真空热环境稳态推力校准测量装置，其特征在于：所述水平应变梁(512)上的最大应变ε与待测量姿控发动机推力F之间关系如下：

<mrow> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>F</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>y</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>A</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>W</mi> <mi>Z</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>EAW</mi> <mi>Z</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>

其中，A为水平应变梁(512)横截面积，E为水平应变梁(512)的弹性模量，W_z为竖直梁(511)的抗弯截面系数，y为待测量发动机在竖直梁(511)的安装位置到竖直梁(511)与水平应变梁(512)相交的位置之间的竖直高度。

8.根据权利要求7所述的4-25N姿控发动机真空热环境稳态推力校准测量装置，其特征在于：所述原位校准装置(8)还包括固定在L型支架上的电动缸保护罩，电动缸位于电动保护罩内。

9.根据权利要求8所述的4-25N姿控发动机真空热环境稳态推力校准测量装置，其特征在于：所述减震块(2)为6个BE-40减震器，其固有频率小于15Hz。

10.根据权利要求9所述的4-25N姿控发动机真空热环境稳态推力校准测量装置，其特征在于：所述推进剂管路的材料为1Cr18Ni9Ti，采用“Z”型结构布置。