CN109084982B - 一种大推力火箭发动机三向力测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大推力火箭发动机三向力测量装置及测量方法，解决现有大推力火箭发动机三向力测量方法无法有效保证测量准确性，使得测量准确性降低的问题。该测量装置包括试车动架、试车定架、上层侧向推力测量单元、下层侧向推力测量单元和轴向推力测量单元；试车定架包括外层支撑架、定架上环梁、定架下环梁、定架辅助梁和定架连接梁；试车动架包括动架上环梁、动架下环梁、内层支撑架；轴向推力测量单元安装在动架上环梁与定架上环梁之间；下层侧向推力测量单元设置在定架辅助梁和动架下环梁之间；上层侧向推力测量单元为八组，设置在定架连接梁和动架上环梁之间。同时，本发明还提供一种基于上述装置的三向力测量方法。

Description

一种大推力火箭发动机三向力测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及大推力火箭发动机试验领域，具体涉及一种大推力火箭发动机三向力测量装置及测量方法。

背景技术

现有大推力火箭发动机的试验只考虑发动机主推力大小，而对发动机侧向推力的研究较少。目前在进行火箭发动机侧向推力测量时，主要采用基于多分力计的推力测量方法和基于单向力传感器的推力测量方法(基于六自由度平台的测量方法和基于正交坐标系的推力测量方法)。

由于大推力火箭发动机体型庞大、推力高，若采用多分力计的推力测量方法，则在发动机的侧向无法安装侧向预紧装置，严重降低了发动机试车过程的可靠性，进而发动机各向推力的测量精度也无法得到保证，使得测量准确性降低。

多组单向力传感器相配合的方式对发动机侧向推力进行测量的方法，已广泛应用在小推力发动机的三向推力测量过程中，此种方式需解决发动机推力测量过程中各传感器测量值相互耦合的问题，若此种方法应用在大推力火箭发动机的三向推力测量中，大推力火箭发动机相较于小推力发动机测量各向力的力值差距较大，由于大推力互扰的影响，较小推力方向力值易受较大推力方向力值的影响，往往无法有效保证测量准确性，使得测量准确性降低。

发明内容

本发明的目的是解决现有大推力火箭发动机三向力测量方法无法有效保证测量准确性，使得测量准确性降低的问题，提供了一种大推力火箭发动机三向力测量装置及测量方法，利用该方法能够实现1200kN大推力液氧煤油发动机三向推力的精确测量。

本发明的技术方案是：

一种大推力火箭发动机三向力测量装置，包括试车动架和试车定架，试车动架通过四组砝码-杠杆式预紧力装置安装在试车定架上，其特殊之处在于，还包括上层侧向推力测量单元、下层侧向推力测量单元和轴向推力测量单元；在X、Y、Z三维坐标系中，定义试车动架的轴向为Z向，径向为X、Y向；

所述试车定架包括外层支撑架、定架上环梁、定架下环梁、定架辅助梁和定架连接梁；所述定架上环梁和定架下环梁固定设置在外层支撑架的内侧，所述定架辅助梁固定设置在定架下环梁的下方，所述定架连接梁固定设置在定架上环梁、定架下环梁之间，且沿定架上环梁、定架下环梁的周向设置；

所述试车动架包括动架上环梁、动架下环梁、内层支撑架；所述动架上环梁和动架下环梁通过内层支撑架连接，所述动架上环梁位于定架上环梁和定架下环梁之间，所述动架下环梁位于定架下环梁下方；

所述定架上环梁、定架下环梁、动架上环梁、动架下环梁均同轴设置；

所述轴向推力测量单元为四组，四组轴向推力测量单元安装在动架上环梁与定架上环梁之间，且沿定架上环梁的周向均布，用于测量发动机轴向推力；

所述下层侧向推力测量单元为两组，两组下层侧向推力测量单元相互垂直设置，且安装在定架辅助梁和动架下环梁之间，用于测量发动机下层侧向力；

所述上层侧向推力测量单元为八组，两组在X向平行设置，两组在-X向平行设置，两组在Y向平行设置，两组在-Y向平行设置；所述上层侧向推力测量单元设置在定架连接梁和动架上环梁之间，所述上层侧向推力测量单元包括预紧拉杆、第三柔性连接件、第二双向测量传感器和组件支撑架；所述组件支撑架固定设置在定架连接梁上，所述预紧拉杆设置在组件支撑架内，预紧拉杆的一端与组件支撑架螺纹连接，预紧拉杆的另一端与第三柔性连接件的一端螺纹连接，第三柔性连接件的另一端通过第二双向测量传感器与动架上环梁固定连接。

进一步地，所述轴向推力测量单元包括第一柔性连接件、测力传感器和支柱；所述支柱的一端与定架上环梁连接，所述测力传感器的一端与动架上环梁连接，所述支柱的另一端与测力传感器另一端通过第一柔性连接件连接。

进一步地，所述下层侧向推力测量单元包括第二柔性连接件和第一双向测量传感器，所述第一双向测量传感器的一端安装在定架辅助梁上，另一端通过第二柔性连接件与动架下环梁连接。

进一步地，所述第一柔性连接件、第二柔性连接件和第三柔性连接件结构相同，包括圆柱状本体，在X_r、Y_r、Z_r三维坐标系中，定义圆柱状本体的轴向为Z_r向，径向为X_r、Y_r向；所述圆柱状本体沿轴向Z_r依次设置有凹口组Ⅰ和凹口组Ⅱ，所述凹口组Ⅰ在圆柱状本体X_r方向设置，所述凹口组Ⅱ在圆柱状本体Y_r方向设置；所述凹口组Ⅰ包括两个第一凹口，两个第一凹口关于圆柱状本体的轴线对称设置；所述凹口组Ⅱ包括两个第二凹口，两个第二凹口关于圆柱状本体的轴线对称设置。柔性连接件能够有效地减少三向力测量时，各向力之间的互扰，提高***测量准确性。

进一步地，从X_r方向看，所述第一凹口的投影为四角倒角的矩形，从Y_r方向看，所述第一凹口的投影为相连接的矩形和半圆形，所述矩形短边分别与半圆形相切；所述第二凹口与第一凹口的形状相同。

进一步地，所述预紧拉杆包括依次连接的第一螺纹段、螺母和第二螺纹段，所述第一螺纹段和第二螺纹段的旋向相同、螺距不同。

进一步地，所述第一螺纹段和第二螺纹段的螺距差为0.1mm。

同时，本发明还提供了一种基于上述测量装置的三向力测量方法，包括以下步骤：

1)建立三向力测量模型；

建立火箭发动机三向力测量模型，X和Y向布置双向测量传感器X₁、X₂、X₃、X₄、X₅和Y₁、Y₂、Y₃、Y₄、Y₅，分别用于测量X向和Y向分力，Z向布置单向力传感器Z₁、Z₂、Z₃、Z₄，用于测量Z向推力；

2)修正系数的获取；

2.1)模拟施加发动机主推力及三向力，利用测量装置，施加不同方向、不同大小的力，得到测量装置中各传感器的测量值大小；

2.2)输入多组模拟三向力F_X′、F_Y′、F_Z′，获得各传感器输出值F_X1′、F_X2′、F_X3′、F_X4′、F_X5′、F_Y1′、F_Y2′、F_Y3′、F_Y4′、F_Y5′、F_z1′、F_z2′、F_z3′、F_z4′，将多组F_X′、F_Y′、F_Z′以及各传感器输出值输入修正公式，并通过参数拟合确定各修正系数a、b₁、b₂、c₁、c₂；

修正公式为：

3)三向力测量；

在发动机点火过程中，通过建立好的三向力测量装置，获得各测量传感器读数F_X1、F_X2、F_X3、F_X4、Fx₅、F_Y1、F_Y2、F_Y3、F_Y4、F_Y5、F_Z1、F_Z2、F_Z3、F_Z4，将各测量传感器读数通过发动机三向力修正公式修正，得到实际测量的三向力值大小F_X、F_Y、F_Z。

进一步地，步骤1)之前还包括预紧步骤：对称旋转上层侧向推力测量单元的预紧拉杆，具体为相反方向旋转X和-X的预紧拉杆，相反方向旋转Y和-Y的预紧拉杆，实现传感器预紧力的加载。

进一步地，步骤1)之前还包括增压步骤：对推进剂供应管路进行增压，增压值与发动机试车要求的压力值相同，增压完毕后，记录各传感器初始读数，并在测量过程中将各传感器该初始读数减去，消除推进剂供应管路盲板力对侧向推力测量的影响。

本发明的优点为：

1.本发明结合大推力火箭发动机试车架的特点，对试车架进行结构改造，在不影响发动机轴向主推力测量的前提下，对发动机侧向推力进行了测量，提高了测量准确性。

2.本发明采用在发动机测量位置加载各向不同大小侧向力获得各传感器测量值，利用多组输入力值与测量力值的对应关系，通过数据拟合方式，修正发动机三向推力测量值计算公式中的各系数，解决了正交分布测量单元互扰及结构特性对三向推力精确测量干扰的问题，有效保证测量准确性。

3.本发明测量装置安装方便，结构简单，能够在发动机试车的强振动环境下可靠工作。

附图说明

图1为本发明大推力火箭发动机三向力测量装置正视图；

图2为本发明大推力火箭发动机三向力测量装置三维结构图；

图3为本发明大推力火箭发动机三向力测量装置俯视图；

图4为本发明轴向推力测量单元结构图；

图5为本发明下层侧向推力测量单元结构图；

图6为本发明上层侧向推力测量单元结构主视图；

图7为本发明上层侧向推力测量单元结构俯视图；

图8为本发明预紧拉杆结构图；

图9为本发明第一柔性连接件结构示意图；

图10为本发明发动机三向推力的测量模型图；

图11为本发明消除盲板力对侧向推力测量影响的原理图；

图12为本发明砝码-杠杆式预紧力装置结构图。

附图标记：1-试车动架，2-试车定架，3-上层侧向推力测量单元，4-下层侧向推力测量单元，5-轴向推力测量单元，6-波纹管，11-动架上环梁，12-动架下环梁，13-内层支撑架，14-砝码-杠杆式预紧力装置，21-外层支撑架，22-定架上环梁，23-定架下环梁，24-定架辅助梁，25-定架连接梁，31-预紧拉杆，32-第三柔性连接件，33-第二双向测量传感器，34-组件支撑架；311-第一螺纹段，312-螺母，313-第二螺纹段；41-第二柔性连接件，42-第一双向测量传感器；51-第一柔性连接件，52-测力传感器，53-支柱；141-拉杆，142-杠杆支架，143-杠杆，144-砝码拉杆，145-砝码，611-圆柱状本体，612-第一凹口，613-第二凹口。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明在1200kN火箭发动机试车架上，加装了三向力测量装置，对1200kN大推力火箭发动机的侧向推力进行测量。利用本发明提供的测量装置，借助校准力源施加不同方向、不同大小的侧向推力，得到各三向力测量装置中传感器的测量值大小，建立各向力传感器测量值与发动机三向力之间的计算模型(修正公式)，并利用发动机推力原位校准的方法，拟合得到计算模型中各修正系数的大小。在实际的侧向推力测量过程中，可通过各向力传感器测量值，确定发动机实际三向力大小。

如图1、图2、图3的大推力火箭发动机三向力测量装置，具体包括试车动架1、试车定架2、还包括上层侧向推力测量单元3、下层侧向推力测量单元4和轴向推力测量单元5；在X、Y、Z三维坐标系中，定义试车动架1的轴向为Z向，径向为X、Y向。动架通过四组砝码-杠杆式预紧力装置悬挂在定架上，并提供发动机额定推力22％左右的预紧力。

如图12所示，砝码-杠杆式预紧力装置14为现有装置，包括拉杆141、杠杆支架142、杠杆143、砝码拉杆144和砝码145，砝码145通过螺纹设置在砝码拉杆144的一端，砝码拉杆144的另一端与杠杆143的一端铰接，杠杆143的另一端与杠杆支架142铰接，且杠杆支架142底部设有通孔，拉杆141的一端穿过通孔与杠杆143的另一端铰接，拉杆141的另一端与动架上环梁11固连，同时杠杆支架142固定设置在定架上环梁22上，为使结构紧凑，定架外层支撑架21的立柱为空心结构，可将砝码145直接悬空设置在立柱中，砝码悬空，不与定架接触。每组砝码重量500kg，杠杆支架支点距拉杆垂直距离与杠杆支架支点距砝码拉杆垂直距离的比为1:19。砝码-杠杆式预紧力装置通过杠杆比将砝码重量放大，并将放大的力加载在试车架动架上，实现试车架动架在测力装置上的预紧。

试车定架2包括外层支撑架21、定架上环梁22、定架下环梁23、定架辅助梁24和定架连接梁25；定架上环梁22和定架下环梁23固定设置在外层支撑架21的内部，定架辅助梁24固定设置在定架下环梁23的下方，定架连接梁25固定设置在定架上环梁22、定架下环梁23之间，且沿定架上环梁22、定架下环梁23的周向设置。

试车动架1包括动架上环梁11、动架下环梁12、内层支撑架13；动架上环梁11和动架下环梁12通过内层支撑架13连接，动架上环梁11位于定架上环梁22和定架下环梁23之间，动架下环梁12位于定架下环梁23下方，定架上环梁22、定架下环梁23、动架上环梁11、动架下环梁12均同轴设置。

如图4所示，轴向推力测量单元5为四组，四组轴向推力测量单元5安装在动架上环梁11与定架上环梁22之间，四组轴向推力测量单元5沿定架上环梁22轴线周向均布，与X轴为45度相位角，用于测量发动机轴向推力，同时减少轴向推力测量与侧向推力测量之间的相互影响。轴向推力测量单元5包括第一柔性连接件51、测力传感器52和支柱53；支柱53的一端与定架上环梁22连接，测力传感器52的一端与动架上环梁11连接，支柱53的另一端与测力传感器52另一端通过第一柔性连接件51连接，布置形式如图1所示。

如图5所示，下层侧向推力测量单元4为两组，两组下层侧向推力测量单元4相互垂直，且设置在定架辅助梁24和动架下环梁12之间，用于测量发动机下层侧向力，同时减少侧向推力测量与轴向推力测量之间的相互影响。下层侧向推力测量单元4包括第二柔性连接件41和第一双向测量传感器42，第一双向测量传感器42的一端安装在定架辅助梁24上，另一端通过第二柔性连接件41与动架下环梁12连接，第二柔性连接件41和第一双向测量传感器42具体可为10t柔性连接件、10t双向推力测量传感器。具体的连接方式为：动架下环梁12与第二柔性连接件41通过螺纹相连，第二柔性连接件41通过螺纹与第一双向测量传感器42相连，第一双向测量传感器42安装在定架辅助梁24上。

如图6、图7所示，上层侧向推力测量单元3为八组，两组在X向平行设置，两组在-X向平行设置，两组在Y向平行设置，两组在-Y向平行设置。上层侧向推力测量单元3设置在定架连接梁25和动架上环梁11之间，用于测量发动机上层侧向力，同时减少侧向推力测量与轴向推力测量之间的相互影响。上层侧向推力测量单元3包括预紧拉杆31、第三柔性连接件32、第二双向测量传感器33和组件支撑架34；组件支撑架34固定设置在定架连接梁25上，预紧拉杆31设置在组件支撑架34内，预紧拉杆31的一端与组件支撑架34螺纹连接，预紧拉杆31的另一端与第三柔性连接件32的一端螺纹连接，第三柔性连接件32的另一端通过第二双向测量传感器33与动架上环梁11固定连接。

如图8所示，预紧拉杆31包括依次连接的第一螺纹段311、螺母312和第二螺纹段313。上层侧向推力测量单元3可利用可调预紧拉杆31实现在动架上环梁11高度处向测力结构施加1t的侧向预紧力。可调预紧拉杆31的原理是，通过六方扳手旋转可调预紧拉杆31时，由于拉杆前后螺距差为0.1mm，可利用该螺距差进行传感器微变形条件下的预紧力微调。

如图9所示，第一柔性连接件51、第二柔性连接件41和第三柔性连接件32结构相同，其包括圆柱状本体611，在X_r、Y_r、Z_r三维坐标系中，定义圆柱状本体611的轴向为Z_r向，径向为X_r、Y_r向；圆柱状本体沿轴向Z_r依次设置有凹口组Ⅰ和凹口组Ⅱ，凹口组Ⅰ在圆柱状本体X_r方向设置，凹口组Ⅱ在圆柱状本体Y_r方向设置；凹口组Ⅰ包括两个第一凹口612，两个第一凹口612关于圆柱状本体的轴线对称设置；凹口组Ⅱ包括两个第二凹口613，两个第二凹口613关于圆柱状本体的轴线对称设置。从X_r方向看，第一凹口612的投影为四角倒角的矩形，从Y_r方向看，第一凹口612的投影为相连接的矩形和半圆形，矩形短边分别与半圆形相切；第二凹口613与第一凹口612的形状相同。(从X方向看，第一凹口612的投影为四角倒角的矩形；从Y方向看，第一凹口612的投影为半圆形，半圆形的两端各有一条直线，直线垂直于X向及Z向。)柔性连接件能够有效地减少三向力测量时，各向力之间的互扰，提高***测量准确性。

本发明提供的一种大推力火箭发动机三向力测量方法，具体包括以下步骤：

1.安装测量装置；

图1、图2、图3为1200kN大推力火箭发动机三向力测量装置的结构图，主要由试车动架1、试车定架2、上层侧向推力测量单元3、下层侧向推力测量单元4和轴向推力测量单元5组成，可以实现对轴向推力及径向推力进行准确测量。

在试车架动架上环梁11、动架下环梁12上，分别加装侧向力测量单元，其中上层侧向力测量单元沿试车架轴线均布，下层侧向力测量单元有两个，布置于上层侧向力测量单元正下方，定架辅助梁和动架下环梁之间。将发动机轴向推力测量传感器与支撑结构之间加装120t柔性连接件，以消除轴向推力过大导致支撑面摩擦力过大，对侧向推力的测量产生影响。

2.测量前的准备工作；

2.1)在对发动机侧向推力进行测量前，需对上层测量结构进行预紧，预紧的方法是对称旋转各测力单元上连接的旋转预紧拉杆，具体为对称旋转上层侧向推力测量单元3的预紧拉杆，具体为分别沿顺时针方向旋转X和-X的预紧拉杆(具体为相反方向旋转X和-X的预紧拉杆)，分别沿顺时针方向旋转Y和-Y的预紧拉杆(相反方向旋转Y和-Y的预紧拉杆)，由于旋转预紧拉杆前后两端的螺距分别为2mm和1.9mm，当旋转该螺杆时，螺杆每旋转一圈会产生0.1mm的位移差，利用该位移所引起的形变，能够实现传感器预紧力的微调及加载。预紧后，应保证每个测力传感器上均有1t的拉力，由于预估发动机三向力小于3t，因此，各双向传感器测力过程中不过零位，提高了推力测量的精度。

2.2)消除增压过程中推进剂管路盲板力对推力测量的影响。试车过程中，推进剂供应管路增压后，由于管路波纹管6的存在会产生盲板力，盲板力的方向及发动机推力的方向如图11所示，为了能够消除盲板力对推力测量的影响，采用对推进剂供应管路预增压后，对传感器重新记零位的方式，消除盲板力对推力测量的影响。如不对传感器记零位，则所测量的发动机推力的实测值F_M为：

F_M＝F_T-(F_f+F_N)

其中，煤油管路盲板力F_f，液氧管路盲板力F_N，发动机实际推力F_T；

利用试车台上的工艺气对推进剂供应管路进行增压，增压值与发动机试车时要求的压力值相同，增压完毕后，记录各传感器读数，并在试验过程中将各传感器该初始读数减去，消除推进剂供应管路盲板力对侧向推力测量的影响，采用该方法可以有效消除推进剂管路盲板力对推力测量的影响，提高发动机各向力测量的准确性。

步骤2.2)也可在步骤2.1)之前进行。

3)建立发动机三向力测量模型；

3.1)如图10所示，采用14个正交分布的力传感器进行三向力测量，X和Y向布置传感器X₁、X₂、X₃、X₄、X₅和Y₁、Y₂、Y₃、Y₄、Y₅，分别用于测量X和Y向分力，Z向布置力传感器Z₁、Z₂、Z₃、Z₄，用于测量Z向推力；

轴向主推力(Z向)测量：

发动机轴向推力的测量借助试车台轴向推力测量所用的4个传感器，Z₁、Z₂、Z₃、Z₄这四组传感器的输出力为F_z1、F_z2、F_z3、F_z4，由于受试车架动架重量、发动机重量、试车架预紧力及管路压力等的影响，在发动机点火前将以上四组传感器示数记0位，用以消去预紧力和重力对推力测量的影响，轴向主推力理论上可通过下式进行计算：

F_z＝A(F_Z1+F_Z2+F_Z3+F_Z4) (1)

式中系数A为三向力测量所用弹性约束件对主推力测量的影响系数，可通过现场校准方法测得；

现场校准方法为现有方法，具体可见[1]张学成，荆风林，任敏等.火箭发动机推力测量的原位自动校准[J].宇航计量技术.1998,18(2):60-64.朱青，徐建阳.CS-01高空台推力测量和校准装置研制[J].燃气涡轮试验与研究.2002,15(3):38-42。

现场校准的具体方法为，将四台标准力传感器串联在推力测量***中，利用四台并联的输出力值相同的液压缸，分别向标准力传感器施力，并通过标准力传感器将该力传递给试车架动架，通过推力测量传感器测得该力值大小，此时，四台标准力传感器测得的力值之和为F_标，四台测力传感器测得的力值之和为F_测，系数A通过下式计算：

A＝F_标/F_测

发动机侧向推力的测量：

发动机侧向推力的方向与主推力的方向在空间上为相互垂直的关系，测量结构共分为两层，其中上层三向力测量结构通过8个预紧力加载装置、2t柔性连接件配合双向拉压传感器串联的方式实现，各传感器上加载有1t的预紧拉力，各X向传感器的输出力值为F_X1、F_X2、F_X3、F_X4；各Y向传感器的输出力值为F_Y1、F_Y2、F_Y3、F_Y4。

下层三向力测量结构通过两个正交排布的拉压双向传感器配合10t柔性连接件进行三向力测量。拉压双向传感器通过柔性联接件与动架连接，X向传感器的输出力值为F_X5；各Y向传感器的输出力值为F_Y5。

上层三向力测量结构中，横向推力传感器X₁、X₂、X₃、X₄、Y₁、Y₂、Y₃、Y₄分别安装于原弹簧板固定支座两侧的空挡，动架上圈梁高度处，X₅和Y₅分别安装于X₁、X₂的正下方，动架下环梁高度处，其安装位置如图1、2所示。

理论侧向推力的计算方法为，X向力传感器X₁、X₂、X₃、X₄、X₅的输出力为F_X1、F_X2、F_X3、F_X4、F_X5，发动机X向推力可记为F_X，则：

F_X＝F_X1+F_X2+F_X3+F_X4+F_X5 (2)

Y向力传感器Y₁、Y₂、Y₃、Y₄、Y₅的输出力为F_Y1、F_Y2、F_Y3、F_Y4、F_Y5，发动机Y向推力可记为F_Y，则：

F_Y＝F_Y1+F_Y2+F_Y3+F_Y4+F_Y5 (3)

3.2)发动机推力实际值计算公式的修正

在发动机喷管位置设置力源装置，该装置能够在该位置产生一定方向的侧向推力及轴向推力，在力源位置施加不同方向及大小的推力值，并记录在各传感器对应的测量值，可获得多组不同推力条件下，各传感器测量值的数据样本，利用该数据样本对发动机实际推力计算公式中的各修正系数a、b₁、b₂、c₁、c₂进行拟合。

多组F_X′、F_Y′、F_Z′输入的条件下，获得各传感器输出值F_X1′、F_X2′、F_X3′、F_X4′、F_X5′、F_Y1′、F_Y2′、F_Y3′、F_Y4′、F_Y5′、F_z1′、F_z2′、F_z3′、F_z4′，将多组F_X′、F_Y′、F_Z′以及各传感器输出值输入修正公式，并通过参数拟合确定各修正系数a、b₁、b₂、c₁、c₂；

在发动机喷管位置模拟施加发动机主推力及三向力，受试车架实际结构及各向测量结构相互耦合的影响，发动机推力实际值计算公式需进行修正，修正公式如下：

以上半经验公式中，主要考虑了发动机各向力的互扰关系，其中系数a为X、Y方向侧向力约束原件的刚性，对Z方向轴向推力的影响系数；系数b₁为发动机轴向的约束原件刚性，对侧向力Fx测量的影响系数；系数b₂为Y方向侧向力约束原件刚性，对侧向力Fx测量的影响系数；系数c₁为发动机轴向的约束原件刚性，对侧向力Fz测量的影响系数；系数c₂为Y方向侧向力约束原件刚性，对侧向力Fx测量的影响系数。

3.3)发动机侧向推力的测量：

在发动机点火过程中，通过建立好的三向力测量装置，能够获得各测量传感器读数F_X1、F_X2、F_X3、F_X4、Fx₅、F_Y1、F_Y2、F_Y3、F_Y4、F_Y5、F_Z1、F_Z2、F_Z3、F_Z4，并将其带入发动机推力实际值计算公式，最终确定三向力值大小F_X、F_Y、F_Z。

Claims (10)

1.一种大推力火箭发动机三向力测量装置，包括试车动架(1)和试车定架(2)、试车动架(1)通过四组砝码-杠杆式预紧力装置安装在试车定架(2)上，其特征在于：还包括上层侧向推力测量单元(3)、下层侧向推力测量单元(4)和轴向推力测量单元(5)；在X、Y、Z三维坐标系中，定义试车动架(1)的轴向为Z向，径向为X、Y向；

所述试车定架(2)包括外层支撑架(21)、定架上环梁(22)、定架下环梁(23)、定架辅助梁(24)和定架连接梁(25)；所述定架上环梁(22)和定架下环梁(23)固定设置在外层支撑架(21)的内侧，所述定架辅助梁(24)固定设置在定架下环梁(23)的下方，所述定架连接梁(25)固定设置在定架上环梁(22)、定架下环梁(23)之间，且沿定架上环梁(22)、定架下环梁(23)的周向设置；

所述试车动架(1)包括动架上环梁(11)、动架下环梁(12)、内层支撑架(13)；所述动架上环梁(11)和动架下环梁(12)通过内层支撑架(13)连接，所述动架上环梁(11)位于定架上环梁(22)和定架下环梁(23)之间，所述动架下环梁(12)位于定架下环梁(23)下方；

所述定架上环梁(22)、定架下环梁(23)、动架上环梁(11)、动架下环梁(12)均同轴设置；

所述轴向推力测量单元(5)为四组，四组轴向推力测量单元(5)安装在动架上环梁(11)与定架上环梁(22)之间，且沿定架上环梁(22)的周向均布，用于测量发动机轴向推力；

所述下层侧向推力测量单元(4)为两组，两组下层侧向推力测量单元(4)相互垂直设置，且安装在定架辅助梁(24)和动架下环梁(12)之间，用于测量发动机下层侧向力；

所述上层侧向推力测量单元(3)为八组，两组在X向平行设置，两组在-X向平行设置，两组在Y向平行设置，两组在-Y向平行设置；

所述上层侧向推力测量单元(3)设置在定架连接梁(25)和动架上环梁(11)之间，所述上层侧向推力测量单元(3)包括预紧拉杆(31)、第三柔性连接件(32)、第二双向测量传感器(33)和组件支撑架(34)；所述组件支撑架(34)固定设置在定架连接梁(25)上，所述预紧拉杆(31)设置在组件支撑架(34)内，预紧拉杆(31)的一端与组件支撑架(34)螺纹连接，预紧拉杆(31)的另一端与第三柔性连接件(32)的一端螺纹连接，第三柔性连接件(32)的另一端通过第二双向测量传感器(33)与动架上环梁(11)固定连接。

2.根据权利要求1所述的大推力火箭发动机三向力测量装置，其特征在于：所述轴向推力测量单元(5)包括第一柔性连接件(51)、测力传感器(52)和支柱(53)；所述支柱(53)的一端与定架上环梁(22)连接，所述测力传感器(52)的一端与动架上环梁(11)连接，所述支柱(53)的另一端与测力传感器(52)另一端通过第一柔性连接件(51)连接。

3.根据权利要求2所述的大推力火箭发动机三向力测量装置，其特征在于：所述下层侧向推力测量单元(4)包括第二柔性连接件(41)和第一双向测量传感器(42)，所述第一双向测量传感器(42)的一端安装在定架辅助梁(24)上，另一端通过第二柔性连接件(41)与动架下环梁(12)连接。

4.根据权利要求3所述的大推力火箭发动机三向力测量装置，其特征在于：所述第一柔性连接件(51)、第二柔性连接件(41)和第三柔性连接件(32)结构相同，包括圆柱状本体(611)，在X_r、Y_r、Z_r三维坐标系中，定义圆柱状本体(611)的轴向为Z_r向，径向为X_r、Y_r向；

所述圆柱状本体(611)沿轴向Z_r依次设置有凹口组Ⅰ和凹口组Ⅱ，所述凹口组Ⅰ在圆柱状本体X_r方向设置，所述凹口组Ⅱ在圆柱状本体Y_r方向设置；所述凹口组Ⅰ包括两个第一凹口(612)，两个第一凹口(612)关于圆柱状本体(611)的轴线对称设置；所述凹口组Ⅱ包括两个第二凹口(613)，两个第二凹口(613)关于圆柱状本体(611)的轴线对称设置。

5.根据权利要求4所述的大推力火箭发动机三向力测量装置，其特征在于：从X_r方向看，所述第一凹口(612)的投影为四角倒角的矩形，从Y_r方向看，所述第一凹口(612)的投影为相连接的矩形和半圆形，所述矩形短边分别与半圆形相切；

所述第二凹口(613)与第一凹口(612)的形状相同。

6.根据权利要求1至5任一所述的大推力火箭发动机三向力测量装置，其特征在于：所述预紧拉杆(31)包括依次连接的第一螺纹段(311)、螺母(312)和第二螺纹段(313)，所述第一螺纹段(311)和第二螺纹段(313)的旋向相同、螺距不同。

7.根据权利要求6所述的大推力火箭发动机三向力测量装置，其特征在于：所述第一螺纹段(311)和第二螺纹段(313)的螺距差为0.1mm。

8.基于权利要求1至7任一所述的大推力火箭发动机三向力测量装置的三向力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立三向力测量模型；

建立火箭发动机三向力测量模型，X和Y向布置双向测量传感器X₁、X₂、X₃、X₄、X₅和Y₁、Y₂、Y₃、Y₄、Y₅，分别用于测量X向和Y向分力，Z向布置单向力传感器Z₁、Z₂、Z₃、Z₄，用于测量Z向推力；

2)修正系数的获取；

2.1)模拟施加发动机主推力及三向力，利用测量装置，施加不同方向、不同大小的力，得到测量装置中各传感器的测量值大小；

2.2)输入多组模拟三向力F_X′、F_Y′、F_Z′，获得各传感器输出值F_X1′、F_X2′、F_X3′、F_X4′、F_X5′、F_Y1′、F_Y2′、F_Y3′、F_Y4′、F_Y5′、F_z1′、F_z2′、F_z3′、F_z4′，将多组F_X′、F_Y′、F_Z′以及各传感器输出值输入修正公式，并通过参数拟合确定各修正系数a、b₁、b₂、c₁、c₂；

修正公式为：

3)三向力测量；

在发动机点火过程中，通过建立好的三向力测量装置，获得各测量传感器读数F_X1、F_X2、F_X3、F_X4、Fx₅、F_Y1、F_Y2、F_Y3、F_Y4、F_Y5、F_Z1、F_Z2、F_Z3、F_Z4，将各测量传感器读数通过发动机三向力修正公式修正，得到实际测量的三向力值大小F_X、F_Y、F_Z。

9.根据权利要求8所述的大推力火箭发动机三向力测量方法，其特征在于，步骤1)之前还包括预紧步骤：对称旋转上层侧向推力测量单元的预紧拉杆，具体为相反方向旋转X和-X的预紧拉杆，相反方向旋转Y和-Y的预紧拉杆，实现传感器预紧力的加载。

10.根据权利要求8所述的大推力火箭发动机三向力测量方法，其特征在于，步骤1)之前还包括增压步骤：对推进剂供应管路进行增压，增压值与发动机试车要求的压力值相同，增压完毕后，记录各传感器初始读数，并在测量过程中将各传感器该初始读数减去，消除推进剂供应管路盲板力对侧向推力测量的影响。

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