CN109374166B - 一种分布式测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种分布式测量装置，所述分布式测量装置用于测量组合发动机的矢量推力，组合发动机包括两个或更多个航空发动机，所述分布式测量装置包括支撑组件、安装组件和测量组件，其中：通过安装组件将组合发动机安装并固定到支撑组件；测量组件布置在安装组件上，测量组件采集两个或更多个航空发动机运转时产生的推力，并利用所采集的推力获得组合发动机的矢量推力。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机技术领域，具体涉及一种用于测量组合发动机矢量推力的分布式测量装置和方法。
背景技术
推力是评定飞机和发动机性能的主要参数。随着战斗机技术指标的提高，推力矢量技术成为***战斗机的标志性技术之一，推力矢量技术赋予了飞机以过失速超机动性、高敏捷性、短距起降性能、低可探测性和超音速巡航能力，大大提高了战斗机的作战效能和生存能力。而装有矢量喷管的飞机飞行控制***设计中，更需要通过计算推力大小来进行发动机和飞机的多元化控制，因此，如何有效直接的测取发动机推力已成为一个共性技术难题。
目前，最广泛的矢量推力测量方式是矢量推力试车台，其主要功能就是将发动机试验时产生的矢量推力准确测量出来，通过推力台架获取矢量力的各方向分量，并对矢量力进行作用点、作用方向和大小的评估。其原理是：利用刚体平衡原理，适当布置若干约束，限制发动机的6个自由度(3个移动自由度和3个转动自由度)，使之处于静定或者超静定平衡状态，测出推力分量大小和矢量角。
矢量推力试车台作为矢量推力发动机评定的主要设备，存在测力组件布局形式多样、推力传递路线复杂等特点，其技术状态对于评定矢量推力发动机的性能至关重要。但是，矢量推力试车台通用性不足，通常针对某一型号发动机设计，建设、改造和调试周期长，经济成本高。对于组合动力发动机来说，采用常规矢量推力测量台架来进行推力测量，难度更大。由于测力组件的加工误差、安装误差和台架受力作用下变形等因素，造成推力测量过程中非推力方向的测力组件产生耦合输出误差，将严重影响矢量力测量精度。
发明内容
发明目的
本发明的一个目的在于提出一种用于航空发动机的分布式矢量推力测量装置及方法，以解决上述技术背景中的至少一个问题或至少提供一种有用的商业选择。
技术方案
通过本发明的分布式测量装置实现上述目的，所述分布式测量装置用于测量组合发动机的矢量推力，组合发动机包括两个或更多个航空发动机，所述分布式测量装置包括支撑组件、安装组件和测量组件，其中：通过安装组件将组合发动机安装并固定到支撑组件；测量组件布置在安装组件上，测量组件采集两个或更多个航空发动机运转时产生的推力，并利用所采集的推力获得组合发动机的矢量推力。
在上述分布式测量装置中，结合测量组件的空间布置，利用所采集的推力获得组合发动机的矢量推力。
在上述分布式测量装置中，测量组件的空间布置包括测量组件的空间位置和/或方向角度。
在上述分布式测量装置中，测量组件包括光纤测力单元，光纤测力单元测量并输出安装组件的受力，通过安装组件的受力获得组合发动机的矢量推力。
还提供了一种用于测量组合发动机矢量推力的方法，所述组合发动机包括两个或更多个航空发动机，所述方法采用分布式测量装置，所述分布式测量装置包括支撑组件、安装组件和测量组件，其中所述方法包括：通过安装组件将组合发动机安装并固定到支撑组件；将测量组件布置在安装组件上；通过测量组件采集两个或更多个航空发动机运转时产生的推力；并且利用所采集的推力获得组合发动机的矢量推力。
在本发明的方法中，结合测量组件的空间布置，利用所采集的推力获得组合发动机的矢量推力。
在本发明的方法中，测量组件的空间布置包括测量组件的空间位置和/或方向角度。
有益效果
本发明设计的用于航空发动机的分布式矢量推力测量装置及方法，采用在发动机和气动矢量喷管主辅安装节结构上布置光纤测力单元的方式进行发动机矢量推力测量，核心内容是将主辅支点的受力转换为光纤测力单元的电信号输出，并结合标定数据将多个电信号输出结果转换为发动机的推力。解决了带二元单边膨胀气动矢量喷管的组合动力发动机无法采用常规矢量推力台架开展矢量推力测量的问题，同时针对常规矢量推力试车台通用性不足、建设调试周期长、经济成本高的问题，提出新的思路。
附图说明
图1是本发明的分布式测量装置的示意图；
图2示出本发明的分布式测量装置的第一主安装节；
图2a示出沿图2中的线A-A截取的横截面图；
图3示出本发明的分布式测量装置的第一辅助安装节；
图3a示出沿图3中的线B-B截取的横截面图。
具体实施方式
图1中，上发动机1、组合喷管5、下发动机9组成组合发动机，由组合喷管5产生轴向力Fx、垂向力Fy、俯仰力矩Mz和滚转力矩Mx组成的矢量推力。上发动机1通过第一主安装节3、第一辅助安装节4固定在前安装架2上；下发动机9通过第三主安装节8、第三辅助安装节10固定在前安装架2上；组合喷管5通过第二主安装节11、第二辅助安装节7固定在后安装架6上。
发动机轴向推力Fx、垂向推力Fy、重力G和机动过载等载荷由主安装节和辅助安装节传递给台架。主安装点约束发动机轴向推力、垂向力、重力，属于悬臂梁结构；辅助安装点为拉杆结构，约束发动机的重力和垂向力，只在拉杆受力，属于二力杆结构。其中，第一主安装节3、第二主安装节11、第三主安装节8实现主推力Fx和垂直力Fy测量，第一辅助安装节4、第二辅助安装节7、第三辅助安装节10实现俯仰力矩Mz和滚转力矩Mx测量。
图2中，芯杆31、安装座32、调节螺母33、弹性梁34、锥形头35组成第一主安装节3。安装座32固定在前安装架2上，芯杆31穿过安装座32，通过调节螺母33改变芯杆31的位置，锥形头35***上发动机1上的球窝以固定上发动机1。芯杆31和锥形头35之间为弹性梁34，其周向均布四个光纤测力单元，第一垂向力光纤测力单元36和第二垂向力光纤测力单元39用于测量垂直力Fy，分别位于弹性梁34顶部和底部，第一轴向力光纤测力单元37和第二轴向力光纤测力单元38用于测量主推力Fx，分别位于弹性梁34的前端和后端。
由于组合发动机所处的环境恶劣，温度变化大，为了消除温度对弹性梁34、第一垂向力光纤测力单元36、第一轴向力光纤测力单元37、第二轴向力光纤测力单元38、第二垂向力光纤测力单元39的影响，提高测量精度，第一垂向力光纤测力单元36、第一轴向力光纤测力单元37、第二轴向力光纤测力单元38、第二垂向力光纤测力单元39均采用全桥接线法，同时增加温度补偿装置。
第一垂向力光纤测力单元36输出为R 36，第一轴向力光纤测力单元37输出为R37，第二轴向力光纤测力单元38输出为R 38，第二垂向力光纤测力单元39输出为R 39。
同理，第二主安装节11、第三主安装节8与第一主安装节3结构形式类似，在此不做详述。其中，第二主安装节11的四个光纤测力单元输出分别为R 116、R 117、R 118、R 119，第三主安装节8的四个光纤测力单元输出分别为R 86、R 87、R 88、R 89。
图3中，固定座41、第一连杆42、测力杆43、第二连杆44组成第一辅助安装节。固定座41安装在前安装架2上，第一连杆42一端固定在固定座41、一端与测力杆43相连，第二连杆44一端与测力杆43相连、另一端与上发动机1相连，用于固定上发动机1。测力杆43周向均布四个光纤测力单元，第一拉力光纤测力单元45、第二拉力光纤测力单元46、第三拉力光纤测力单元47、第四拉力光纤测力单元48组成耦合回路，用于测量俯仰力矩Mz和滚转力矩Mx。
同理，为了消除温度对测力杆43、第一拉力光纤测力单元45、第二拉力光纤测力单元46、第三拉力光纤测力单元47、第四拉力光纤测力单元48的影响，提高测量精度，第一拉力光纤测力单元45、第二拉力光纤测力单元46、第三拉力光纤测力单元47、第四拉力光纤测力单元48均采用全桥接线法，同时增加温度补偿装置。
第一拉力光纤测力单元45输出为R 45，第二拉力光纤测力单元46输出为R 46，第三拉力光纤测力单元47输出为R 47，第四拉力光纤测力单元48输出为R 48。
同理，第二辅助安装节7、第三辅助安装节10与第一辅助安装节4结构形式类似，在此不做详述。其中，第二辅助安装节7的四个光纤测力单元输出分别为R 75、R 76、R 77、R78，第三辅助安装节10的四个光纤测力单元输出分别为R 105、R 106、R 107、R 108。
通过48组光纤测力单元获得了3组主安装节和3组辅助安装节的受力情况，下一步工作就是根据主、辅安装节的空间位置和方向角度，将各安装节的力相对参考点算出合力。
第一主安装节3的受力分别为：
第二主安装节11的受力分别为：
第三主安装节8的受力分别为：
第一辅助安装节4的受力分别为：
第二辅助安装节7的受力分别为：
第三辅助安装节10的受力分别为：
故组合发动机的矢量推力测量结果为：
为了实现测量数据的解耦，需要试验前进行标定，获得解耦矩阵。根据所选的校准加载方法和校准试验数据，利用求解矩阵广义逆的静态解耦算法，对矢量推力测量***进行解耦计算，评估***耦合误差和静态解耦算法的有效性。
用F表示一组校准加载力构成的矩阵(12维的列向量)，那么K组加载载荷数据可以构成一个12*K的矩阵[F]N；用矩阵R表示一组矢量推力测量台架的测量示值构成的矩阵(m维的列向量)，则可得一个m×K的矩阵R。根据线性理论校准模型，可以得到下面的矩阵方程：
F＝AR+E
式中，E表示残余误差，该误差符合前面的误差假设。根据最小二乘原理，要得到系数矩阵A的无偏估计
必须令E等于0，即：
若构造的矩阵R的是满秩的，其秩为m，则矩阵RTR的行列式不等于0，那么
必定有唯一的解。任意分量的校准系数矩阵解的矩阵表达式：
Claims (4)
1.一种分布式测量装置，用于测量组合发动机的矢量推力，组合发动机由上发动机、组合喷管、下发动机组成，所述分布式测量装置包括支撑组件、安装组件和测量组件，通过安装组件将组合发动机安装并固定到支撑组件；其特征在于：
所述支撑组件包括前安装架和后安装架，所述安装组件包括主安装节和辅助安装节，所述主安装节包括第一主安装节、第二主安装节和第三主安装节，所述辅助安装节包括第一辅助安装节、第二辅助安装节和第三辅助安装节；上发动机通过第一主安装节、第一辅助安装节固定在前安装架上；下发动机通过第三主安装节、第三辅助安装节固定在前安装架上；组合喷管通过第二主安装节、第二辅助安装节固定在后安装架上；所述测量组件包括光纤测力单元；
第一主安装节由芯杆、安装座、调节螺母、弹性梁、锥形头组成；安装座固定在前安装架上，芯杆穿过安装座，通过调节螺母改变芯杆的位置，锥形头***上发动机上的球窝以固定上发动机；芯杆和锥形头之间为弹性梁，弹性梁周向均布四个光纤测力单元；
第一辅助安装节由固定座、第一连杆、测力杆、第二连杆组成，固定座安装在前安装架上，第一连杆一端固定在固定座、一端与测力杆相连，第二连杆一端与测力杆相连、另一端与上发动机相连，用于固定上发动机，测力杆周向均布四个光纤测力单元；
所述光纤测力单元采用全桥接线法，同时增加温度补偿装置；光纤测力单元测量并输出安装组件的受力，通过安装组件的受力获得组合发动机的矢量推力。
2.根据权利要求1所述的分布式测量装置，其中，结合测量组件的空间布置，利用所采集的推力获得组合发动机的矢量推力。
3.根据权利要求2所述的分布式测量装置，其中，测量组件的空间布置包括测量组件的空间位置和方向角度。
4.一种用于测量组合发动机矢量推力的方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1～3中任意一项所述的分布式测量装置，其中所述方法包括：
将测量组件布置在安装组件上；
通过测量组件采集组合发动机运转时产生的推力，利用求解矩阵广义逆的静态解耦算法，对矢量推力测量***进行解耦计算，结合测量组件的空间位置和方向角度，利用所采集的推力获得组合发动机的矢量推力。
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