CN115077773B - 一种可用于航天柱状物体空间矢量力的测量装置及方法 - Google Patents

一种可用于航天柱状物体空间矢量力的测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可用于航天柱状物体空间矢量力的测量装置及方法，包括高度调节装置、拉力计、待测柱状物、支撑框架，所述待测柱状物的顶端与拉力计相连接，待测柱状物位于支撑框架内并处于直立状态；所述支撑框架在待测柱状物周围均布设置有四个外伸梁，外伸梁由横梁和竖梁构成；所述横梁上设置有支架，支架上设置有与横梁平行的丝杠和导轨；所述丝杠的螺母外部固定设置有滑块，滑块与导轨相滑动配合并在顶端连接有推力计。施加矢量力后拉力计、扭力测试仪和八个推力计的读数均处于稳定状态，再由空间力系的平衡方程计算矢量力的大小和方向。本发明旨在提供一种能精确测量矢量力，拆装方便的测量装置及方法。

Description

一种可用于航天柱状物体空间矢量力的测量装置及方法
技术领域
本发明涉及航模推力矢量校核技术领域，尤其涉及一种可用于航天柱状物体空间矢量力的测量装置及方法。
背景技术
随着航天商业化进程的加快，低成本、模块化、高可靠性、可重复多次发射的可回收火箭成为航天技术发展的一个重要方向。火箭回收的前提是对箭体姿态进行精确的测量，同时将数据反馈给矢量发动机，通过变推力、变方向，实现火箭的姿态调整。目前常规的航空发动机试车台以测量发动机轴向推力为主，而对于矢量发动机而言，除测量轴向推力外，还需要测量其侧向力，侧向力的存在使箭体所受空间矢量合外力作用线不过重心，因而在飞行过程中火箭得以俯仰与偏航。要模拟火箭箭体的姿态变化，就必须获得矢量力的大小以及其作用线与箭体的相对位置关系。由于火箭箭体在实际工况下会受到各种因素的影响，矢量力的真实值与理论值之间会存在一定的偏差，偏差较大时会导致箭体倾斜甚至失速。因此，现亟需一种能精确测量矢量力，拆装方便的测量装置及方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，旨在提供一种能精确测量矢量力，拆装方便的测量装置及方法。
为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案予以实现的：
一种可用于航天柱状物体空间矢量力的测量装置，包括高度调节装置、拉力计、待测柱状物、支撑框架，所述待测柱状物的顶端与拉力计相连接，待测柱状物位于支撑框架内并处于直立状态；所述高度调节装置固定设置在支撑框架顶部，拉力计的顶端连接有扭力测试仪且扭力测试仪与高度调节装置相固定；所述支撑框架在待测柱状物周围均布设置有四个外伸梁，外伸梁由横梁和竖梁构成，各竖梁均设置有两层横梁，横梁指向待测柱状物的轴心且横梁与竖梁之间能够调节高度；所述横梁上设置有支架，支架上设置有与横梁平行的丝杠和导轨；所述丝杠的其中一侧穿出支架并在端部设置有转动把手，丝杠的螺母外部固定设置有滑块，滑块与导轨相滑动配合并在顶端连接有推力计，推力计的针头与待测柱状物相抵。
进一步的，所述高度调节装置包括对称设置在支撑框架顶端的两组伸缩杆，以及伸缩杆顶端之间固定连接的顶梁，伸缩杆由滑动配合的外筒和内杆构成，外筒和内杆之间通过坐管夹固定相对位置。
进一步的，所述支架由对称设置在横梁上的两个竖板构成，所述导轨为位于竖板之间水平板，所述丝杠的两端为圆柱状，丝杠两端与竖板之间均设置有轴承。
进一步的，所述推力计的针头顶端均设置有万向轮。
本发明还具有一种可用于航天柱状物体空间矢量力的测量方法，基于一种可用于航天柱状物体空间矢量力的测量装置，包括如下步骤：
(1)先由拉力计测得待测柱状物的重力G，再通过转动把手调节八个推力计针头上的万向轮与待测柱状物相抵且使位于对称位置的两个推力计施加的推力大小相同，而后对待测柱状物施加矢量力F，调节至施加矢量力后拉力计、扭力测试仪和八个推力计的读数均处于稳定状态，即待测柱状物处于静止不动。测得位于上层横梁的四个推力计的读数为F1、F2、F3、F4，位于下层横梁的四个推力计的读数为F5、F6、F7、F8，拉力计的读数为F9，扭力测试仪测得竖直方向的力矩M；
(2)在待测柱状物的重心O处建立笛卡尔坐标系Oxyz，并使x轴与F3、F4、F7、F8平行，y轴与F1、F2、F5、F6平行，由于待测柱状物处于静止状态，既不沿x轴、y轴和z轴方向移动，也不绕这三个轴转动，由此可列出空间力系的平衡方程为：
(3)设位于上层横梁的四个推力计的作用线与待测柱状物重心之间的高度差为m，位于下层横梁的四个推力计的作用线与待测柱状物重心之间的高度差为n。根据力的平移定理，先将矢量力F平移至重心O得到F′，此时会产生与之垂直的附加力偶MO(F)，设F′＝(F′x，F′y，Fz′)，MO(F)＝[Mx(F)，My(F)，Mz(F)]。同样，将F1，F2，F3，F4，F5，F6，F7，F8平移至重心，得到F′1，F′2，F′3，F′4，F′5，F′6，F′7，F′8，此时会产生与之垂直的附加力偶MO(F1)，MO(F2)，MO(F3)，MO(F4)，MO(F5)，MO(F6)，MO(F7)，MO(F8)，由于F9与G作用线通过重心，因而不需要再平移，将数据代入公式(1-1)中，得出如下公式：
解得：
由于力平移后大小不变，即F′x＝Fx，F′y＝Fy，F′z＝Fz，F′1＝F1，F′2＝F′2，F′3＝F3，F′4＝F4，F′5＝F5，F′6＝F6，F′7＝F7，F′8＝F8，带入公式(1-3)可得出如下公式：
令i，j，k为笛卡尔坐标系Oxyz的单位矢量，根据矢量力F在坐标轴上三个投影Fx、Fy、Fz能够推导F的大小为：
各投影与矢量力F，单位矢量i，j，k的关系为：
将公式(1-4)的前三个方程带入公式(1-5)中得出F，再将F和公式(1-4)的前三个方程带入公式(1-6)中能够得出：
按照上述方式，根据附加力偶MO(F)在坐标轴上三个投影Mx(F)、My(F)、Mz(F)推导MO(F)的大小和方向为：
若所求MO(F)≠0，则由力的平移定理的逆过程知，F′与MO(F)可进一步合成一合力F，且F作用线为矢量力F′所在作用线沿F′×MO(F)方向平移距离d＝MO(F)/F后所在直线。设F的作用点为A(x，y，z)，A的矢径为r＝xi+yj+zk，力为F＝Fxi+FyJ+Fzk，F对O之矩r×F与MO(F)相等，可写为行列式形式：
公式(1-9)的展开式为：
MO(F)＝(yFz-zFy)i+(zFx-xFz)j+(xFy-yFx)k(1-10)
公式(1-10)写成分量形式为：
将公式(1-4)中推导出的Fx、Fy、Fz，Mx(F)，My(F)，Mz(F)，带入公式(1-11)，得出如下公式：
根据力的平移定理，F′平移的方向为F′×M的方向，平移的距离为故能够得知，矢量力F的空间位置为矢量力F′所在作用线沿F′×MO(F)方向平移距离MO(F)/F后所在直线，由于A(x，y，z)为矢量力F上任意一点，因此满足该方程组的所有点(x，y，z)均在矢量力F作用线上，即公式(1-12)表示矢量力F作用线的空间方向。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明打破了传统单方向力测量的局限性，由于测量装置具有高度的对称性，因而能让所测得的矢量力较为精确。高度调节装置、推力计均能够调节位置，使本发明能够测量不同形状和大小的待测柱状物。在航空航天领域，将该装置的原理应用于更精确且承载更大测量设备上，可以测量火箭底部的矢量发动机以及顶部的冷气体推进器在不同的角度与参数下火箭整体所受的空间矢量力，可对理论的矢量力进行校核。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的侧视图；
图3为本发明中推力计的结构示意图；
图4为本发明中待测柱状物的受力分析图；
图5为矢量力平移至待测柱状物重心后的受力分析图。
附图标记：
1-外筒，2-内杆，3-拉力计，4-待测柱状物，5-支撑框架，6-转动把手，7-推力计，8-丝杠，9-滑块，10-支架，11-横梁，12-竖梁，13-导轨，14-扭力测试仪。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图3所示，一种可用于航天柱状物体空间矢量力的测量装置，包括高度调节装置、拉力计3、待测柱状物4、支撑框架5，所述待测柱状物4的顶端与拉力计3相连接，待测柱状物4位于支撑框架5内并处于直立状态；所述高度调节装置固定设置在支撑框架5顶部，拉力计3的顶端连接有扭力测试仪14且扭力测试仪14与高度调节装置相固定；所述支撑框架5在待测柱状物4周围均布设置有四个外伸梁，外伸梁由横梁11和竖梁12构成，各竖梁12均设置有两层横梁11，横梁11指向待测柱状物4的轴心且横梁11与竖梁12之间能够调节高度；所述横梁11上设置有支架10，支架10上设置有与横梁11平行的丝杠8和导轨13；所述丝杠8的其中一侧穿出支架10并在端部设置有转动把手6，丝杠8的螺母外部固定设置有滑块9，滑块9与导轨13相滑动配合并在顶端连接有推力计7，推力计7的针头与待测柱状物4相抵。
其中，所述高度调节装置包括对称设置在支撑框架5顶端的两组伸缩杆，以及伸缩杆顶端之间固定连接的顶梁，伸缩杆由滑动配合的外筒1和内杆2构成，外筒1和内杆2之间通过坐管夹固定相对位置。外筒1、内杆2和坐管夹用于改变顶梁的高度，使本发明能够适应不同高度的待测柱状物4，并通过顶梁来安装扭力测试仪14和拉力计3。扭力测试仪14直接固定在顶梁上，拉力计3可通过连接件与扭力测试仪14相连接。其中，横梁11与竖梁12之间的高度调节方式可通过现有技术来解决，使各推力计7的针头能够位于待测柱状物4的侧部即可，从而适应不同高度的待测柱状物。
如图3所示，所述支架10由对称设置在横梁11上的两个竖板构成，所述导轨13为位于竖板之间水平板，所述丝杠8的两端为圆柱状，丝杠8两端与竖板之间均设置有轴承。滑块9通过设置通孔与由水平板构成的导轨13滑动配合，使滑块9能够在支架10的两个竖板之间移动，从而带动推力计7靠近或远离待测柱状物。滑块9的移动由控制转动把手6使丝杠8旋转来实现，丝杠8旋转后其螺母移动进而带动滑块9移动。丝杠8的两端设置为圆柱状并与同侧的竖板之间通过轴承相转动连接，能够避免丝杠8与竖板之间采用螺纹连接的方式，使丝杠8旋转时不改变与竖板之间的连接位置，丝杠8的整体长度仅需达到两个竖板的间距即可。
其中，所述推力计7的针头顶端均设置有万向轮，能够避免横梁11调节在竖梁12上的高度时，使推力计7的针头与待测柱状物之间产生摩擦，保护推力计7的针头。
本发明的测量方法包括如下步骤：
(1)预先在待测柱状物4的顶端设置挂钩并与拉力计3的挂钩相连接，再调节横梁11在竖梁12上的高度使各推力计7位于待测柱状物4的侧部。先由拉力计3测得待测柱状物4的重力G，再通过转动把手6调节八个推力计7针头上的万向轮与待测柱状物4相抵且使位于对称位置的两个推力计7施加的推力大小相同，而后对待测柱状物4施加矢量力F，调节至施加矢量力后拉力计3、扭力测试仪14和八个推力计7的读数均处于稳定状态，即待测柱状物4处于静止不动。测得位于上层横梁11的四个推力计7的读数为F1、F2、F3、F4，位于下层横梁11的四个推力计7的读数为F5、F6、F7、F5，拉力计3的读数为F9，扭力测试仪14测得竖直方向的力矩M；
(2)如图4所示，在待测柱状物4的重心O处建立笛卡尔坐标系Oxyz，并使x轴与F3、F4、F7、F8平行，y轴与F1、F2、F5、F6平行，由于待测柱状物4处于静止状态，既不沿x轴、y轴和z轴方向移动，也不绕这三个轴转动，由此可列出空间力系的平衡方程为：
(3)如图5所示，设位于上层横梁11的四个推力计7的作用线与待测柱状物重心之间的高度差为m，位于下层横梁的四个推力计7的作用线与待测柱状物4重心之间的高度差为n。根据力的平移定理，先将矢量力F平移至重心O得到F′，此时会产生与之垂直的附加力偶MO(F)，设F′＝(Fx′，Fy′，Fz′)，MO(F)＝[Mx(F)，My(F)，Mz(F)]。同样，将F1，F2，F3，F4，F5，F6，F7，F8平移至重心，得到F′1，F′2，F′3，F′4，F′5，F′6，F′7，F′8，此时会产生与之垂直的附加力偶MO(F1)，MO(F2)，Mo(F3)，MO(F4)，MO(F5)，MO(F6)，MO(F7)，MO(F8)，由于F9与G作用线通过重心，因而不需要再平移，将数据代入公式(1-1)中，得出如下公式：
解得：
由于力平移后大小不变，即F′x＝Fx，F′y＝Fy，F′z＝Fz，F′1＝F1，F′2＝F2，F′3＝F3，F′4＝F4，F′5＝F5，F′6＝F6，F′7＝F7，F′8＝F8，带入公式(1-3)可得出如下公式：
令i，j，k为笛卡尔坐标系Oxyz的单位矢量，根据矢量力F在坐标轴上三个投影Fx、Fy、Fz能够推导F的大小为：
各投影与矢量力F，单位矢量i，j，k的关系为：
将公式(1-4)的前三个方程带入公式(1-5)中得出F，再将F和公式(1-4)的前三个方程带入公式(1-6)中能够得出：
按照上述方式，根据附加力偶MO(F)在坐标轴上三个投影Mz(F)、My(F)、Mz(F)推导MO(F)的大小和方向为：
若所求MO(F)≠0，则由力的平移定理的逆过程知，F′与MO(F)可进一步合成一合力F，且F作用线为矢量力F′所在作用线沿F′×MO(F)方向平移距离d＝MO(F)/F后所在直线。设F的作用点为A(x，y，z)，A的矢径为r＝xi+yj+zk，力为F＝Fxi+FyJ+Fzk，F对O之矩r×F与MO(F)相等，可写为行列式形式：
公式(1-9)的展开式为：
MO(F)＝(yFz-zFy)i+(zFx-xFz)j+(xFy-yFx)k (1-10)
公式(1-10)写成分量形式为：
将公式(1-4)中推导出的Fx、Fy、Fz，Mx(F)，My(F)，Mz(F)，带入公式(1-11)，得出如下公式：
根据力的平移定理，F′平移的方向为F′×M的方向，平移的距离为故能够得知，矢量力F的空间位置为矢量力F′所在作用线沿F′×MO(F)方向平移距离MO(F)/F后所在直线。
F′＝(Fx′，F′y，Fz′)，其中F′x，F′y，Fz′为公式(1-3)中前三个方程计算的结果，MO(F)为公式(1-10)中计算的结果，MO(F)为公式(1-8)中计算的结果，F为公式(1-7)中计算的结果。
由于A(x，y，z)为矢量力F上任意一点，因此满足该方程组的所有点(x，y，z)均在矢量力F作用线上，即公式(1-12)为表示矢量力F作用线的空间方向。
当G≠F9时，公式(1-12)中前两个方程：
可用于表示矢量力F作用线的空间方向。
当G＝F9时，即矢量力F作用线的方向垂直于待测柱状物4的轴线。通过公式(1-12)中前两个方程的任意一个方程能够计算出z的数值，再加上公式(1-12)中的第三个方程：
M＝x(F2+F6-F1-F5)-y(F3+F7-F4-F8)
用于表示矢量力F作用线的空间方向，此时矢量力F的作用线位于与xOy平面平行的平面或与z轴垂直的平面。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可用于航天柱状物体空间矢量力的测量装置，其特征在于：包括高度调节装置、拉力计（3）、待测柱状物（4）、支撑框架（5），所述待测柱状物（4）的顶端与拉力计（3）相连接，待测柱状物（4）位于支撑框架（5）内并处于直立状态；所述高度调节装置固定设置在支撑框架（5）顶部，拉力计（3）的顶端连接有扭力测试仪（14）且扭力测试仪（14）与高度调节装置相固定；所述支撑框架（5）在待测柱状物（4）周围均布设置有四个外伸梁，外伸梁由横梁（11）和竖梁（12）构成，各竖梁（12）均设置有两层横梁（11），横梁（11）指向待测柱状物（4）的轴心且横梁（11）与竖梁（12）之间能够调节高度；所述横梁（11）上设置有支架（10），支架（10）上设置有与横梁（11）平行的丝杠（8）和导轨（13）；所述丝杠（8）的其中一侧穿出支架（10）并在端部设置有转动把手（6），丝杠（8）的螺母外部固定设置有滑块（9），滑块（9）与导轨（13）相滑动配合并在顶端连接有推力计（7），推力计（7）的针头与待测柱状物（4）相抵。
2.根据权利要求1所述的一种可用于航天柱状物体空间矢量力的测量装置，其特征在于：所述高度调节装置包括对称设置在支撑框架（5）顶端的两组伸缩杆，以及伸缩杆顶端之间固定连接的顶梁，伸缩杆由滑动配合的外筒（1）和内杆（2）构成，外筒（1）和内杆（2）之间通过坐管夹固定相对位置。
3.根据权利要求1所述的一种可用于航天柱状物体空间矢量力的测量装置，其特征在于：所述支架（10）由对称设置在横梁（11）上的两个竖板构成，所述导轨（13）为位于竖板之间水平板，所述丝杠（8）的两端为圆柱状，丝杠（8）两端与竖板之间均设置有轴承。
4.根据权利要求1所述的一种可用于航天柱状物体空间矢量力的测量装置，其特征在于：所述推力计（7）的针头顶端均设置有万向轮。
5.一种可用于航天柱状物体空间矢量力的测量方法，基于权利要求1所述的一种可用于航天柱状物体空间矢量力的测量装置，其特征在于：包括如下步骤：
（1）先由拉力计（3）测得待测柱状物（4）的重力，再通过转动把手（6）调节八个推力计（7）针头上的万向轮与待测柱状物（4）相抵且使位于对称位置的两个推力计（7）施加的推力大小相同，而后对待测柱状物（4）施加矢量力/>，调节至施加矢量力后拉力计（3）、扭力测试仪（14）和八个推力计（7）的读数均处于稳定状态，即待测柱状物（4）处于静止不动，测得位于上层横梁（11）的四个推力计（7）的读数为/>、/>、/>、/>，位于下层横梁（11）的四个推力计（7）的读数为/>、/>、/>、/>，拉力计（3）的读数为/>，扭力测试仪（14）测得竖直方向的力矩/>；
（2）在待测柱状物（4）的重心处建立笛卡尔坐标系/>，并使/>轴与/>、/>、/>、/>平行，轴与/>、/>、/>、/>平行，由于待测柱状物（4）处于静止状态，既不沿/>轴、/>轴和/>轴方向移动，也不绕这三个轴转动，由此可列出空间力系的平衡方程为：
（1-1）
（3）设位于上层横梁（11）的四个推力计（7）的作用线与待测柱状物（4）重心之间的高度差为m，位于下层横梁（11）的四个推力计（7）的作用线与待测柱状物（4）重心之间的高度差为n，根据力的平移定理，先将矢量力平移至重心/>得到/>，此时会产生与之垂直的附加力偶/>，设/>，/>，同样，将/>，/>，/>，/>，/>，/>，，/>平移至重心，得到/>，/>，/>，/>，/>，/>，/>，/>，此时会产生与之垂直的附加力偶，/>，/>，/>，/>，/>，/>，/>，由于/>与/>作用线通过重心，因而不需要再平移，将数据代入公式（1-1）中，得出如下公式：
（1-2）
解得：
（1-3）
由于力平移后大小不变，即，/>，/>，/>，/>，/>，/>，，/>，/>，/>，带入公式（1-3）可得出如下公式：
（1-4）
令，/>，/>为笛卡尔坐标系/>的单位矢量，根据矢量力/>在坐标轴上三个投影/>能够推导/>的大小为：
（1-5）
各投影与矢量力，单位矢量/>，/>，/>的关系为：
（1-6）
将公式（1-4）的前三个方程带入公式（1-5）中得出，再将/>和公式（1-4）的前三个方程带入公式（1-6）中能够得出：
（1-7）
按照上述方式，根据附加力偶在坐标轴上三个投影/>推导的大小和方向为：
（1-8）
若所求，则由力的平移定理的逆过程知，/>与/>进一步合成一合力/>，且/>作用线为矢量力/>所在作用线沿/>方向平移距离d=/>后所在直线，设/>的作用点为A（/>），A的矢径为/>，力为/>，/>对/>之矩/>与相等，可写为行列式形式：
（1-9）
公式（1-9）的展开式为：
（1-10）
公式（1-10）写成分量形式为：
（1-11）
将公式（1-4）中推导出的，/>，/>，/>，带入公式（1-11），得出如下公式：
（1-12）
根据力的平移定理，平移的方向为/>的方向，平移的距离为/>，故能够得知，矢量力/>的空间位置为矢量力/>所在作用线沿/>方向平移距离/>后所在直线，由于A（x，y，z）为矢量力/>上任意一点，因此满足该方程组的所有点（x，y，z）均在矢量力/>作用线上，即公式（1-12）表示矢量力/>作用线的空间方向。
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