CN202836851U - 一种推力矢量测量*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种推力矢量测量***，包括推力矢量测量装置、直流稳压电源、三向力传感器、标准力传感器、电荷放大器和数据采集***，直流稳压电源为标准力传感器供电，标准力传感器安装在推力矢量测量装置中用于对推力矢量测量装置进行校验，数据采集***对标准力传感器的输出信号进行处理得到推力矢量测量装置的校验结果，三向力传感器安装在校验好的推力矢量测量装置中用于对X、Y、Z三个方向的推力矢量进行测量，电荷放大器用于对三向力传感器测量输出的电荷信号转变为电压信号，数据采集***对电荷放大器输出的电压信号进行采集、处理得到推力矢量测量结果。本测量***组成简单、测量精度高。

Description

一种推力矢量测量***

技术领域

本实用新型涉及一种推力矢量测量***，尤其涉及一种航天器用推力矢量测量***，属于参数测量技术领域。

背景技术

姿轨控发动机作为探月工程月球着陆器落月的主推发动机，姿轨控发动机工作过程中产生的推力是一个空间力向量，其实际作用线一般偏离发动机喷管几何理论轴线，这就是姿轨控发动机的推力偏心。推力偏心可用推力矢量偏移量δ、偏斜角α等参数来描述，它们是评价火箭发动机性能的重要指标。由于姿轨控发动机工作过程中推力偏心是变化的，具有随机性，很难准确测量。目前，姿轨控发动机推力偏心测试装置有多分力测试台架和推力矢量测试转台装置，但通常只用于稳态推力偏心测量，且当各分力的量程相差较大时，难以取得理想的效果。因此需要研制一套推力矢量测量***完成对姿轨控发动机推力矢量的测量。

实用新型内容

本实用新型的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种推力矢量测量***，本测量***组成简单、测量精度高。

本实用新型的技术解决方案是：一种推力矢量测量***，包括推力矢量测量装置、直流稳压电源、三向力传感器、标准力传感器、电荷放大器和数据采集***，直流稳压电源为标准力传感器供电，标准力传感器安装在推力矢量测量装置中用于对推力矢量测量装置进行校验，数据采集***对标准力传感器的输出信号进行处理得到推力矢量测量装置的校验结果，三向力传感器安装在校验好的推力矢量测量装置中用于对X、Y、Z三个方向的推力矢量进行测量，电荷放大器用于对三向力传感器测量输出的电荷信号转变为电压信号，数据采集***对电荷放大器输出的电压信号进行采集、处理得到推力矢量测量结果。

本实用新型与现有技术相比的优点在于：该测量***主要由推力矢量测量装置、直流稳压电源、三向力传感器、标准力传感器、电荷放大器和数据采集***组成，***组成简单事先通过标准力传感器对推力矢量测量装置进行校验，使推力矢量测量装置具有较高的测量精度，利用校验后的推力矢量测量装置可以容易完成对姿轨控发动机三个方向推力矢量的测量。

附图说明

图1为推力矢量参数定义示意图；

图2为推力矢量参数与发动机坐标传递关系示意图；

图3为测力仪晶组示意图；

图4为本实用新型的组成原理框图。

具体实施方式

原始坐标系定义：在X-YOZ空间右手直角坐标系内，假定YOZ平面为发动机的对接安装定位法兰平面，X轴为其几何理论轴线，O为其几何理论中心(YOZ平面坐标原点)，A为对接安装法兰平面内推力实际作用点。则发动机推力矢量描述有关参数约定如图1所示：

推力偏斜角α：空间推力F与推力理论轴线X轴的夹角；

推力偏斜方位角γ：空间推力F在YOZ平面内投影(即侧向推力Fyz)与Y轴之间的夹角；

推力偏移δ：空间推力F与发动机安装定位法兰面YOZ的交点A到几何理论中心线与YOZ平面交点O的距离；

推力偏移方位角β：0A与Y轴之间夹角；

主推力Fx：空间推力F在X轴方向上的分量；

侧向力Fyz：空间推力F在YOZ平面上的投影；

侧向推力Fy，Fz：空间推力F分别在Y轴方向与Z轴方向上的分量。

各参数综合反映了空间力的三要素：大小、方向、作用点。

坐标系传递关系：各推力矢量参数与发动机坐标传递关系如图2所示，其中X为发动机轴向推力理论方向(从发动机安装法兰面指向喷管反方向)，+Y轴与发动机IV象限刻线重合，+Z轴与发动机I象限刻线重合。

本实用新型的测量原理是：利用石英晶体的压电效应，在一块压电测力仪内集成了四组三分量测力元件，根据规定的空间位置分布关系，测量出作用力的大小、方向和作用点。如图3所示，当晶体受到机械应力作用时，其表面就会产生电荷，所形成的电荷密度的大小与所施加的机械应力的大小为严格的线性关系，这种由机械效应转为电效应的过程称为正压电效应，或简称压电效应。测力仪以分布在同一圆周上按照特定方式均匀分布的四个压电石英力传感器作为测力仪的核心，实现三个方向正交力的测量。

为了求得空间力矢量，将四个三向力传感器分别定义为1、2、3、4测量单元，每个三向力传感器受力的正方向，定义其受力大小为Y1、Z1、X1；Y2、Z2、X2；Y3、Z3、X3；Y4、Z4、X4；传感器中心点间距为2a和2b，由于采用的是正方形布置，此时a＝b；作用面与传感器平面距离为c；在作用面上，作用点距离几何形心的距离分别是m和n。从传感器角度，其所受到的作用力是力以及附加弯矩综合作用的结果，某个作用力的作用符合刚体、弹性体平衡、杠杆平衡原则。根据任意点力的平衡和力矩平衡原理，进行推导和反求，各个传感器的三向力输出公式：

$Y_1=\frac{F_y}{4}(1+\frac{n}{2a})-\frac{F_{z}m}{8a}---\left(3.1\right)$

$Y_2=\frac{F_y}{4}(1+\frac{n}{2a})-\frac{F_{z}m}{8a}---\left(3.2\right)$

$Y_3=\frac{F_y}{4}(1-\frac{n}{2a})+\frac{F_{z}m}{8a}---\left(3.3\right)$

$Y_4=\frac{F_y}{4}(1-\frac{n}{2a})+\frac{F_{z}m}{8a}---\left(3.4\right)$

$Z_1=\frac{F_z}{4}(1+\frac{m}{2a})-\frac{F_{y}n}{8a}---\left(3.5\right)$

$Z_2=\frac{F_z}{4}(1-\frac{m}{2a})+\frac{F_{y}n}{8a}---\left(3.6\right)$

$Z_3=\frac{F_z}{4}(1-\frac{m}{2a})+\frac{F_{y}n}{8a}---\left(3.7\right)$

$Z_4=\frac{F_z}{4}(1+\frac{m}{2a})-\frac{F_{y}n}{8a}---\left(3.8\right)$

$X_1=\frac{F_{y}h(a+n)}{{4a}^2}+\frac{F_{z}h(a+m)}{{4a}^2}+\frac{F_x(a+m)(a+n)}{{4a}^2}---\left(3.9\right)$

$X_2=-\frac{F_{y}h(a+n)}{{4a}^2}+\frac{F_{z}h(a-m)}{{4a}^2}+\frac{F_x(a-m)(a+n)}{{4a}^2}---\left(3.10\right)$

$X_3=-\frac{F_{y}h(a-n)}{{4a}^2}-\frac{F_{z}h(a-m)}{{4a}^2}+\frac{F_{\mathrm{\λ}}(a-m)(a-n)}{{4a}^2}---\left(3.11\right)$

$X_4=\frac{F_{y}h(a-n)}{{4a}^2}-\frac{F_{z}h(a+m)}{{4a}^2}+\frac{F_x(a+m)(a-n)}{{4a}^2}---\left(3.12\right)$

由公式1-12可得到各侧向力和主推力的大小：

F_y＝Y₁+Y₂+Y₃+Y₄          (3.13)

F_z＝Z₁+Z₂+Z₃+Z₄          (3.14)

F_x＝X₁+X₂+X₃+X₄          (3.15)

$\mathrm{\α}=\arctan \frac{\sqrt{F_y^2+F_z^2}}{F_x}---\left(3.16\right)$

$\mathrm{\γ}=\arctan \frac{F_z}{F_y}---\left(3.17\right)$

各个方向的转矩公式为：

M_y＝[b(X₁+X_z-X₃-X₄)]k_My                    (3.18)

M_z＝[a(-X₁+X_z+X₃-X₄)]k_Mz                   (3.19)

M_x＝[b(-Y₁-Y₂+Y₃+Y₄)+a(Z₁-Z₂-Z₃+Z₄)]k_Mx    (3.20)

其中的系数分别是扭矩调整系数，此处其值均为1，进而推导出描述力矢量作用点的参数：

${\mathrm{\δ}}_y=\frac{-c{F}_y-M_2}{F_x}---\left(3.21\right)$

${\mathrm{\δ}}_z=\frac{-c{F}_z+M_y}{F_z}---\left(3.22\right)$

$\mathrm{\δ}=\sqrt{{\mathrm{\δ}}_y^2+{\mathrm{\δ}}_z^2}---\left(3.23\right)$

$\mathrm{\β}=a\tan \frac{{\mathrm{\δ}}_z}{{\mathrm{\δ}}_y}---\left(3.24\right)$

因此，采用本实用新型的测量方法可以测量并求得各个参数的数值。

本实用新型的***组成如图4所示：包括推力矢量测量装置、直流稳压电源、三向力传感器、标准力传感器、电荷放大器和数据采集***，直流稳压电源为标准力传感器供电，标准力传感器安装在推力矢量测量装置中用于对推力矢量测量装置进行校验，数据采集***对标准力传感器的输出信号进行处理得到推力矢量测量装置的校验结果，三向力传感器安装在校验好的推力矢量测量装置中用于对三个方向的推力矢量进行测量，电荷放大器用于对三向力传感器测量输出的电荷信号转变为电压信号，数据采集***对电荷放大器输出的电压信号进行采集、处理得到推力矢量测量结果；

推力矢量测量装置由底座、三向力传感器安装座、转接架、三向推力矢量校验装置和轮系组成，底座由钢结构构成，底座的四个底角各安装一个轮系用于推力矢量测量装置的移动，三向力传感器安装座安装在底座上，转接架通过三向力传感器安装在三向力传感器安装座上，待测量发动机安装在转接架上，三向推力矢量校验装置安装在三向力传感器安装座上用于进行推力矢量校验。

为考核推力矢量测量装置性能，进行了一系列静态加载调试标定工作。将静态标定做如下定义：靠近测力仪前端面处，定义为近端，转接法兰与产品连接面处，定义为远端。测试台架产生大力值的力源结构处，定义为后端。力的产生，从后端产生的力对定义为X方向，对应主推力，前端垂直与测力仪轴心方向产生侧向力，垂直力定义为Y方向，水平力定义为Z方向。推力矢量测量装置的调试工作主要包括：标准三向力加载、远端、近端比对加载、偏移加载、斜拉加载、管路增压状态下的标准三向力标定，以及真空条件下测力仪输出性能测试等，试验前三个方向管路带压状态的校准结果见下表。

表1试验前三向力校准结果

推力矢量参数不确定度分析：

由推导的偏移量公式：

${\mathrm{\δ}}_y=\frac{c[(F_{x1}+F_{x4})-(F_{x2}+F_{x3})]-a{F}_y}{F_x}---\left(3.25\right)$

${\mathrm{\δ}}_z=\frac{c[(F_{x1}+F_{x2})-(F_{x3}+F_{x4})]-a{F}_z}{F_x}---\left(3.26\right)$

及其它描述参数的表达式：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{yz}}=\sqrt{F_y^2+F_z^2}\\ \mathrm{\α}=\mathrm{arctg}\frac{F_{\mathrm{yz}}}{F_x}\\ \mathrm{\β}=\mathrm{arctg}\frac{{\mathrm{\δ}}_z}{{\mathrm{\δ}}_y}\\ \mathrm{\γ}=\mathrm{arctg}\frac{F_z}{F_y}\\ \mathrm{\δ}=\sqrt{{\mathrm{\δ}}_y^2+{\mathrm{\δ}}_z^2}\end{array}\right.---\left(3.27\right)$

根据各分力测量不确定度计算得到矢量参数各分量测量不确定度为：

表2推力矢量参数不确定度分析结果

序号	矢量参数	不确定度
			1	δ	0.2mm
2	α	0.03°
			3	β	5°(δ＝5mm)
4	γ	3°(α＝3°)

本实用新型未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (1)

1.一种推力矢量测量***，其特征在于：包括推力矢量测量装置、直流稳压电源、三向力传感器、标准力传感器、电荷放大器和数据采集***，直流稳压电源为标准力传感器供电，标准力传感器安装在推力矢量测量装置中用于对推力矢量测量装置进行校验，数据采集***对标准力传感器的输出信号进行处理得到推力矢量测量装置的校验结果，三向力传感器安装在校验好的推力矢量测量装置中用于对X、Y、Z三个方向的推力矢量进行测量，电荷放大器用于对三向力传感器测量输出的电荷信号转变为电压信号，数据采集***对电荷放大器输出的电压信号进行采集、处理得到推力矢量测量结果。

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