全尺寸超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推力測量臺(tái)架研制

朱舒揚(yáng)

（西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所，陜西 西安710100）

0 引言

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用高度一體化的結(jié)構(gòu)。目前國內(nèi)外普遍采用地面自由射流試驗(yàn)的方法獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的總體性能[1-3]，其中推力參數(shù)是表征沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要參數(shù)之一。因此沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推力測量技術(shù)顯得至關(guān)重要，推力測量臺(tái)架是推力測量的關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)計(jì)成功與否直接影響推力測量的準(zhǔn)確性。

日本在1993年建造了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)自由射流試驗(yàn)設(shè)備[4]。該試驗(yàn)系統(tǒng)中配置推力臺(tái)架測量發(fā)動(dòng)機(jī)推力、升力和俯仰力矩，推力架可承載發(fā)動(dòng)機(jī)的最大質(zhì)量為400 kg。推力方向的測力范圍為9 kN，升力方向?yàn)?2 kN[5]。我國超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)主要的一些研究單位實(shí)現(xiàn)了煤油自燃點(diǎn)火，有的已實(shí)現(xiàn)超燃點(diǎn)火，初步獲得了凈推力[6]。

隨著超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研究的深入開展，要求開展整機(jī)自由射流試驗(yàn)并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力進(jìn)行測量。為了適應(yīng)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研制需要，設(shè)計(jì)了三分量推力測量臺(tái)架獲取發(fā)動(dòng)機(jī)推力參數(shù)。

1 整體設(shè)計(jì)方案

沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)受力復(fù)雜，作用在發(fā)動(dòng)機(jī)上的力不僅有外部高超聲速氣流作用下的氣動(dòng)力，還有發(fā)動(dòng)機(jī)本身燃燒產(chǎn)生的推力；不僅產(chǎn)生軸向推力，還會(huì)產(chǎn)生升力和俯仰力矩，各分量在測量時(shí)會(huì)產(chǎn)生相互干擾，推力測量難度大。為簡化設(shè)計(jì)，先期發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)狀態(tài)不考慮攻角和側(cè)滑角，橫向力可以忽略不作為測量對(duì)象。體現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能最重要的參數(shù)是軸向推力，法向升力只作為參考。因此，推力臺(tái)架設(shè)計(jì)為三分量形式，分別測量軸向推力、升力以及俯仰力矩。

1.1 試驗(yàn)條件及設(shè)計(jì)載荷

試驗(yàn)馬赫數(shù)為6，總溫1 800 K，總壓5.8 MPa，模擬高度26 km。發(fā)動(dòng)機(jī)長度約5 m，連同支架總重量約2 000 kg?？紤]到加熱器啟動(dòng)和停車產(chǎn)生的沖擊，以及試驗(yàn)的安全性，故選取較大的天平設(shè)計(jì)載荷。法向安全系數(shù)取20，軸向安全系數(shù)取5，設(shè)計(jì)載荷的選取見表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算載荷與推力架設(shè)計(jì)載荷Tab.1 Computational load of engine and design load of thrust platform

1.2 主要技術(shù)難點(diǎn)

發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中產(chǎn)生軸向分量、法向分量、俯仰力矩以及不對(duì)稱造成的側(cè)向力。各分量測量系統(tǒng)之間存在相互干擾。為了準(zhǔn)確測量所關(guān)心的分量，必須實(shí)現(xiàn)力的分解，有效地減小其他分量力和力矩對(duì)測量分量的干擾，將所關(guān)心的測量分量傳遞到相應(yīng)方向的力傳感器。由于空間位置限制，推力臺(tái)架測力傳感器距發(fā)動(dòng)機(jī)推力軸線較遠(yuǎn)，垂直距離為2.8 m。發(fā)動(dòng)機(jī)到測量傳感器傳力距離較長，傳力損失增大。發(fā)動(dòng)機(jī)軸向推力產(chǎn)生較大的附加俯仰力矩，對(duì)測力的干擾增加。必須提高推力架剛度并且減小附加彎矩對(duì)測量的影響。

發(fā)動(dòng)機(jī)一次試驗(yàn)過程中受力狀況復(fù)雜，先后經(jīng)歷加熱器啟動(dòng)沖擊、發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)阻力、發(fā)動(dòng)機(jī)熱態(tài)受力、加熱器停車沖擊等不同的受力狀況。載荷變化大，尤其在加熱器啟動(dòng)、關(guān)機(jī)時(shí)，通常是測量狀態(tài)的數(shù)倍[7]。即使是測量狀態(tài)下冷態(tài)工況阻力和發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后熱態(tài)的受力相差也較大，要求推力架在測量狀態(tài)冷、熱工況均有較高的準(zhǔn)度，并且在沖擊載荷下有較好的強(qiáng)度。由于試驗(yàn)臺(tái)有效試驗(yàn)時(shí)間短，要有效測量發(fā)動(dòng)機(jī)各階段的受力就要求推力架具備良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

1.3 推力架結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)采用腹部支撐，為了保證在全尺寸試驗(yàn)中的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，推力臺(tái)架總體尺寸相對(duì)較大。推力架質(zhì)量、剛度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、撓性件的撓性和臨界失穩(wěn)強(qiáng)度、測量精度等。因素互相影響和制約，合理匹配各制約因素是推力架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

推力架示意圖見圖1。推力架由定架、動(dòng)架、彈性連桿、動(dòng)架鎖緊機(jī)構(gòu)、推力校驗(yàn)系統(tǒng)組成。通過5個(gè)測量傳感器組成的測量系統(tǒng)獲得測量矩陣（圖1中，F(xiàn)5為軸向推力傳感器，F(xiàn)1～F4為升力傳感器，F(xiàn)b1～Fb3為校驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)力傳感器），通過推力校驗(yàn)得出推力、升力、俯仰力矩與測量矩陣之間的關(guān)系。

圖1 推力架示意圖Fig.1 Diagram of thrust platform

臺(tái)架主體采用鋼框架結(jié)構(gòu)，以型鋼構(gòu)建骨架，在保證剛度的前提下減小質(zhì)量，達(dá)到剛度和質(zhì)量的良好匹配，提高推力臺(tái)架的固有頻率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，在較短的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)有效測量發(fā)動(dòng)機(jī)各階段的受力。臺(tái)架結(jié)構(gòu)見圖2所示。

圖2 推力臺(tái)架結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of thrust platform

推力架采用獨(dú)立的測力基礎(chǔ)，與試驗(yàn)艙基礎(chǔ)隔離，減少外部系統(tǒng)的震動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)測力系統(tǒng)的干擾。定架與測力基礎(chǔ)通過螺栓固連。動(dòng)架通過5組彈性連桿與定架連接，其中軸向推力方向1組，位于推力架后端。法向升力方向4組，位于推力架的四角。彈性連桿由力傳感器和一對(duì)彈性鉸鏈組成，如圖3所示。

彈性鉸鏈?zhǔn)且环N帶圓弧切口的一體化結(jié)構(gòu)新型鉸鏈，可以用于繞軸做復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的有限角位移[8]。彈性連桿力的機(jī)械分解好，有較高的失穩(wěn)臨界載荷[9]。法向彈性連桿沿軸向推力方向剛度小，可以沿推力方向彈性變形，減小軸向推力在傳遞過程中的損耗，同時(shí)也抑制了軸向推力對(duì)法向力測量的干擾。該連桿沿法向剛度大，有較高的法向力傳遞效率。法向彈性連桿橫向剛度較大，承受試驗(yàn)過程中不對(duì)稱造成的橫向力。軸向彈性連桿法向和橫向剛度小，可沿法向和橫向產(chǎn)生微小彈性變形，有效抑制了法向力、俯仰力矩以及橫向力對(duì)軸向力測量的干擾。軸向彈性連桿軸向剛度大，軸向力傳遞效率高。

圖3 彈性連桿Fig.3 Elastic connecting rod

由于軸向力傳感器距離發(fā)動(dòng)機(jī)推力軸線較遠(yuǎn)，不可避免的軸向推力會(huì)產(chǎn)生較大的附加俯仰力矩，對(duì)法向升力測量的干擾較大，這部分干擾通過推力架校驗(yàn)修正。

加熱器啟動(dòng)和停車時(shí)沖擊載荷較大，通常是穩(wěn)定狀態(tài)的數(shù)倍，為了保證傳感器和撓性件在沖擊載荷下不被破壞，使用液壓鎖緊機(jī)構(gòu)液壓插銷的插拔實(shí)現(xiàn)動(dòng)架的鎖緊和解鎖，在承受沖擊過程中保護(hù)推力架。

2 液壓鎖緊設(shè)計(jì)方案

液壓鎖緊機(jī)構(gòu)通過4臺(tái)可承受剪切載荷的液壓缸活塞桿的插拔實(shí)現(xiàn)動(dòng)架的鎖緊和解鎖，鎖緊結(jié)構(gòu)見圖4。加熱器啟動(dòng)/停止前用油壓頂出活塞桿插入動(dòng)架的錐孔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)架與定架的鎖緊。測力過程中活塞桿從動(dòng)架錐孔退出，實(shí)現(xiàn)解鎖狀態(tài)。液壓缸活塞桿頭部為錐面，具有自定心作用，運(yùn)動(dòng)過程中不容易出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象。通過位移和壓力反饋可以判斷鎖緊與解鎖狀態(tài)。液壓缸對(duì)稱分布在動(dòng)架左右兩側(cè)。該布置方式使得液壓缸提供更大的橫向承載力，在承受沖擊載荷的過程中彌補(bǔ)推力架側(cè)向剛度的不足，同時(shí)通過剪切方式承受軸向和法向力。為了保證4個(gè)液壓缸鎖緊與解鎖的同步性，在油路上設(shè)置分流集流閥，鎖緊時(shí)通過液壓鎖對(duì)液壓缸保壓。

圖4 液壓鎖緊裝置Fig.4 Hydraulic locking fastener device

3 推力架標(biāo)定方案設(shè)計(jì)

校驗(yàn)采用液壓加載方式提供穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)力。軸向加載（Fb2）e與發(fā)動(dòng)機(jī)推力線同軸。法向加載通過2臺(tái)前后布置的液壓缸 （Fb1、Fb3）加載升力。

校驗(yàn)關(guān)系為：

對(duì)校驗(yàn)關(guān)系式（1）進(jìn)行變換得到校驗(yàn)加載力在臺(tái)架上的力系與5個(gè)測量傳感器輸出的關(guān)系：

推力架通過單元加載與綜合加載進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)結(jié)果見表2。靜態(tài)標(biāo)定結(jié)果表明，推力架軸向綜合準(zhǔn)度指標(biāo)為0.9%，升力綜合準(zhǔn)度指標(biāo)小于1.8%，推力架的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的效果。

表2 推力架校準(zhǔn)度Tab.2 Calibration accuracy of thrust platform

4 自由射流測力試驗(yàn)

試驗(yàn)在西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所的Ф1 500 mm自由射流試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)馬赫數(shù)為6，總溫1 800 K，總壓 5.8 MPa，模擬高度26 km。圖5為軸向力傳感器測量值，由圖中可見3.7 s加熱器室壓開始上升，4.1 s產(chǎn)生第一個(gè)階躍，是加熱器啟動(dòng)后產(chǎn)生的試驗(yàn)件氣動(dòng)阻力與推力架液壓鎖緊力共同作用的結(jié)果；4.62 s推力架完成解鎖動(dòng)作開始測量發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)受力值；8.3 s發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火產(chǎn)生推力克服部分氣動(dòng)阻力使軸向力傳感器測量值產(chǎn)生減小的階躍，階躍量為發(fā)動(dòng)機(jī)推力增益在軸向力傳感器上的輸出；13 s發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)回到冷態(tài)受力狀態(tài)。

圖5 軸向推力傳感器試驗(yàn)曲線Fig.5 Test curves of axial thrust sensor

圖6為升力傳感器測量值，可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火前，作用在發(fā)動(dòng)機(jī)處的軸向氣動(dòng)阻力產(chǎn)生了較大的俯仰力矩。F1和F2受拉，F(xiàn)3和F4受壓。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生推力，軸向力減小，產(chǎn)生的俯仰力矩減小。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)又回到冷態(tài)受力狀態(tài)。14 s推力架開始鎖緊，15 s加熱器關(guān)機(jī)，16.25 s激波返回穿過試驗(yàn)段產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊震蕩，在升力方向尤為明顯。在加熱器啟動(dòng)和關(guān)機(jī)時(shí)鎖緊推力架起到了保護(hù)傳感器和撓性件以及減少震動(dòng)沖擊的作用。

圖6 升力傳感器試驗(yàn)曲線Fig.6 Test curves for lift force sensor

從軸向推力和升力曲線可以看出，各測力傳感器真實(shí)反映了發(fā)動(dòng)機(jī)各階段的受力狀況，跟隨性良好，輸出穩(wěn)定，獲得了較準(zhǔn)確的推力參數(shù)。根據(jù)各傳感器輸出值可以計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)軸向推力和升力以及俯仰力矩。

5 結(jié)論

該沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推力架的研制是成功的，實(shí)現(xiàn)了長5 m，重2 000 kg全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)推力參數(shù)的測量，各分量輸出穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)隨動(dòng)性好，真實(shí)反映了發(fā)動(dòng)機(jī)各階段的受力狀況，并獲得推力增益。測量準(zhǔn)確性較好，滿足試驗(yàn)要求，為發(fā)動(dòng)機(jī)研制提供了可靠的推力參數(shù)。

該推力架的結(jié)構(gòu)形式有效解決了全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)推力中心偏離測量傳感器較遠(yuǎn)、給天平測力元件造成較大干擾的問題,為今后設(shè)計(jì)同類推力架提供了有效參考。

[1]樂嘉陵.吸氣式高超聲速技術(shù)研究進(jìn)展 [J].推進(jìn)技術(shù),2010,31(6)：641-649.

[2]孫強(qiáng),王健,馬會(huì)民.X-51A超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研制歷程[J].飛航導(dǎo)彈,2011(1)：67-71.

[3]FALEMPIN F.French contribution to hypersonic airbreathing propulsion technology development[J].推進(jìn)技術(shù),2010,31(6)：650-659.

[4]張新宇,陳立紅.超燃沖壓模型發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)技術(shù)[J].力學(xué)進(jìn)展,2003,33(4)：491-498.

[5]陳延輝.日本的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)簡況和有關(guān)問題[J].飛航導(dǎo)彈,1998(3)：35-38.

[6]賀武生.超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研究綜述[J].火箭推進(jìn),2005,31(1)：29-32.HE Wushen.Review of scramjet engine development[J].Journal of Rocket Propulsion,2005,31(1)：29-32.

[7]惲起麟 編著.風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2000.

[8]辛洪兵,鄭偉智,趙罘.彈性鉸鏈研究[J].光學(xué)精密工程,2003,11(1)：89-92.

[9]賀德馨.風(fēng)洞天平[M].北京：國防工業(yè)出版社,2001.