液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)多維力測(cè)量裝置原位校準(zhǔn)技術(shù)研究

李志勛，王宏亮，趙印明，陳柯行

(1.西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所，陜西 西安 710100；2．航空工業(yè)北京長城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095)

0 引言

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)多維力測(cè)量技術(shù)一直以來是發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試領(lǐng)域所關(guān)注的重點(diǎn)[1]。近年來，六分力測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)和六分力天平已成為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域廣為采用的多維力測(cè)量方式，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中也已逐步將真空多維力測(cè)量列為常態(tài)化試驗(yàn)需求。其中文獻(xiàn)[2-3]采用了六分力測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的測(cè)試方案，文獻(xiàn)[4-5]采用了六分力天平的測(cè)試方案。受傳感器安裝狀態(tài)、推進(jìn)劑供應(yīng)管路約束、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度變化等影響，多維力傳感器出廠時(shí)的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)系數(shù)，已不適用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試使用。

目前，關(guān)于如何測(cè)準(zhǔn)和測(cè)全發(fā)動(dòng)機(jī)多維力已成為試驗(yàn)過程高度關(guān)注的問題。為提高多維力測(cè)量精度，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)多維力測(cè)量裝置開展試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)技術(shù)研究，建立了一套多維力測(cè)量與現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)一體化裝置，重點(diǎn)解決真空環(huán)境遠(yuǎn)程控制、精確自動(dòng)校準(zhǔn)問題，通過分析真空、溫度、管路約束等對(duì)多維力測(cè)量的影響，提出相應(yīng)的解決措施，降低試驗(yàn)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)多維力測(cè)量所造成的不利影響，為發(fā)動(dòng)機(jī)多維力測(cè)量提供了保障條件。

1 多維力測(cè)量與校準(zhǔn)系統(tǒng)原理與組成

發(fā)動(dòng)機(jī)多維力測(cè)量與校準(zhǔn)一體化裝置主要由推力測(cè)量系統(tǒng)、推力原位校準(zhǔn)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)組成，系統(tǒng)原理如圖1所示。多維力傳感器作為被校準(zhǔn)對(duì)象，標(biāo)準(zhǔn)力傳感器用于溯源；力源加載裝置用于提供標(biāo)準(zhǔn)力源，采用伺服電機(jī)與電動(dòng)缸方式加載標(biāo)準(zhǔn)力源。

圖1 校準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖

多維力測(cè)量系統(tǒng)由定架、推進(jìn)劑供應(yīng)管路、控制氣管路、測(cè)量線纜、力源加載轉(zhuǎn)換器、多維力傳感器、采集系統(tǒng)、采集計(jì)算機(jī)及解耦軟件構(gòu)成。力源加載轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)為圓盤形式，用于連接標(biāo)準(zhǔn)力源加載電動(dòng)缸與多維力傳感器將標(biāo)準(zhǔn)力源加載力傳遞到多維力傳感器上。測(cè)量時(shí)，力源加載轉(zhuǎn)換器則用于連接發(fā)動(dòng)機(jī)與多維力傳感器，其實(shí)物如圖2所示。校準(zhǔn)軟件用于實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)過程的自動(dòng)化控制以及校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)X向、Y向、Z向、X軸扭矩、Y軸扭矩、Z軸扭矩的校準(zhǔn)，測(cè)量與現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置。

圖2 多維力測(cè)量與現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)一體化系統(tǒng)

多維力原位校準(zhǔn)裝置用于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火前推進(jìn)劑供應(yīng)管路、控制氣管路、測(cè)量線纜約束下的校準(zhǔn)；多維力傳感器是四柱式高精度電阻應(yīng)變式力傳感器，為被校對(duì)象[6]，如圖3所示。

圖3 傳感器樣機(jī)及配套儀表樣機(jī)

2 多維力測(cè)量裝置自動(dòng)快速精確校準(zhǔn)技術(shù)

2.1 自動(dòng)快速精確校準(zhǔn)技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)在高空模擬試驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行，而真空艙為臥式結(jié)構(gòu)，如圖4所示。進(jìn)行推力測(cè)量時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝狀態(tài)為水平安裝。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行高空模擬試驗(yàn)時(shí)艙門封閉，擴(kuò)壓器后端蒸汽引射系統(tǒng)工作維持真空，由于蒸汽引射系統(tǒng)的工作時(shí)間有限，發(fā)動(dòng)機(jī)必須在有限的時(shí)間內(nèi)完成高空模擬試驗(yàn)的性能測(cè)量與校準(zhǔn)過程。試驗(yàn)時(shí)間緊、成本高是發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)的一個(gè)顯著特點(diǎn)[7]，這要求多維力原位校準(zhǔn)系統(tǒng)具備真空環(huán)境下標(biāo)準(zhǔn)力源的精確加載、力源加載的快速、遠(yuǎn)程以及自動(dòng)控制的特點(diǎn)。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)火箭試驗(yàn)系統(tǒng)

采用基于電動(dòng)缸的力源加載方式，控制原理如圖5所示。為實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)力源的自動(dòng)快速加載功能，主要采取精確加載、快速加載及遠(yuǎn)程自動(dòng)控制技術(shù)。

圖5 自動(dòng)快速校準(zhǔn)力加載控制原理

1)精確加載技術(shù)

標(biāo)準(zhǔn)力傳感器誤差優(yōu)于0.005%，DMP40測(cè)量誤差優(yōu)于0.003%，可確保標(biāo)準(zhǔn)力源的測(cè)量誤差優(yōu)于0.01%。標(biāo)準(zhǔn)力源加載通過對(duì)伺服電機(jī)的細(xì)分控制[8]來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)力傳感器測(cè)量值與設(shè)定值的偏差小于0.3%時(shí)，停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并維持不少于5 s的穩(wěn)定時(shí)間。

2)快速加載技術(shù)

采用模糊控制器技術(shù)對(duì)力源加載過程進(jìn)行快速調(diào)節(jié)。按照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量力值與設(shè)定值的偏差大小，將力源加載過程分為兩段：大偏差段和小偏差段[9]，大偏差段大于等于80%，小偏差段小于等于20%。在大偏差段控制電動(dòng)缸以較高的位移速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)小超調(diào)的條件下到達(dá)小偏差區(qū)。在小偏差段控制電動(dòng)缸以低的位移速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，消除擾動(dòng)及滯后的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)力源加載的高精度控制。

3)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制技術(shù)

真空環(huán)境下的推力現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)必須解決遠(yuǎn)程自動(dòng)加載力源的問題。主控計(jì)算機(jī)放置于遠(yuǎn)端測(cè)控中心，與DMP40數(shù)據(jù)采集器和控制器建立遠(yuǎn)程通訊連接，校準(zhǔn)軟件按照六檔三遍[10]的預(yù)定程序控制電動(dòng)缸進(jìn)行力源加載，如圖6所示，加載檔位不少于33檔，每檔駐點(diǎn)時(shí)間可調(diào)(最長10 s)。

圖6 典型控制程序圖

2.2 自動(dòng)加載性能測(cè)試

在100 Pa真空環(huán)境下，采用自動(dòng)校準(zhǔn)軟件分別對(duì)Fx(水平)，F(xiàn)y(垂直)，F(xiàn)z(主推)，Mx，My，Mz進(jìn)行力源加載輸出調(diào)試，其測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)力源輸出

由表1知，F(xiàn)x，F(xiàn)y，F(xiàn)z標(biāo)準(zhǔn)力值的輸出誤差均優(yōu)于0.03%，Mx，My，Mz扭矩的輸出誤差均優(yōu)于0.05%。每一個(gè)方向按照三遍六檔的加載時(shí)間由手動(dòng)加載的40 min縮短為自動(dòng)加載的12 min，實(shí)現(xiàn)了快速校準(zhǔn)功能。

3 多維力測(cè)量不確定度影響因素分析及解決措施

3.1 溫度影響分析

受發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過程中熱輻射及熱傳導(dǎo)的影響，多維力傳感器各個(gè)測(cè)力組件的彈性模量特性發(fā)生改變，導(dǎo)致推力測(cè)量的零位及靈敏度出現(xiàn)偏差。為分析發(fā)動(dòng)機(jī)多維力測(cè)量過程中的溫漂影響，將整套多維力測(cè)量系統(tǒng)放置于高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，如圖7所示，對(duì)其進(jìn)行不同溫度環(huán)境下的推力原位校準(zhǔn)。

圖7 高溫環(huán)境下的推力校準(zhǔn)

采用高低溫試驗(yàn)箱分別建立0，20，40，60，80℃等溫度環(huán)境條件，開展多維力測(cè)量裝置的校準(zhǔn)工作，以獲取不同溫度條件下的多維力校準(zhǔn)數(shù)據(jù)(表2)。由表2知，隨著環(huán)境溫度變化對(duì)傳感器的系數(shù)有一定影響，最大影響量達(dá)到了0.5%。需要對(duì)多維力測(cè)量裝置采取必要的防隔熱措施,降低多維力傳感器和標(biāo)準(zhǔn)力傳感器受溫度變化的影響。采用帶水冷隔熱裝置后，再次對(duì)裝置進(jìn)行溫度環(huán)境變化校準(zhǔn)測(cè)試，結(jié)果顯示采取隔熱防護(hù)后(圖8)，測(cè)量裝置受溫度的影響降低。

圖8 傳感器水冷隔熱罩

表2 不同溫度下的校準(zhǔn)測(cè)試

3.2 管路安裝影響分析

推進(jìn)劑供應(yīng)管路是影響發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量不確定度的重要因素之一。受管路增壓、高溫及振動(dòng)環(huán)境的影響，管路約束力呈非線性變化[11]，在100 Pa,22℃環(huán)境下，分別對(duì)連接在測(cè)量裝置上的氧化劑管路增壓3 MPa、燃料管路增壓3 MPa，并對(duì)多維力測(cè)量裝置進(jìn)行原位校準(zhǔn)，獲取相應(yīng)的系數(shù)(表3)。采用硬管連接測(cè)量裝置，因管路安裝狀態(tài)的影響，裝置各向系數(shù)在管路增壓后變化較大，尤其是在扭矩方向，需要對(duì)管路采取柔性設(shè)計(jì)以減低其安裝誤差造成的測(cè)量不確定度。

目前推進(jìn)劑供應(yīng)管路通常采用纏繞式結(jié)構(gòu)來增加管路柔性、降低管路剛度，減小管路約束力。為滿足管路“柔性+剛性”的設(shè)計(jì)要求，將推進(jìn)劑供應(yīng)管路設(shè)計(jì)成“Z”字型，如圖9所示，在整體結(jié)構(gòu)上保證入口管路垂直于主推力方向，并使氧化劑和燃料管道對(duì)稱于主推力軸線。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)入口附近的管路，設(shè)計(jì)為“U”型結(jié)構(gòu)(近似為彈簧結(jié)構(gòu)原理)[12]，可將發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火所產(chǎn)生的微小位移消耗掉，減少入口管路帶來的約束力。

圖9 推進(jìn)劑供應(yīng)管路設(shè)計(jì)

采取柔性設(shè)計(jì)后，管路在增壓后對(duì)Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z的系數(shù)影響明顯小，對(duì)Mx，My，Mz力矩的系數(shù)影響有一定程度的降低。

表3 管路增壓前后校準(zhǔn)系數(shù)

3.3 真空環(huán)境影響分析

22℃條件下，分別在常壓、50 kPa，1 kPa，100 Pa環(huán)境下對(duì)多維力測(cè)量傳感器進(jìn)行原位校準(zhǔn)，由表4知，真空環(huán)境對(duì)校準(zhǔn)系數(shù)影響較小。

表4 不同真空環(huán)境下的校準(zhǔn)系數(shù)

4 結(jié)論

隨著多維力測(cè)試技術(shù)在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域的逐步應(yīng)用，真空環(huán)境下的原位校準(zhǔn)工作顯得尤為重要，已成為提高多維力測(cè)量精度的重要措施之一。針對(duì)某型號(hào)試驗(yàn)所用的多維力測(cè)量裝置，本文開展了現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)技術(shù)研究，分析了多維力測(cè)量裝置不確定度的影響因素。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：

1)快速自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)加載精度高，分力力值加載誤差均優(yōu)于0.03%，扭矩的輸出誤差均優(yōu)于0.05%。每一個(gè)方向按照三遍六檔的加載時(shí)間由手動(dòng)加載的40 min縮短為自動(dòng)加載的12 min，實(shí)現(xiàn)了快速校準(zhǔn)功能。

2)真空氣壓環(huán)境對(duì)推力校準(zhǔn)系數(shù)影響較小，可忽略不計(jì)。而環(huán)境溫度對(duì)推力校準(zhǔn)系數(shù)影響明顯，最大影響量達(dá)到了0.5%，有必要對(duì)矢量力測(cè)量傳感器采用隔熱防護(hù)措施。

3)試驗(yàn)管路增壓對(duì)Mx，My，Mz力矩的校準(zhǔn)系數(shù)影響明顯，最大影響量達(dá)到了4.5%，管路增壓下的原位校準(zhǔn)是有必要的。