某型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)推力測量分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

徐正紅,劉子虛

(安徽省長江計(jì)量所，安徽 合肥 230088)

0 引言

推力是衡量火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要參數(shù)，推力的準(zhǔn)確度及其時(shí)域變化規(guī)律，直接反映出火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)指標(biāo)，影響火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。在準(zhǔn)確測量推力的基礎(chǔ)上，可以通過推力曲線算出發(fā)動(dòng)機(jī)的其他參數(shù)，如平均推力、總沖、比沖等。在火箭制造和裝配過程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)偏差，導(dǎo)致火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生推力偏心，直接影響火箭飛行性能和發(fā)射精度。因此，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)主要性能參數(shù)為軸心推力和推力偏心。

1 試車臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

試車臺(tái)主要由試驗(yàn)臺(tái)架、測試系統(tǒng)和輔助設(shè)備構(gòu)成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，定架作為試車臺(tái)位置調(diào)整基準(zhǔn)，為其他部件提供安裝基礎(chǔ)；前、后龍門架安裝在定架上，龍門架上安裝調(diào)整裝置、動(dòng)架和推力偏心測量單元，用以實(shí)現(xiàn)被測火箭的安裝、位置調(diào)整及推力偏心的測量；推力墩作為受力墻，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力通過傳力裝置、推力測量傳感器作用到推力墩上，通過推力測量傳感器即可測量發(fā)動(dòng)機(jī)軸向推力。推力偏心測量采用六組測量單元進(jìn)行測力，計(jì)算得到偏心矢量。

圖1 試車臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

2 軸向推力測量

通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡可能地提高定架和動(dòng)架的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，減小臺(tái)架結(jié)構(gòu)對(duì)測量準(zhǔn)確度的影響。定架設(shè)計(jì)成剛性很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，動(dòng)架通過螺栓與定架相連接，在定架與動(dòng)架之間裝有測力傳感器，實(shí)現(xiàn)動(dòng)架與定架之間的唯一剛性連接，將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝于動(dòng)架上。對(duì)于軸向推力測量，主要誤差來源包括測力傳感器與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體位置誤差、軸向推力作用下受力墻微小變形引起的傳感器與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體軸心線偏離和測力系統(tǒng)本身的誤差。

為保證主推力測量的準(zhǔn)確可靠，測力傳感器應(yīng)盡可能與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)軸心共線，在實(shí)際試驗(yàn)過程中通過微調(diào)裝置細(xì)微調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)身的位置，保證測力傳感器與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體軸線的同軸度。在調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)體與軸向推力共線的條件下，隨著主推力的增加，傳感器受力逐漸增大，可能引起標(biāo)準(zhǔn)傳感器所在的受力墻發(fā)生微小形變，引起標(biāo)準(zhǔn)傳感器與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)軸心線偏離，如圖2所示。為減小受力墻變形引起的誤差，在受力墻背面設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，增大受力墻的強(qiáng)度，加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸，如圖3所示。

圖2 主推力偏離軸心加載示意圖

圖3 加強(qiáng)筋推力墻設(shè)計(jì)尺寸圖

在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力測量時(shí)，推力的上升時(shí)間為幾十毫秒，為滿足軸向推力的動(dòng)態(tài)測試要求，選用滿足測試準(zhǔn)確度要求、高頻率響應(yīng)特性好的應(yīng)變式傳感器，使得測試系統(tǒng)具有較高固有頻率?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，受環(huán)境溫度的影響，要求傳感器的熱防護(hù)性能好，能很好地降低熱傳導(dǎo)和熱輻射對(duì)測量準(zhǔn)確度的影響，盡量減小溫漂。

3 推力偏心測量

采用六分力法實(shí)現(xiàn)推力偏心的測量試車臺(tái)六分力測量測力傳感器模型如圖4所示。六分力測量誤差來源主要包括傳感器測量誤差、動(dòng)架的安裝位置誤差、發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量變化與質(zhì)心漂移、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置誤差、動(dòng)架與傳感器連接方式影響等。

圖4 六分力測量模型圖

推力偏心加載控制,是在軸向推力加載的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整主推力的加載姿態(tài)，使主推力作用線與模擬彈體軸線產(chǎn)生一微小偏角(不大于5°)，模擬火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力偏載，具體方法是，將主推力加載油缸前端的加載部分位置固定，通過調(diào)節(jié)油缸尾部位置，使主推力與模擬彈體軸線產(chǎn)生偏角，實(shí)現(xiàn)在不同象限、不同位置角度偏轉(zhuǎn)。加載長度838 mm時(shí)，不同方向調(diào)整加載油缸位置產(chǎn)生偏心角度值如表1所示。

表1 偏轉(zhuǎn)角度理論值對(duì)照表

利用各傳感器測得力值計(jì)算主推力偏心角度與理論偏轉(zhuǎn)角度的比對(duì)，實(shí)現(xiàn)推力偏心的測量。

為克服撓性連接動(dòng)架固有頻率低、容易引起臺(tái)架振動(dòng)的缺陷，針對(duì)小推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測試特點(diǎn)，在滿足測試時(shí)臺(tái)架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，采取增加動(dòng)架的軸向剛度和減小橫向剛度設(shè)計(jì)，提高動(dòng)架的固有頻率，消除發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)架的振動(dòng)影響。采取6個(gè)側(cè)向分力傳感器剛性安裝在動(dòng)架上，六分力測量傳感器安裝位置如圖5所示，在6個(gè)測力傳感器頂端各安裝一個(gè)沿彈體軸向的滾動(dòng)軸承，以減小沿彈體方向的側(cè)向摩擦力，傳感器滾動(dòng)軸承裝置如圖6所示。為保障滾動(dòng)軸承運(yùn)動(dòng)方向與彈體平行，對(duì)傳感器連接軸的安裝采取導(dǎo)向槽的方法精確處理，通過控制導(dǎo)向槽、導(dǎo)向連接桿的結(jié)構(gòu)尺寸、加工精度和材質(zhì)，可有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)架位置誤差對(duì)于測量準(zhǔn)確度的影響，導(dǎo)向連接桿設(shè)計(jì)尺寸如圖7所示。同時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)安裝時(shí)與動(dòng)架之間近似于剛性約束，發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中質(zhì)量變化和質(zhì)心漂移的影響也可忽略不計(jì)。剛性約束受力產(chǎn)生的微小變形會(huì)引起約束之間的相互干擾，降低分力的測量準(zhǔn)確度，需要對(duì)約束互擾進(jìn)行理論分析建立修正方程，再通過原位校準(zhǔn)獲得互擾修正系數(shù)，從而消除互擾帶來的測量誤差。

圖5 六分力測量傳感器安裝示意圖

圖6 傳感器軸承裝置圖

圖7 導(dǎo)向連接桿設(shè)計(jì)尺寸圖

4 自動(dòng)校準(zhǔn)軟件設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)軟件采用VC進(jìn)行開發(fā)，包括數(shù)據(jù)采集處理部分和生成檢測報(bào)告部分。前者包含對(duì)軸向推力、偏載力值等參數(shù)的采集與處理；后者主要提供試車臺(tái)檢測報(bào)告的信息輸入、數(shù)據(jù)提取，從而實(shí)現(xiàn)報(bào)表的自動(dòng)生成；利用數(shù)據(jù)庫管理檢測報(bào)告，提供信息查詢、導(dǎo)出、打印等功能。軸向推力采集界面如圖8所示，主要包含軸向推力、六分力的采集，軸向主推力加載控制，偏心角的計(jì)算等。軸向力的采集曲線繪制如圖9所示，可根據(jù)測試條件的不同選取加載時(shí)間-力值、加載位移-力值、形變-力值等不同的曲線模式。

圖8 軸向推力采集界面

圖9 軸向推力采集曲線繪制區(qū)

5 結(jié)束語

本文所述試車臺(tái)裝置針對(duì)某型小推力固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測試，采用加強(qiáng)臺(tái)架剛度，提高臺(tái)架靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性；設(shè)計(jì)位置細(xì)微調(diào)整裝置、采取六分力傳感器與動(dòng)架剛性連接及精確設(shè)計(jì)，保證火箭發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體與測量傳感器之間的位置精度；采取增加動(dòng)架的軸向剛度和減小橫向剛度設(shè)計(jì)，提高動(dòng)架的固有頻率，消除發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的振動(dòng)對(duì)測量準(zhǔn)確度的影響，實(shí)現(xiàn)了小推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)推力的準(zhǔn)確測量，滿足了某型小推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)指標(biāo)測試要求。