火箭質(zhì)量、質(zhì)心測(cè)量設(shè)備的校準(zhǔn)

□ 宋 虎 □ 楊富寧 □ 張世林

藍(lán)箭航天空間科技股份有限公司 上海 201109

1 研究背景

根據(jù)火箭總體設(shè)計(jì)要求,在箭體結(jié)構(gòu)總裝前和總裝后,需對(duì)箭體質(zhì)量和縱向、橫向質(zhì)心位置進(jìn)行測(cè)量,參數(shù)是否準(zhǔn)確,將直接影響火箭飛控精度。由于箭體結(jié)構(gòu)尺寸較大,生產(chǎn)加工過(guò)程中可能存在尺寸偏差,模型理論數(shù)據(jù)計(jì)算的質(zhì)量、質(zhì)心數(shù)據(jù)和實(shí)際生產(chǎn)出的產(chǎn)品存在偏差,需要使用質(zhì)量、質(zhì)心測(cè)量設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)需要對(duì)質(zhì)量、質(zhì)心測(cè)量設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn),使最終測(cè)量數(shù)據(jù)滿足運(yùn)載火箭飛行時(shí)控制需求。

2 測(cè)試原理

質(zhì)量、質(zhì)心測(cè)量設(shè)備的測(cè)量方法是:在火箭箭體兩端安裝滾動(dòng)環(huán),滾動(dòng)環(huán)將箭體抱緊,通過(guò)安裝在測(cè)量設(shè)備底部支撐面的四組傳感器,稱取箭體質(zhì)量;通過(guò)力矩平衡原理,實(shí)現(xiàn)箭體縱向質(zhì)心位置的測(cè)量;通過(guò)力矩平衡原理配合電機(jī)驅(qū)動(dòng)箭體緩慢轉(zhuǎn)動(dòng),分別得到箭體在0°、90°、180°、270°四個(gè)方向的數(shù)據(jù),計(jì)算得到橫向質(zhì)心位置。箭體質(zhì)量,以及各方向質(zhì)心位置也可以由軟件計(jì)算得出。

在同一坐標(biāo)系下,兩個(gè)及以上物體的質(zhì)量通過(guò)相互疊加求和得到,兩個(gè)及以上多質(zhì)點(diǎn)物體的質(zhì)心位置Rc計(jì)算式為:

Rc=∑(MiRi)/∑M

(1)

式中:Mi為各物體質(zhì)量;Ri為各物體位置矢量;M為箭體總質(zhì)量。

可以寫(xiě)成三個(gè)分量式:

Xc=∑(XiMi)/∑M

Yc=∑(YiMi)/∑M

Zc=∑(ZiMi)/∑M

(2)

式中:Xi、Yi、Zi為各方向質(zhì)心位置。

3 測(cè)試方法

對(duì)直徑為3 350 mm的箭體二級(jí)氧箱試驗(yàn)件在測(cè)量設(shè)備上獲取初始質(zhì)量、質(zhì)心數(shù)據(jù),并通過(guò)在箭體二級(jí)氧箱試驗(yàn)件上加載標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載,獲取加載后的質(zhì)量、質(zhì)心數(shù)據(jù)。同時(shí)在NX12.0軟件環(huán)境下,按照試驗(yàn)件的初始數(shù)據(jù)和加載數(shù)據(jù)進(jìn)行建模,獲取理論質(zhì)量、質(zhì)心數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)多組測(cè)量分析,對(duì)比找出理論與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)偏差,進(jìn)而分析質(zhì)量、質(zhì)心測(cè)量設(shè)備的測(cè)量精度是否滿足要求。

3.1 質(zhì)量、質(zhì)心測(cè)量設(shè)備精度指標(biāo)

目前使用的質(zhì)量、質(zhì)心測(cè)量設(shè)備主要精度指標(biāo)參數(shù)如下:

(1) 質(zhì)量測(cè)量范圍為400 kg～7 500 kg;

(2) 質(zhì)量測(cè)量精度不低于滿量程的0.05%;

(3) 質(zhì)心位置測(cè)量精度中,縱向質(zhì)心為±10 mm,橫向質(zhì)心為±1mm。

3.2 測(cè)量對(duì)象

質(zhì)量、質(zhì)心的測(cè)量對(duì)象為箭體二級(jí)氧箱試驗(yàn)件。為消除裝夾對(duì)測(cè)量的影響,對(duì)箭體二級(jí)氧箱試驗(yàn)件前后短殼支撐位置發(fā)泡層進(jìn)行去除,露出二級(jí)氧箱金屬外殼。箭體二級(jí)氧箱試驗(yàn)件實(shí)物如圖1所示。

▲圖1 箭體二級(jí)氧箱試驗(yàn)件實(shí)物

由于后續(xù)加載對(duì)象安裝在箭體二級(jí)氧箱氧增加支架上,因此對(duì)加載和仿真建模直接關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵位置尺寸進(jìn)行復(fù)測(cè),包括后端框與前端框距離、后端框與止推距離、前端框與止推距離、止推與二級(jí)氧箱軸線距離。二級(jí)氧箱試驗(yàn)件關(guān)鍵尺寸如圖2所示。

▲圖2 箭體二級(jí)氧箱試驗(yàn)件關(guān)鍵尺寸

按照關(guān)鍵尺寸要求對(duì)實(shí)物進(jìn)行測(cè)量,使理論尺寸與實(shí)際尺寸基本保持一致。箭體二級(jí)氧箱試驗(yàn)件關(guān)鍵尺寸復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 箭體二級(jí)氧箱試驗(yàn)件關(guān)鍵尺寸復(fù)測(cè)數(shù)據(jù) mm

3.3 加載對(duì)象

試驗(yàn)過(guò)程中的加載對(duì)象為均質(zhì)對(duì)稱20號(hào)鋼材,包括鋼棒、固定法蘭A、固定法蘭B、套管A、套管B,以及六角螺栓、六角螺母國(guó)標(biāo)緊固件。加載對(duì)象三維圖如圖3所示。

▲圖3 加載對(duì)象三維圖

安裝前對(duì)加載對(duì)象進(jìn)行單獨(dú)稱重,加載對(duì)象質(zhì)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 加載對(duì)象質(zhì)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

4 測(cè)試過(guò)程

測(cè)試分為三個(gè)過(guò)程:① 空箱狀態(tài)箭體二級(jí)氧箱試驗(yàn)件質(zhì)量、質(zhì)心測(cè)量;② 增加負(fù)載后質(zhì)量、質(zhì)心測(cè)量;③ 測(cè)量結(jié)果和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

4.1 空箱狀態(tài)箭體二級(jí)氧箱試驗(yàn)件測(cè)量

將空箱狀態(tài)箭體二級(jí)氧箱試驗(yàn)件放置在質(zhì)量、質(zhì)心測(cè)量設(shè)備上,前后支撐分別位于氧箱后短殼、前短殼去除發(fā)泡層處,Ⅱ象限向下,后短殼靠近測(cè)量設(shè)備標(biāo)尺端,對(duì)接定位孔與標(biāo)尺對(duì)齊,測(cè)量質(zhì)量和X、Y、Z三個(gè)方向的質(zhì)心位置,共計(jì)三次。其中,測(cè)量坐標(biāo)原點(diǎn)為二級(jí)氧箱后短殼端面中心,X向指向火箭飛行方向,Y向指向Ⅳ象限,Z向指向Ⅰ象限。箭體二級(jí)氧箱試驗(yàn)件初始質(zhì)量、質(zhì)心實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 箭體二級(jí)氧箱試驗(yàn)件初始質(zhì)量、質(zhì)心實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

按照測(cè)量平均值的質(zhì)量、質(zhì)心數(shù)據(jù)在NX12.0環(huán)境下搭建坐標(biāo)系,坐標(biāo)系與箭體二級(jí)氧箱測(cè)量坐標(biāo)系一致,建立等效圓柱模型并修正。修正后模型質(zhì)量為1 047 kg,X向質(zhì)心位置為1 903.5 mm,Y向質(zhì)心位置為-14.47 mm,Z向質(zhì)心位置為15.04 mm,與測(cè)得的質(zhì)量、質(zhì)心數(shù)據(jù)保持一致。

4.2 增加負(fù)載后測(cè)量

第一次加載,加載對(duì)象為鋼棒、固定法蘭A、固定法蘭B。用配套緊固件將加載對(duì)象安裝在箭體二級(jí)氧箱止推支架上,測(cè)得鋼棒端頭與止推支架端面距離為42mm后,擰緊螺釘固定,開(kāi)始加載后質(zhì)量、質(zhì)心數(shù)據(jù)測(cè)量,并記錄。

第二次、第三次加載,加載對(duì)象為鋼棒、固定法蘭A、固定法蘭B、套管A、套管B。先將套管A、套管B安裝在鋼棒上,然后按照第一次加載固定方式和尺寸要求安裝在箭體二級(jí)氧箱止推支架上。調(diào)節(jié)套筒距離L1為950 mm,L2為200 mm,測(cè)量質(zhì)量、質(zhì)心數(shù)據(jù)共三次,并記錄。調(diào)節(jié)套筒距離L1為500 mm,L2為0 后,測(cè)量質(zhì)量、質(zhì)心數(shù)據(jù)共三次,并記錄。

測(cè)試中,加載對(duì)象的安裝如圖4所示,三次加載現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

▲圖4 加載對(duì)象安裝▲圖5 三次加載現(xiàn)場(chǎng)

5 數(shù)據(jù)處理分析

5.1 仿真計(jì)算

在NX12.0環(huán)境下建立箭體二級(jí)氧箱試驗(yàn)件等效模型,虛擬裝配鋼棒、固定法蘭、套筒等加載對(duì)象與實(shí)際測(cè)量位置一致,并單獨(dú)修正加載對(duì)象質(zhì)量與實(shí)際測(cè)量質(zhì)量保持一致。應(yīng)用NX12.0軟件中的分析體模塊計(jì)算得到仿真模型的質(zhì)量、質(zhì)心數(shù)據(jù),作為實(shí)物加載的理論值。

5.2 理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

對(duì)箭體二級(jí)氧箱試驗(yàn)件三次加載后的理論質(zhì)量和實(shí)際測(cè)得的質(zhì)量平均值做對(duì)比,質(zhì)量最大偏差為1.25 kg。箭體二級(jí)氧箱試驗(yàn)件三次加載后質(zhì)量偏差統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

表4 質(zhì)量偏差統(tǒng)計(jì) kg

對(duì)箭體二級(jí)氧箱試驗(yàn)件三次加載后的理論質(zhì)心位置和實(shí)際測(cè)得的質(zhì)心位置做對(duì)比,X向質(zhì)心位置最大偏差為2.52 mm,Y向質(zhì)心位置最大偏差為0.74 mm,Z向質(zhì)心位置最大偏差為0.72 mm。

箭體二級(jí)氧箱試驗(yàn)件三次加載后質(zhì)心位置偏差統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。

表5 質(zhì)心位置尺寸偏差統(tǒng)計(jì) mm

5.3 測(cè)量精度

通過(guò)上述仿真和試驗(yàn)測(cè)量獲取的質(zhì)量、質(zhì)心偏差數(shù)據(jù),與質(zhì)量、質(zhì)心測(cè)量設(shè)備測(cè)量精度要求對(duì)比,證明質(zhì)量、質(zhì)心測(cè)量設(shè)備測(cè)量精度準(zhǔn)確可靠,可以用于此型運(yùn)載火箭二子級(jí)、整流罩的質(zhì)量、質(zhì)心測(cè)量。產(chǎn)品要求精度與設(shè)備精度對(duì)比見(jiàn)表6。

表6 產(chǎn)品要求精度與設(shè)備精度對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

火箭質(zhì)量、質(zhì)心位置技術(shù)參數(shù)對(duì)于火箭的正確飛行具有十分重要的意義,筆者設(shè)計(jì)的某型火箭質(zhì)量、質(zhì)心測(cè)量設(shè)備經(jīng)過(guò)測(cè)試和數(shù)據(jù)建模加載計(jì)算方式對(duì)比分析,確認(rèn)測(cè)試結(jié)果和三維模型計(jì)算數(shù)據(jù)誤差可控,滿足測(cè)試要求。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比,證明測(cè)量設(shè)備測(cè)量精度滿足火箭總體設(shè)計(jì)提出的要求,測(cè)量數(shù)據(jù)可以作為火箭飛行控制參數(shù)輸入。這一設(shè)備的設(shè)計(jì)是成功的,可以為后續(xù)火箭的飛行提供可靠的數(shù)據(jù)。