一種姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)

王春羽

摘? 要：本文提出了一種姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)，采用砝碼對(duì)推力測(cè)試系統(tǒng)施加力值，通過(guò)比較標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的示值與測(cè)試系統(tǒng)顯示的推力值實(shí)現(xiàn)姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)試系統(tǒng)力值的原位校準(zhǔn)，避免了因測(cè)力傳感器拆卸送檢、安裝引入的不確定度，增大了測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī);推力測(cè)試;原位校準(zhǔn)裝置

中圖分類號(hào)：TB931?????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???????? 文章編號(hào)：

0引言

姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)也稱姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)，其工作原理是：從噴管排出高壓氣體產(chǎn)生推力，來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭末級(jí)、衛(wèi)星和各類航天器的姿態(tài)控制、姿態(tài)穩(wěn)定和姿態(tài)機(jī)動(dòng)，是航天器入軌、再入、降落以及發(fā)射等環(huán)節(jié)不可缺少的動(dòng)力裝置，廣泛應(yīng)用于各類衛(wèi)星和飛船的飛行軌跡控制。其工作原理圖如圖1所示，高壓氮?dú)赓A存于高壓氣瓶中，通過(guò)減壓閥后將壓力降低，并為燃料貯箱和氧化劑貯箱供壓，當(dāng)電磁閥1和電磁閥2打開(kāi)后，燃料和氧化劑被擠入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，兩種物質(zhì)在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室接觸并燃燒，產(chǎn)生的高溫高壓氣體從發(fā)動(dòng)機(jī)噴口噴出，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。

隨著我國(guó)航天器技術(shù)小型化、集成化的戰(zhàn)略發(fā)展，小推力的姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)在微小衛(wèi)星領(lǐng)域開(kāi)始大量使用。衛(wèi)星攜帶小推力發(fā)動(dòng)機(jī)在太空中通常以脈沖方式工作，產(chǎn)生的推力是一連串持續(xù)時(shí)間不等的脈沖力，用于對(duì)衛(wèi)星等航天器在出現(xiàn)姿態(tài)偏移時(shí)的及時(shí)準(zhǔn)確修正，脈沖寬度從幾毫秒到幾十毫秒不等。姿軌控系統(tǒng)的有效工作的先決條件是保證推進(jìn)劑有效合理地利用，燃料的配比決定了發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)推力的大小，燃料的供給時(shí)間決定了發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)衛(wèi)星的作用力時(shí)間，推力大小與作用時(shí)間直接影響衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整的準(zhǔn)確度，每一個(gè)微小失誤都可能造成不可估量的損失。

發(fā)動(dòng)機(jī)的推力大小、響應(yīng)時(shí)間、壽命等參數(shù)是系統(tǒng)研制的關(guān)鍵參數(shù)，姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)試是姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)。目前，推力測(cè)試裝置的校準(zhǔn)工作，主要通過(guò)拆卸測(cè)力傳感器送檢的方式完成，且只進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)。由發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)試原理可知，僅進(jìn)行工作測(cè)力傳感器的校準(zhǔn)，無(wú)法評(píng)估彈簧鋼片及連接機(jī)構(gòu)帶來(lái)的影響，且拆除、安裝和微調(diào)定位等工序，不可避免的改變了傳感器工作狀態(tài)，引入的較多的不確定性因素，增大了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的不確定度。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)，通過(guò)原位比較的校準(zhǔn)方式，實(shí)現(xiàn)推力測(cè)試裝置的力值校準(zhǔn)。

1姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)試系統(tǒng)工作原理

推力測(cè)試裝置由試車架測(cè)試臺(tái)[1] 和控制系統(tǒng)組成，推力測(cè)試裝置架結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

參見(jiàn)圖2，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)試臺(tái)主要由定架、動(dòng)架、測(cè)力傳感器、簧片、預(yù)緊裝置和發(fā)動(dòng)機(jī)安裝板組成，定架與動(dòng)架通過(guò)彈簧鋼片柔性連接。進(jìn)行推力測(cè)試前，先將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在轉(zhuǎn)接架上，再將轉(zhuǎn)接架的另一端安裝于動(dòng)架上，動(dòng)架的另一端則與定架上的測(cè)力傳感器連接，通過(guò)微調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)接架上的安裝位置，實(shí)現(xiàn)其與測(cè)力傳感器的同軸安裝。

測(cè)試完成后，通過(guò)對(duì)各參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)的計(jì)算分析，可得到發(fā)動(dòng)機(jī)的激發(fā)開(kāi)機(jī)響應(yīng)推力時(shí)間、燃燒室燃燒效率、比沖等重要技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)人員將根據(jù)測(cè)試結(jié)果，判斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否滿足設(shè)計(jì)、試驗(yàn)要求，為發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能做出客觀評(píng)價(jià)。

2校準(zhǔn)原理分析

發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火前，通過(guò)擰動(dòng)預(yù)緊螺栓給測(cè)力傳感器施加預(yù)緊力，前后兩個(gè)傳感器的受力分別為F1和F2，姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)力原理圖如圖3所示，從發(fā)動(dòng)機(jī)端觀察，前置力傳感器的受力F1和后置力傳感器的受力F2均為拉力，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作時(shí)，產(chǎn)生的反作用力F3通過(guò)轉(zhuǎn)接架傳遞至動(dòng)架，兩測(cè)力傳感器的輸出值均減小，若測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得前置力傳感器的輸出為F1o，后置力傳感器的輸出為F2o，則得到測(cè)量值F3，三者的關(guān)系為：

F₃=（F₁+F₂-F₁₀-F₂₀）

進(jìn)行推力測(cè)試系統(tǒng)推力校準(zhǔn)時(shí)，需要設(shè)計(jì)推力系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置模擬姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力，激勵(lì)裝置采用靜態(tài)力激勵(lì)，裝置按預(yù)設(shè)的力值穩(wěn)定加載，待力值穩(wěn)定后，由標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀顯示的模擬推力值作為標(biāo)準(zhǔn)力值，與推力測(cè)試系統(tǒng)顯示的推力值完成推力校準(zhǔn)。

3發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)

由姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)試系統(tǒng)工作原理可知，進(jìn)行推力測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)力校準(zhǔn)時(shí)，需要模擬產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)推力，目前復(fù)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)力值最常用的方式是采用砝碼受到的重力來(lái)復(fù)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)力值。但砝碼所受的重力方向?yàn)樨Q直向下的，由圖3發(fā)動(dòng)機(jī)推力系統(tǒng)測(cè)試原理圖可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力為水平向左的，因此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的裝置，將砝碼的重力轉(zhuǎn)化為水平向右的推力，因?yàn)榇嬖跈C(jī)械摩擦力，砝碼的重力并不等于其轉(zhuǎn)化的推力，因此，在設(shè)計(jì)校準(zhǔn)裝置時(shí)，產(chǎn)生的推力由標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀測(cè)量，由標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的示值作為標(biāo)準(zhǔn)推力，然后比較推力測(cè)試系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的示值，完成靜態(tài)推力校準(zhǔn)。設(shè)計(jì)的姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置如下。

推力測(cè)試系統(tǒng)連接工裝與通過(guò)螺栓與弓形標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀固定連接，弓形標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀為拉壓雙向力傳感器，底部頂部均有螺孔，通過(guò)螺栓與齒輪導(dǎo)軌固定連接;在砝碼放置臺(tái)上放置砝碼，砝碼產(chǎn)生的垂直力通過(guò)大滑輪轉(zhuǎn)變?yōu)樗较蛴业牧?，由小滑輪組保持受力繩索的水平，繩索拉動(dòng)下端齒輪導(dǎo)軌帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪帶動(dòng)上端齒輪導(dǎo)軌水平向左運(yùn)動(dòng)，形成水平向左的力，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力。發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

推力測(cè)試系統(tǒng)連接工裝中部設(shè)計(jì)有螺孔，通過(guò)螺栓與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀左端固定連接，齒輪導(dǎo)軌的伸長(zhǎng)端為外螺紋結(jié)構(gòu)，擰進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的右端，在同一水平線上將標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀固定。

齒輪與其上下導(dǎo)軌固定在平衡臺(tái)上，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪導(dǎo)軌可在平衡臺(tái)內(nèi)的固定架上來(lái)回滑動(dòng)，在其接觸面上涂有潤(rùn)滑劑以減小摩擦力。

下端齒輪導(dǎo)軌通過(guò)抗拉性能好的尼龍繩與砝碼放置臺(tái)連接，繩子通過(guò)小滑輪組，保持受力方向不變，順著大滑輪外沿固定連接砝碼放置臺(tái)，繩子末端分成四個(gè)部分，分別與砝碼放置臺(tái)的四端連接。

4結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型通過(guò)設(shè)計(jì)校準(zhǔn)裝置，實(shí)現(xiàn)推力測(cè)試系統(tǒng)的原位校準(zhǔn)，有效避免了因推力測(cè)試系統(tǒng)上測(cè)力傳感器的拆除、安裝和微調(diào)定位等工序帶來(lái)的影響，減少了不確定性因素，增大了測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;同時(shí)大大減少了因拆卸送檢所產(chǎn)生的時(shí)間成本和人力成本，提高了測(cè)試效率。實(shí)現(xiàn)姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)力原位校準(zhǔn)仍需進(jìn)一步研究完善。

參考文獻(xiàn)

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