基于拉線傳感器的噴管擺角測試技術(shù)研究

朱 力，趙建學(xué)，薛 斌，黎 明，霍 亮

(1.中國航天科工集團(tuán)六院四十一所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.國防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410000；3.海軍裝備部，北京 100841)

1 概述

新一代高性能導(dǎo)彈武器裝備均配備推力矢量控制功能的固體火箭發(fā)動機(jī)。在發(fā)動機(jī)工作過程中，全軸擺動推力矢量噴管在伺服作動器的推、拉作用下進(jìn)行擺動，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的推力矢量控制，為導(dǎo)彈提供俯仰、偏航的側(cè)向力。針對固體火箭發(fā)動機(jī)全軸擺動矢量噴管，在發(fā)動機(jī)地面熱試車過程中需要在伺服作動器的相對方向安裝擺角測量裝置，以測量噴管在工作過程中的實(shí)際擺角，用以校驗(yàn)伺服作動器及噴管在工作過程中是否達(dá)到了彈總體對于擺角的要求，同時也為噴管附加擺角及預(yù)調(diào)角的確定提供參考數(shù)據(jù)。

在傳統(tǒng)的固體火箭發(fā)動機(jī)推力矢量噴管擺角測試技術(shù)中，一般采用線位移傳感器進(jìn)行噴管擺角的測量，其基本原理如圖1所示。在伺服作動器的對側(cè)安裝線位移傳感器，當(dāng)噴管在伺服作動器的推、拉作用下產(chǎn)生相對擺心的擺動時，對向的線位移傳感器隨之產(chǎn)生縮、伸長度的變化，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電信號，傳至主控計(jì)算機(jī)，解析出噴管的實(shí)際擺角。

圖1 線位移傳感器擺角測試的基本原理

線位移傳感器的外形結(jié)構(gòu)[1]如圖2所示，傳感器的拉桿在剛性的傳感器外殼內(nèi)部產(chǎn)生滑動，內(nèi)部的磁傳感器將拉桿的滑動轉(zhuǎn)化為電信號，實(shí)現(xiàn)對于其伸、縮位移的實(shí)時測量[2]。

圖2 線位移傳感器外形結(jié)構(gòu)

隨著彈體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，傳統(tǒng)的基于線位移傳感器的噴管擺角測量方法已經(jīng)無法滿足噴管擺角測量的結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)要求，存在著嚴(yán)重的干涉。為此，本文提出并驗(yàn)證了一種基于拉線傳感器的全軸擺動噴管擺角測量方法，同時兼顧了噴管擺角測量與結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)的要求。

與上一代導(dǎo)彈武器裝備相比，新一代導(dǎo)彈武器對于發(fā)動機(jī)噴管伺服支架的安裝位置進(jìn)行了調(diào)整。將上一代產(chǎn)品中安裝于兩支臂間45°象限線位置的4個伺服支架調(diào)整為安裝于工藝支臂位置的2個伺服支架。通過伺服支架安裝方式的變化，可以使伺服支架的可拆卸、維修性更強(qiáng)，但是給噴管地面熱試車中的擺角測量帶來了困難。

傳統(tǒng)的噴管擺角測量方法是在工藝支臂/工藝支耳位置安裝線位移傳感器，完成擺角測量。隨著伺服支架結(jié)構(gòu)的變化，占用空間過大的線位移傳感器已無法滿足噴管擺角測量的需求，存在著嚴(yán)重的干涉，需要采用新的擺角測量方案，以同時滿足擺角測量與結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)性的要求。

2 拉線傳感器的基本原理

拉線傳感器是一種利用高柔韌性的復(fù)合鋼絲把拉線的位移信號轉(zhuǎn)化為傳感器內(nèi)部編碼器的電信號的接觸式測量傳感器。拉線式傳感器一般由柔性鋼絲繩、鎖扣、輪轂、彈簧和感應(yīng)器等結(jié)構(gòu)組成。柔性鋼絲繩纏繞在一個帶有螺紋的輪轂上，輪轂一面與恒定拉力彈簧連接，另一面與高精度旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器連接。拉線傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[3]示意圖如圖3所示。

圖3 拉線傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器實(shí)際上可以是編碼器、旋轉(zhuǎn)電位計(jì)等旋轉(zhuǎn)位移傳感器。當(dāng)柔性鋼絲繩在外力作用下產(chǎn)生伸、縮等動作時，測試所輸出的電信號就可以得出運(yùn)動物體的位移[4]。拉線傳感器由于其具有安裝方便、量程大、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，且采用高精度的編碼器就可以實(shí)現(xiàn)拉線傳感器的高分辨率和重復(fù)性測量。

拉線傳感器是一種采用柔性拉線作為測量介質(zhì)的位移傳感器。拉線傳感器的工作原理如圖4所示。在拉線傳感器內(nèi)部，拉線位移的測量是通過專門設(shè)計(jì)的傳感器運(yùn)動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為傳感器輪轂旋轉(zhuǎn)角度的測量[5]。通過基于磁敏角度測量原理所設(shè)計(jì)的傳感器測量電路，實(shí)現(xiàn)對于輪轂角位置的精確測量，然后角位置的測量信息再通過控制芯片的解算處理得到拉線的運(yùn)動位移[6]。由于磁敏感應(yīng)傳感器可以實(shí)現(xiàn)非接觸狀態(tài)下的角位置測量，因此，基于此原理所設(shè)計(jì)的拉線傳感器量程不受測量元件的限制。

圖4 拉線傳感器的工作原理圖

根據(jù)拉線傳感器的測試基本原理，傳感器的位移量可以表示為[7]：

(1)

式中，x為拉線拉伸或收縮的位移；l為單圈繞線長度；Δδ為拉線軸移補(bǔ)償；θ0為初始角度；θ為偏轉(zhuǎn)之后的角度。

通過拉線傳感器的工作原理圖可以看出，由于纏繞的過程中，拉線的排列產(chǎn)生了沿軸線方向的移動，所以式1中的單圈繞線的長度與半徑R、繞線排列寬度等參數(shù)均相關(guān)。單圈繞線的長度計(jì)算式可以表示為：

(2)

式中，R為滾輪的半徑；d為拉線的繩徑。

為了消除拉線沿軸向所引起的測量偏差，對于單圈繞線的長度進(jìn)行補(bǔ)償校正，拉線的軸向補(bǔ)償可以表示為：

(3)

式中，h為滾輪下沿至導(dǎo)向孔的距離；w為繞線的排列寬度；Q為繞線的圈數(shù)。

綜合式1～式3即可確定拉線傳感器位移與旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系，通過磁敏傳感器所采集的旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)，解算出拉線伸、縮長度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對于拉線傳感器位移的精確測量[8]。

3 基于拉線傳感器的噴管擺角測試方案

為同時滿足噴管擺角測量的需求和安裝空間協(xié)調(diào)性的要求，本文提出了一種基于拉線傳感器的噴管擺角測量方法。即通過在伺服支架位置安裝1個拉線傳感器，拉線經(jīng)過安裝于噴管擴(kuò)散段外壁的導(dǎo)向器連接于工藝支耳孔中心位置。在噴管擺動的過程中，隨著伺服作動器的伸、縮，相對方向的拉線傳感器的拉線同步進(jìn)行縮、伸的運(yùn)動，并將位移型號轉(zhuǎn)化為傳感器內(nèi)部的電流信號，通過信號采集系統(tǒng)進(jìn)行采集?；诶€傳感器的噴管擺角測量設(shè)備示意圖如圖5所示。

圖5 基于拉線傳感器的噴管擺角測量技術(shù)示意圖

通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集的電流信號，可以計(jì)算出噴管擺動過程中拉線的長度變化量?；谟嘞叶ɡ?，根據(jù)拉線長度的變化，可以計(jì)算出對應(yīng)的擺角數(shù)據(jù)，供試車分析使用。

4 測試方案的地面熱試車考核

在采用基于拉線傳感器的噴管擺角測量方法之前，噴管擺角測量方案無法滿足結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)性的要求。

在采用基于拉線傳感器的噴管擺角測量方法之后，成功在發(fā)動機(jī)地面試車中對于噴管擺角進(jìn)行了測試，測試精度滿足了總體要求。

發(fā)動機(jī)地面試車過程中采用拉線傳感器進(jìn)行噴管擺角的方案。拉線傳感器共2臺，分別安裝在發(fā)動機(jī)Ⅰ-Ⅱ象限45°象限線及Ⅰ-Ⅳ象限45°象限線上，即與伺服作動器的安裝位置相對應(yīng)。拉線傳感器通過支架安裝在噴管固定殼體上，拉線通過導(dǎo)向器連接至工藝支耳孔中心線處。地面熱試車照片如圖6所示。

圖6 地面熱試車照片

通過余弦定理，將試車過程中拉線長度的變化轉(zhuǎn)換為噴管擺角的變化，得到噴管擺動過程中拉線傳感器所測量的角度數(shù)據(jù)，曲線如圖7所示。擺角測量數(shù)據(jù)及精度滿足分析要求。

圖7 噴管俯仰方向擺角測量曲線

5 結(jié)語

通過對于基于拉線傳感器的噴管擺角測試技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了通過拉線傳感器對于噴管擺角的實(shí)時準(zhǔn)確測試，同時滿足了測試高精度與嚴(yán)苛空間協(xié)調(diào)性的要求，為新一代導(dǎo)彈武器裝備探索出了一種簡單高效的測試方案。