CN103630285B - 临近空间飞行器rcs喷流干扰力与干扰力矩测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种临近空间飞行器RCS喷流干扰力与干扰力矩测量装置，其包括六个单分量力传感器、六根弹性铰链连杆、三根转接杆；其中，三个单分量力传感器的测量方向沿笛卡尔坐标系的Z轴布置，用于分别测量沿坐标轴Z方向的力、沿坐标轴Y方向的力矩以及沿坐标轴X方向的力矩；两个单分量力传感器的测量方向沿X轴布置，用于测量沿坐标轴X方向的力以及沿坐标轴Z方向的力矩；一个单分量力传感器的测量方向沿Y轴布置，用于测量方向沿坐标轴Y方向的力；弹性铰链连杆竖直设置，且其一端分别固定于单分量力传感器，另一端直接或间接通过转接杆固定于上浮动板。本发明能够完成RSC整机在工作状态下三分量力和三分量力矩的同时测力。

Description

临近空间飞行器RCS喷流干扰力与干扰力矩测量装置

技术领域

本发明临近空间飞行器性能检测技术领域，具体而言，本发明特别涉及一种临近空间飞行器，尤其是临近空间高超声速飞行器，RCS（Reactioncontrolsystem，即喷射反作用控制系统）喷流干扰力与干扰力矩测量装置。

背景技术

临近空间（距离海平面20km至100km）高超声速飞行器在60km以上高空飞行时，由于空气极为稀薄，控制面的气动控制能力非常弱，无法满足飞行器姿态控制要求，此时，需要采用RCS控制。通常的做法是，将控制各方向的反推发动机集中固连在飞行器底部的底遮板上，通过力臂（对飞行器前缘）最大化的方法提高小推力反推发动机对飞行器姿态的调整能力。

但是，这样的RCS控制方式无法避免各方向的相互干扰。例如，RCS系统中用于控制侧滑姿态的反推火箭工作时会引入滚转力矩。引入的滚转力矩属于附加力矩，也称作干扰力矩。干扰力矩的量值必须小于自控系统的安全容限，否则飞行器姿态会有失控的危险。因为涉及到羽流现象，RCS系统的干扰力和干扰力矩难以通过理论计算获得。通过高模试车台（高真空度发动机试车台），对RCS整机产品进行喷流干扰力与干扰力矩测量，是目前最为可行的技术途径。

目前一些高模试验台发动力测力技术以单机单分量测量为主，尚无关于RCS整机多分量测量的任何技术储备。并且，对于临近空间高超声速飞行器的RCS整机产品而言，主控力与力矩、干扰力与力矩以六分量载荷的形式（沿笛卡尔坐标系坐标轴的三个力与三个力矩）同时存在，因此载荷测量的难度非常大。

发明内容

本发明的发明目的在于针对临近空间高超声速飞行器RCS整机产品的工作特点，提供一种临近空间飞行器RCS喷流干扰力与干扰力矩测量装置，以解决在高模试验台上，对高超声速飞行器RCS整机产品的多分量干扰力与力矩进行同时测量的问题。

为了实现上述目的，本发明提供的临近空间飞行器RCS喷流干扰力与干扰力矩测量装置的技术方案如下：

一种临近空间飞行器RCS喷流干扰力与干扰力矩测量装置，其包括下固定板、上浮动板、六个单分量力传感器、六根弹性铰链连杆、三根转接杆，所述单分量力传感器布置于所述下固定板和上浮动板之间并固定于所述下固定板上；其中，三个所述单分量力传感器的测量方向沿笛卡尔坐标系的Z轴布置，用于分别测量沿坐标轴Z方向的力、沿坐标轴Y方向的力矩以及沿坐标轴X方向的力矩；两个所述单分量力传感器的测量方向沿笛卡尔坐标系的X轴布置，用于测量沿坐标轴X方向的力以及沿坐标轴Z方向的力矩；一个所述单分量力传感器的测量方向沿笛卡尔坐标系的Y轴布置，用于测量方向沿坐标轴Y方向的力；所述弹性铰链连杆竖直设置，且其一端分别固定于所述单分量力传感器，另一端直接或间接通过所述转接杆固定于所述上浮动板。

本发明通过设置六个单分量力传感器，能够完成RSC整机在工作状态下三分量力和三分量力矩的同时测力，由此实现干扰力与干扰力矩的识别、测量。

附图说明

图1a、1b、1c分别为本发明实施例的主视、左视、立体结构示意图。

图2a、2b、2c分别为单分量力传感器5、12、14的主视、左视、俯视结构示意图；

图3a、3b、3c分别为单分量力传感器6、8、13的主视、右视、俯视结构示意图；

图4a、4b、4c、4d分别为单分量力传感器5上应变计的布置结构图及双电桥输出设置示意图；

图5a、5b、5c分别为弹性铰链连杆的主视、左视、俯视结构示意图；

图6a、6b、6c分别为防松螺母10的俯视图、纵剖图、沿图6a中A-A线的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

如图1a、1b、1c所示，本发明的该实施例包括下固定板19、上浮动板20、单分量力传感器5、单分量力传感器6、单分量力传感器8、单分量力传感器12、单分量力传感器13、单分量力传感器14、弹性铰链连杆3、弹性铰链连杆7、弹性铰链连杆11、弹性铰链连杆15、弹性铰链连杆16、弹性铰链连杆17和转接杆1、转接杆2、转接杆18，单分量力传感器5、6、8、12、13、14布置于所述下固定板19和上浮动板20之间并固定于下固定板19上。

弹性铰链连杆3、15、17竖直设置，且其一端分别固定于单分量力传感器5、12、14，另一端固定于上浮动板20。弹性铰链连杆7、11、16水平设置，且其一端分别固定于单分量力传感器8、6、13，另一端分别固定于转接杆2、1、18的一端。转接杆2、1、18竖直设置，其另一端固定于上浮动板20。优选地，弹性铰链连杆3、7、11、15、16、17的端部不论与单分量力传感器、转接杆连接，还是与上浮动板20连接，均通过防松螺母10锁紧。

对于各单分量力传感器5、6、8、12、13、14的布置及测量方向，详述如下：

单分量力传感器5、12、14的测量方向沿笛卡尔坐标系的Z轴方向布置，并分别用四个内六角螺钉将各自的底座（如图2c所示，单分量力传感器5的底座54上设有四个未标记的通孔）固连在下固定板19上，用于测量沿坐标轴Z方向的力Fz、沿坐标轴Y方向的力矩My以及沿坐标轴X方向的力矩Mx。

单分量力传感器8、13的测量方向沿X轴布置，并分别用四个内六角螺钉将每个单分量力传感器固连在下固定板19上，用于测量沿坐标轴X方向的力Fx以及沿坐标轴Z方向的力矩Mz。

单分量力传感器6的测量方向沿Y轴布置，并用四个内六角螺钉将单分量力传感器的底座（如图3a所示，单分量力传感器6的底座64上设有四个的通孔65）固连在下固定板19上，用于测量方向沿坐标轴Y方向的力Fy。

本实施例安装上述配置，可以实现在笛卡尔坐标系下三个正交方向力和三个正交方向力矩的同时测量。

优选地，为使本实施例的结构更合理、测量更精确，三个单分量力传感器5、12、14分别布置在下固定板19平面内一等腰三角形的三个顶点上。更优选地，该等腰三角形的高为174mm。

单分量力传感器8、13的测量方向与坐标轴X平行布置，同时，两个单分量力传感器8、13的测量方向与坐标轴X平行布置，Y向间距优选为160mm。

单分量力传感器6的测量方向沿坐标轴Y布置，同时，其处于单分量力传感器8、13的中间位置。

单分量力传感器5、12、14的结构基本相同，均为悬臂梁式结构，只是三者的固定位置不同。如图2a、2b、2c所示，单分量力传感器5包括依次连接的用于固定的底座54、用于感测位移的悬臂梁53、用于和弹性铰链连杆3连接的位移自由端51。位移自由端51设有通孔52，弹性铰链连杆3的端部穿过通孔52之后由一防松螺母10锁紧。悬臂梁53水平设置，弹性铰链连杆3竖直设置。

单分量力传感器6、8、13的结构基本相同，亦均为悬臂梁式结构，只是三者的固定位置不同。如图3a、3b、3c所示，单分量力传感器6包括依次连接的用于固定的底座64、用于感测位移的悬臂梁63、用于和弹性铰链连杆11的一端连接的位移自由端61。位移自由端61设有通孔62，弹性铰链连杆11的端部穿过通孔62之后由一防松螺母10锁紧。悬臂梁63竖直设置，弹性铰链连杆11水平设置。底座64上设有四个的通孔65，四个螺钉通过通孔65之后将底座64固定于下固定板19上。

每个单分量力传感器5、6、8、12、13、14的悬臂梁两侧均粘贴有一组四个应变计，每组应变计分别组成惠斯通电桥。应变计阻值优选为350Ω，每组四片，在靠近悬臂梁固支端根部沿横向对称粘贴。由于每个单分量力传感器5、6、8、12、13、14粘贴的应变计的承载结构、粘贴位置及电路结构相同，因此仅通过单分量力传感器5上的应变计加以说明，如图4a、4b、4c、4d所示，悬臂梁53的固支端根部两侧粘贴有两组八个应变计（八个应变计均有编号，分别为1-8）56，每侧一组，一组四个。在悬臂梁53的两侧，八个应变计56一一对应。八个应变计按照图4c、4d所示的电路结构组成惠斯通电桥，将悬臂梁53的机械形变转换为电压信号输出，其中，“O”表示输出，“I”表示电源输入。

优选地，应变计56上覆盖有隔热材料层，防止应变计56因发动机燃气加热导致设备出现严重的温度效应。更优选地，隔热材料层的隔热材料为陶瓷纤维纸，其厚度为1mm。更优选地，将陶瓷纤维纸剪裁成与悬臂梁宽度相同的长条状，并缠绕一圈后用漆包线系紧。

弹性铰链连杆3、7、11、15、16、17的结构基本相同，不再一一赘述，仅以弹性铰链连杆3为例进行说明。如图5a、5b、5c所示，弹性铰链连杆3包括主轴31、两端的连接部以及弹性的铰链32、33、34、35，铰链32、33、34、35的厚度优选为0.6mm，在轴向之外的正交方向各设置两处铰链32、33和铰链34、35。

如图6a、6b、6c所示，防松螺母10为圆形螺母，其直径可以为28mm，螺母端面边缘设有四个对称的豁口101便于使之转动，距离螺母端面2mm处沿垂直于螺母轴线方向切有宽度为0.5mm的半圆形槽102，在半圆形槽102所在的螺母端面攻有M4的螺纹孔103。比较简单的一种应用方式为，在螺纹孔103中拧入螺钉，半圆形槽102上方的薄弱位置发生变形，致使防松螺母10与弹性连杆的螺纹配合抱紧，以此达到防松效果。

综上，本发明能完成RSC整机在工作状态下三分量力和三分量力矩的同时测量，因此实现了干扰力与干扰力矩的识别。而现有技术只能完成单方向力与力矩的测量。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种临近空间飞行器喷射反作用控制系统喷流干扰力与干扰力矩测量装置，其特征在于，包括：下固定板(19)、上浮动板(20)、六个单分量力传感器(5、6、8、12、13、14)、六根弹性铰链连杆(3、7、11、15、16、17)、三根转接杆(1、2、18)，所述单分量力传感器(5、6、8、12、13、14)布置于所述下固定板(19)和上浮动板(20)之间并固定于所述下固定板(19)上；

其中，所述单分量力传感器(5)、(12)、(14)的测量方向沿笛卡尔坐标系的Z轴布置，用于分别测量沿坐标轴Z方向的力、沿坐标轴Y方向的力矩以及沿坐标轴X方向的力矩；

所述单分量力传感器(8)、(13)的测量方向沿笛卡尔坐标系的X轴布置，用于测量沿坐标轴X方向的力以及沿坐标轴Z方向的力矩；

所述单分量力传感器(6)的测量方向沿笛卡尔坐标系的Y轴布置，用于测量方向沿坐标轴Y方向的力；

所述弹性铰链连杆(3)、(15)、(17)竖直设置，且其一端分别固定于所述单分量力传感器(5)、(12)、(14)，另一端固定于所述上浮动板(20)；所述弹性铰链连杆(7)、(11)、(16)水平设置，且其一端分别固定于所述单分量力传感器(8)、(6)、(13)，另一端分别固定于所述转接杆(2)、(1)、(18)的一端；所述转接杆(2)、(1)、(18)竖直设置，其另一端固定于所述上浮动板(20)。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述单分量力传感器(5)、(12)、(14)分别布置在所述下固定板(19)平面内一等腰三角形的三个顶点上。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述单分量力传感器(8)、(13)的测量方向与坐标轴X平行布置。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述单分量力传感器(6)处于所述单分量力传感器(8)、(13)的中间位置。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述单分量力传感器(5、6、8、12、13、14)为悬臂梁式结构，均包括依次连接的用于固定的底座、用于感测位移的悬臂梁、用于和所述弹性铰链连杆(3、7、11、15、16、17)连接的位移自由端，所述悬臂梁上设有应变计。

6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，每个单分量力传感器(5、6、8、12、13、14)的所述悬臂梁两侧分别粘贴一组四个所述应变计，每组所述应变计分别组成惠斯通电桥。

7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述应变计覆盖有隔热材料层，以防止出现温度效应。

8.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，各所述单分量力传感器(5、6、8、12、13、14)上贴有两组所述应变计，所述应变计在靠近所述悬臂梁固支端根部沿横向对称粘贴。

9.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述弹性铰链连杆(3、7、11、15、16、17)的弹性铰链厚度为0.6mm，在轴向之外的正交方向各设置两处所述铰链。

10.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述弹性铰链连杆(3、7、11、15、16、17)两端均采用防松螺母(10)固定，所述防松螺母(10)在距离端面附近沿垂直于轴线方向切有半圆形槽(102)，在所述半圆形槽(102)所在的螺母端面攻有螺纹(103)。