CN104019994B - 一种固体火箭发动机过载试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明针对现有固体火箭发动机工程应用测试系统中存在的不足和问题，提供一种发动机过载试验装置以及采用该试验装置的试验方法。本发明所涉及的固体火箭发动机试验装置，其主要由综合控制台、点火驱动模块、信号记录仪、变频调速器及电机以及摄像组件、便携工控机等组成。通过按照合理的顺序搭建试验装置，采用合理的试验方法，可以提高试验过程的可靠性、安全性以及试验的效率和品质。

Description

一种固体火箭发动机过载试验装置

技术领域

本发明涉及用于固体火箭发动机性能测试的试验装置，属于航空航天领域。

背景技术

固体火箭发动机的过载对其性能有重要的影响。一方面，过载加速度会导致推进剂燃速增加，诱发燃烧室压强升高和燃烧时间缩短，并最终导致发动机内弹道性能发生变化；另一方面，过载会严重影响凝相粒子的运动规律，恶化发动机绝热层的工作环境，严重时可导致绝热防护失效,甚至发动机被烧穿而解体。

因此，在发动机设计和研制时，需要全面考虑其过载的影响。发动机过载工作性能的研究，包括轴向或横向过载及旋转状态的影响，对于工程应用中采取相应改善措施提高发动机性能具有重要意义，甚至是某些型号研制的基础和重要环节。

目前的过载试验装置均基于离心试验装置。典型的如美国加州联合技术研究中心研制的立式过载试验装置，其中发动机垂直安装在试验台上，朝上喷气，用可变转速的电动机通过皮带驱动试验台旋转。洛阳空空导弹研究院研制的过载试验装置采用立式结构，将试验发动机固定在悬臂使其承受相应的离心加速度，过载加速度值通过调节发动机的旋转半径和转速实现；然而悬臂结构在高速旋转时受风阻影响很大，且其旋转半径的调节装置较为复杂，对悬臂的强度有很高要求，并且功能单一不能模拟发动机自旋转的环境。

由上可知，虽然目前已经有多种过载试验装置，但是由于现有的装置均是采用发动机轴线与试验装置旋转方向平行的安装方式，存在试验形式单一、能够测量的发动机的过载状态较少，不能对发动机的状态进行快捷、全面的测量的问题。

发明内容

本发明针对现有固体火箭发动机工程应用测试系统中存在的上述问题，提供一种固体火箭发动机过载试验装置及试验方法，除了能够实现发动机的轴向和横向过载试验，还能实现发动机轴线与旋转轴线相重合的旋转试验，以及根据需要使发动机在轴向过载与横向过载之间调整，从而能够进行发动机的复合过载试验。

本发明的创新之处在于：能够模拟轴向/横向复合过载和旋转过载，适用发动机范围广，有效解决了过载装置的多种试验功能集成问题。

本发明的创新之处是通过以下技术方案来体现的：

一种固体火箭发动机过载试验装置，包括机械部分和测控系统两大部分。机械部分是试验装置的机械主体，用于为试验提供必要的旋转条件和承受发动机工作时产生的载荷。机械部分包括动力及传动组件和试验台架组件两大部分。试验台架组件布置在试验工房，采用立式结构。动力及传动组件安装在地基上，主要由电机、与电机相连的变频调速器、电机安装板、联轴器、传动轴组件、台面盖板、机架、承载轴组件、集电环组件、圆筒组件等组成。电机通过联轴器与传动轴组件相连，为试验台架组件提供旋转所需的动力；试验台架组件的载荷主要由承载轴组件承受；承载轴通过胀套与转台固连为一体；转速调节依靠测控系统中的变频调速器和电机来完成。集电环组件安装在传动轴上，用于实现地面控制台和转台电气设备之间电源和信号的传递。

为了实现发动机的复合过载试验，本发明的转台上的发动机过载试验安装架能够对发动机的安装状态进行调节。过载试验安装架主要用于将过载试验发动机固定在转台上。在安装时，先将发动机头部与限位块相抵接，放置平稳后，用钢丝绳紧固发动机腰部，将固定好发动机的过载试验安装架装入转台的凸耳中，根据试验所需要的安装角度，选用长度适当的连杆将安装架上的凸耳与转台上的支架相连接，之后再将安装架与凸耳之间的连接进行固定。

附图说明

图1过载试验装置的主视图

图2旋转过载试验装置的主视图

图3复合过载试验装置的主视图

图4测控系统组成与分布示意图

图5测控系统电气连接示意图

图6复合过载试验发动机安装示意图之一

图7复合过载试验发动机安装示意图之二

图8测控系统工作流程图

具体的实施方式

下面结合附图对本发明做详细的说明：

本发明中的固体火箭发动机过载试验装置包括机械部分和测控系统两大部分。

图1是本发明中过载试验装置的主视图。机械部分是试验装置的机械主体，用于为试验提供必要的旋转条件和承受发动机工作时产生的载荷。机械部分包括动力及传动组件和试验 台架组件两大部分。试验台架组件布置在试验工房，采用立式结构。动力及传动组件安装在地基1上，主要由电机2、与电机2相连的变频调速器、电机安装板3、联轴器4、传动轴组件5、台面盖板6、机架7、承载轴组件8、集电环组件、圆筒组件10等组成。电机2通过联轴器4与传动轴组件5相连，为试验台架组件提供旋转所需的动力；试验台架组件的载荷主要由承载轴组件8承受；承载轴通过胀套与转台9固连为一体；转速调节依靠测控系统中的变频调速器和电机2来完成。集电环组件安装在传动轴上，用于实现地面控制台和转台电气设备之间电源和信号的传递。

根据实际试验需要，试验台架组件可以设置成旋转过载试验装置和复合过载试验装置。设置成旋转过载试验装置时可以进行旋转过载试验，设置成复合过载试验装置时则可以进行复合过载试验。以下对旋转过载试验装置和复合过载试验装置分别进行说明。

参见附图2，复合过载试验装置主要由转台9、综合控制台、试验控制器16、信号记录仪17、点火电源控制器、便携工控机等组成。除综合控制台、点火电源控制器和便携工控机以外，其余各件均安装在转台9上。

为了实现发动机的复合过载试验，本发明的转台上的发动机过载试验安装架能够对发动机的安装状态进行调节。结合图6和图7对本申请的复合过载试验中发动机的安装进行说明。过载试验安装架主要用于将过载试验发动机M固定在转台9上。在安装时，先将发动机头部与限位块19相抵接，放置平稳后，用钢丝绳紧固发动机腰部，如图6所示。

如图7所示，转台9上具有两个凸耳91，将固定好发动机的过载试验安装架装入转台的凸耳中，根据试验所需要的安装角度，选用长度适当的连杆93将安装架上的凸耳20与转台9上的支架92相连接，之后再将安装架与凸耳91之间的连接进行固定。并且，在与发动机相对的一侧安装有配重。

进一步地，作为优选的技术方案，可以安装摄像组件12。摄像组件12安装在转台的中心轴线上：将安装好摄像机的摄像机控制箱与摄像支架用螺钉连为一体；然后，将法兰盘用螺钉固定在台架中心的分线盘上；最后将摄像支架用螺栓与法兰盘连接为一体。

参见附图3，旋转过载试验装置主要由转台9、综合控制台、试验控制器16、信号记录仪17、点火电源控制器、便携工控机、推力传感器18等组成。除旋转试验安装架和推力传感器18外，其余各件与过载试验部分相同。

测控系统的组成与分布见图4。测控系统包括综合控制台、试验控制器、信号记录仪、点火电源控制器、集电环组件。其中，位于测控大厅的综合控制台，通过基于PLC逻辑控制器的触摸屏，远程控制点火驱动模块、信号记录仪模块以及变频调速器模块，实现复合过载和旋转过载条件下发动机点火试验的测控功能。装在转台上的动态数据存储记录仪和试验控制器的供电及其与地面设备之间的信号传输通过集电环组件实现，工控机通过专用的数据回 放软件对动态数据存储记录仪中的数据进行回放和转存。

测控系统电气连接参见图5。

综合控制台是控制中心，具有5个接口：220V电源接口，用以给综合控制台提供电力；变频调速器CCLink接口，用于与变频调速器进行连接；控制电源接口，用于给点火电源控制器供电；试验控制器控制接口，用于通过集电环组件传输试验控制器的控制信号；信号记录仪接口，用于通过集电环组件传输信号记录仪数据。综合控制台的面板，主要由触摸屏、电源开关、“点火/检测”开关、点火解锁开关以及启动按钮组成。用户可通过基于PLC的触摸屏在控制端分别以晶体管输入/输出方式、RS485方式和CC-Link总线方式监控试验控制器、信号记录仪和变频调速器，实现远程操作和控制。

点火电源控制器用于进行点火电源的开关控制，包括控制台、转台、27V电源三个接口，分别与控制台的控制电源接口、集电环组件的下位机电源接口以及27V直流稳压电源相连。27V直流稳压电源使用前，应进行电流调节，确保其满足最大电流要求。具体调节方法为外接大功率电阻，将电压旋钮调到最大，然后调节电流旋钮到显示电流满足要求为止。通过拨动点火电源控制器前面板的乒乓开关可控制点火电源与试验控制器的连通状态。

集电环组件包括：下位机电源接口，用以接收点火电源控制器提供的27V直流电源；上位机电源接口，用于给试验控制器供电；下位机控制接口，用于接收综合控制台对试验控制器的控制信号；上位机控制接口，用于向试验控制器发出控制信号；下位机485接口，用于接收综合控制台对信号记录仪的通讯数据信号；上位机485接口，用于向信号记录仪输出通讯数据信号；上位机的动态信号记录仪接口与信号记录仪的输出端连接，用于接收来自信号记录仪采集的模拟试验数据；地面记录仪接口，用于向地面记录仪输出模拟试验数据；两个备用USB口，可代替485通讯接口实现信号记录仪与综合控制台间通讯数据的接收和传输。

试验控制器的功能是接收综合控制台指令(包括点火控制、点火线路状态检测以及摄像控制三种控制信号)，并返回点火线路状态信号以及实现点火和摄像功能。试验控制器包括电源接口和控制接口，分别与集电环组件上位机的电源和控制接口相连。试验控制器还包括用于测量转速的光耦接口、三个点火通道和摄像接口，分别与测试光耦传感器、点火驱动模块和摄像控制箱的控制端相连。此外，试验控制器还包括同步接口和转速接口，分别与信号记录仪的相应的同步接口和转速接口连接，用于进行点火同步及传递转速信号。其基本原理为：试验控制器的控制芯片根据接收到的点火控制指令(点火、解锁以及启动)执行相应的逻辑和时序运算功能，驱动相应的大功率继电器来实现点火功能，同时通过对检测状态(电流小于15mA)下点火具回路电平状态的变化进行解算，返回相应的点火具连接状态；实现摄像功能时，控制芯片根据摄像信号驱动摄像控制继电器并最终通过电磁铁的动作模仿人的动作实现摄像的启动和停止功能。

信号记录仪用于对试验数据信号采集、调理、放大和存储。信号记录仪主要包括动态数据记录仪接口、输入接口、USB接口、16通道传感器接口。其中动态数据记录仪接口、输入接口可分别通过电缆与集电环组件上位机的记录仪接口、RS485接口相连。16通道传感器接口可连接压力、推力、温度等传感器。由于接口原则为通用输入方式，每一通道都具备采集电压、直流、交流、电荷、ICP、应变、压阻信号的功能，满足多种信号的测量需求，因此也可以用于接收试验过程中点火同步和转速等点火状态信息。16通道传感器采集到的信号能够通过动态数据记录仪接口传递至集电环组件下位机的地面记录仪接口，便于对试验数据进行备份。在试验结束后，信号记录仪存储的所有信号可导出至便携工控机，用于试验数据后处理和分析，输入接口采用USB接口。

下面对应用本发明中的试验装置进行的试验过程进行说明。

1、对于过载试验，如图6-7所示，先将发动机头部与限位块19相抵接，放置平稳后，用钢丝绳紧固发动机腰部，将固定好发动机的过载试验安装架装入转台的凸耳91中，根据试验所需要的安装角度，选用长度适当的连杆93将安装架上的凸耳20与转台9上的支架92相连接，之后再将安装架与凸耳之间的连接进行固定。然后，在与发动机相对的一侧安装配重；

对于旋转试验参见图3：先在转台的轴线上安装推力传感器，然后将旋转试验安装架安装在推力传感器之上，然后将发动机固定安装到安装架上；

2、在转台上安装信号记录仪模块、试验控制器，并对各元件进行连接；如果进行过载试验，还要在旋转过载试验装置中心的上方安装摄像机，使其对准转台旋臂，并与点火驱动模块相连；

3、在固体火箭发动机的壳体上安装温度传感器、压力传感器，所述各种传感器与信号记录存储模块中16通道传感器接口连接；

4、在综合控制台上通过信号记录仪控制模块、变频调速器控制模块来对信号记录仪和变频调速器的参数进行设定；并检测点火通道及所有信号线间的连接与通讯是否正常；

5、在检测正常后，通过综合控制台启动电机，驱动转台旋转，快速达到试验所要求的转速条件，然后保持匀速旋转；

6、在过载试验中，启动摄像机，进行摄像；

7、综合控制台通过控制信号线给点火驱动模块点火信号，点火驱动模块在点火同时启动摄像机和信号记录存储模块，实时拍摄固体火箭发动机点火的动态过程，并记录存储下该过程中各种传感器采集到的压力、推力和温度数据；

8、控制电机减速，使转台停止转动，试验结束。

Claims (4)

1.一种固体火箭发动机试验装置，包括动力及传动组件和试验台架组件，动力及传动组件主要由电机(2)、与电机(2)相连的变频调速器、联轴器(4)、传动轴组件(5)、台面盖板(6)、机架(7)、承载轴组件(8)、集电环组件、圆筒组件(10)组成，电机(2)通过联轴器(4)与传动轴组件(5)相连，集电环组件安装在传动轴上，试验台架组件主要由转台(9)、综合控制台、试验控制器(16)、信号记录仪(17)、点火电源控制器组成，其特征在于：试验台架还包括发动机安装架及连杆(93)，转台(9)具有凸耳(91)和支架(92)，发动机安装架具有凸耳(20)。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：发动机安装架还包括限位块(19)。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：

综合控制台具有：电源接口，用以给综合控制台提供电力；变频调速器接口，用于与变频器进行连接；控制电源接口，用于给点火电源控制器供电；试验控制器控制接口，用于通过集电环组件传输控制信号；信号记录仪接口，用于通过集电环组件与信号记录仪传输数据；

点火电源控制器具有：控制台、转台、电源三个接口，分别与综合控制台的控制电源接口、集电环组件的下位机电源接口以及直流稳压电源相连；

集电环组件包括：下位机电源接口，用以接收点火电源控制器提供的27V直流电源；上位机电源接口，用于给试验控制器供电；下位机控制接口，用于接收综合控制台对试验控制器的控制信号；上位机控制接口，用于向试验控制器发出控制信号；下位机485接口，用于接收综合控制台对信号记录仪的通讯数据信号；上位485接口，用于向信号记录仪输出通讯数据信号；上位机的动态信号记录仪接口与信号记录仪的输出端连接，用于接收来自信号记录仪采集的模拟试验数据；地面记录仪接口，用于向地面记录仪输出模拟试验数据；

试验控制器包括电源接口和控制接口，分别与集电环组件的上位机的电源和控制接口相连；试验控制器还包括用于测量转速的光耦接口、点火通道和摄像接口，分别与测试光耦传感器、点火具和摄像控制箱的控制端相连；试验控制器还包括同步接口和转速接口，分别于信号记录仪的相应的同步接口和转速接口连接，用于进行点火同步及传递转速信号；

信号记录仪包括动态数据记录仪接口、输入接口、传感器接口，其中动态数据记录仪接口、输入接口分别通过与集电环组件的上位机动态信号记录仪接口、上位机485接口相连，传感器接口连接压力、推力、温度传感器。

4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：还包括摄像组件。