CN104807645A - 发动机后效推力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机后效推力测量装置，包括中空的实验舱，实验舱内设置有发动机，发动机的尾端设有喷管，前端设有T形推力顶杆，推力顶杆旁设有用于测量发动机后效推力的推力测量装置，发动机的尾端设有用于为发动机补偿摩擦力的补偿装置，实验舱靠近喷管的一侧设有可开启的舱门，发动机的底部固定连接有第一滑块导轨机构，第一滑块导轨机构的两端分别设有用于限制发动机水平移动的限位装置，第一滑块导轨机构底部通过第二滑块导轨机构固定于实验舱内，实验舱还通过管道连接有真空舱，真空舱、推力测量装置、补偿装置和舱门均连接至控制主机上。通过真空试验舱模拟真空环境，通过活动推力墩切换工作状态保护推力传感器I正常使用，采用滑轨以及摩擦力补偿装置克服摩擦力对后效推力的影响，使得发动机后效推力的测量得以实现。

Description

发动机后效推力测量装置

技术领域

本发明属于火箭发动机技术领域，涉及一种发动机后效推力测量装置。

背景技术

随着导弹技术的发展，对导弹的精度提出了更高的要求，但由于目前提供的发动机总冲并未包含后效冲量，在末级发动机与头体不分离的情况下会影响导弹的精度。为了提高导弹的精度，需要考虑后效冲量对发动机总冲量的贡献。后效推力的产生主要是由于固体火箭发动机在工作阶段储存的能量，引起后效段绝热层炭化烧蚀而产生残余气体。当发动机工作在真空环境下，这些残余气体仍以超音速排出而产生后效推力，将会对飞行器的飞行状态及控制产生一定影响。由于后效推力仅在高真空环境下产生，且推力微小(低于主推力3-5个数量级)，加之火箭发动机工作热环境恶劣，使得微小后效推力难以得到有效测量。

目前针对发动机在高真空环境下后效推力研究手段比较缺乏。尚无有效的实验方法进行测量与研究。国内曾采用特征线法计算固体火箭发动机内弹道下降段燃烧室的温度、压强和密度,在计算过程中假设推进剂同时燃尽，并假设其为纯排气过程，未考虑绝热层炭化和烧蚀产生的残余气体，因此计算的下降段推力非常小，持续时间也非常短(仅为0.06s)。但在现实情况中，真空环境中残余气体产生的后效推力仍然对飞行器产生影响。当对飞行器运行状态要求较高时，后效推力的作用将不容忽视。

发明内容

本发明的目的是提供一种发动机后效推力测量装置，以解决现有技术中无法有效测量发动机后效推力的问题。

本发明所采用的技术方案是，发动机后效推力测量装置，包括中空的实验舱，实验舱内设置有发动机，发动机的尾端设有喷管，前端设有T形推力顶杆，推力顶杆旁设有用于测量发动机后效推力的推力测量装置，发动机的尾端设有用于为发动机补偿摩擦力的补偿装置，实验舱靠近喷管的一侧设有可开启的舱门，发动机的底部固定连接有第一滑块导轨机构，第一滑块导轨机构的两端分别设有用于限制发动机水平移动的限位装置，第一滑块导轨机构底部通过第二滑块导轨机构固定于实验舱内，实验舱还通过管道连接有真空舱，真空舱、推力测量装置、补偿装置和舱门均连接至控制主机上。

进一步的，第一滑块导轨机构包括滑块和导轨，发动机底部固定连接有底板，底板固定连接于滑块上，导轨固定于平板上。

进一步的，第二滑块导轨机构包括平台滑块和平台导轨，平台滑块上方固定连接有平台，平台导轨下方固定于平台支板上，平台支板底部通过若干个平台支撑座固定于实验舱内，平台滑块两侧分别设有平台滑块锁死装置和平台止推座，平台通过支架与平板固定连接。

进一步的，限位装置包括设置在滑块靠近喷管一侧的滑块锁死装置，滑块锁死装置，用于限制滑块向喷管一侧移动，进而限制发动机向喷管一侧移动。

进一步的，限位装置还包括设置在发动机前端的推力墩，推力墩用于限制发动机向推力顶杆一侧移动，推力墩连接有用于控制其往复运动的机电加载装置。

进一步的，推力墩包括用于顶住发动机前端的L形挡板，L形挡板的夹角内部设有三角形墩台，挡板上设有用于推力顶杆穿出的通孔，挡板下方设置有连接板，机电加载装置包括固定在平板与平台之间的电机，电机输出轴的运动方向与连接板垂直，电机用于带动推力墩相对于发动机做往复运动。

进一步的，推力测量装置包括用于测量发动机后效推力的推力传感器I，推力传感器I的后方设置有电机，所述电机通过连接板固定连接于平板上，推力传感器I在电机的推动作用下沿着推力顶杆的中心线作往复直线运动。

进一步的，补偿装置包括为发动机提供摩擦力补偿的推力传感器II，推力传感器II的后方设置有电机，所述电机通过连接板固定连接于平板上，推力传感器II在电机的推动作用下沿着底板的中心线作往复直线运动。

进一步的，真空舱设有真空泵机组，真空舱与实验舱连通管道上还设有用于控制管道连通与断开的电磁阀，以及用于过滤真空泵粉尘的过滤器。

进一步的，真空泵机组和电磁阀均连接至控制主机。

本发明的有益效果是，通过真空试验舱模拟真空环境，通过活动推力墩切换工作状态保护推力传感器I正常使用，采用滑轨以及摩擦力补偿装置克服摩擦力对后效推力的影响，使得发动机后效推力的测量得以实现。本发明能够有效测量发动机后效推力，对后效推力的实验测量精度可达到0.02N。

附图说明

图1为本发明发动机后效推力测量装置的结构示意图；

图2为本发明发动机后效推力测量装置主动段传感器与推力墩位置示意图；

图3为本发明发动机后效推力测量装置后效段传感器与推力墩位置示意图。

图中，1.控制主机，2.真空泵机组，3.真空舱，4.过滤器，5.推力测量装置，6.机电加载装置，7.补偿装置，8.推力墩，9.滑块，10.导轨，11.发动机，12.舱门，13.电磁阀，14.平台滑块锁死装置，15.平台支撑座，16.平台支板17.平台滑块18.平台导轨，19.平台止推座，20.实验组件支板，21.滑块锁死装置，25.实验舱，26.推力顶杆，27.底板，28.喷管，29.平板，30.平台，51.推力传感器I，52.电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种发动机后效推力测量装置，包括中空的实验舱25，实验舱25内设置有发动机11，发动机11的尾端设有喷管28，前端设有T形推力顶杆26，推力顶杆26旁设有用于测量发动机11后效推力的推力测量装置5，发动机11的尾端设有用于为发动机11补偿摩擦力的补偿装置7，实验舱25靠近喷管28的一侧设有可开启的舱门12，发动机11的底部固定连接有第一滑块导轨机构，第一滑块导轨机构的两端分别设有用于限制发动机11水平移动的限位装置，第一滑块导轨机构底部通过第二滑块导轨机构固定于实验舱25内，实验舱25还通过管道连接有真空舱3，真空舱3、推力测量装置5、补偿装置7和舱门12均连接至控制主机1上。

其中，第一滑块导轨机构包括滑块9和导轨10，发动机11底部固定连接有底板27，底板27固定连接于滑块9上，导轨10固定于平板29上。

第二滑块导轨机构包括平台滑块17和平台导轨18，平台滑块17上方固定连接有平台30，平台导轨18下方固定于平台支板16上，平台支板16底部通过若干个平台支撑座15固定于实验舱25内，平台滑块17两侧分别设有平台滑块锁死装置14和平台止推座19，平台30通过支架与平板29固定连接。

第一滑块导轨机构的两端设有限位装置，其中一个限位装置包括设置在滑块9靠近喷管28一侧的滑块锁死装置21，滑块锁死装置21，用于限制滑块9向喷管28一侧移动，进而限制发动机11向喷管28一侧移动；另一个限位装置还包括设置在发动机11前端的推力墩8，推力墩8用于限制发动机11向推力顶杆26一侧移动，推力墩8连接有用于控制其往复运动的机电加载装置6。

该推力墩8包括用于顶住发动机11前端的L形挡板，L形挡板的夹角内部设有三角形墩台，挡板上设有用于推力顶杆26穿出的通孔，挡板下方设置有连接板，机电加载装置6包括固定在平板29与平台30之间的电机，电机输出轴的运动方向与连接板垂直，电机用于带动推力墩8相对于发动机11做往复运动。

推力测量装置5包括用于测量发动机11后效推力的推力传感器I51，推力传感器I51的推动方向与推力顶杆26的中心线在一条直线上，推力传感器I51的后方通过支架固定设置在电机52上，在该电机52的作用下，电机52的丝杠带动推力传感器I51往复直线运动，电机52通过连接板固定连接于平板29上。

补偿装置7包括为发动机11提供摩擦力补偿的推力传感器II，推力传感器II的推动方向与底板27的中心线在一条直线上，推力传感器II的后方通过支架也固定连接有一个电机，该电机的丝杠带动推力传感器II往复直线运动，该电机通过连接板固定连接于平板29上。

真空舱3设有真空泵机组2，真空舱3与实验舱25连通管道上还设有用于控制管道连通与断开的电磁阀13，以及用于过滤真空泵粉尘的过滤器4，真空泵机组2和电磁阀13均连接至控制主机1。

本发明的工作过程为：首先在实验发动机11点火前，关闭两通电磁阀13，使用真空泵机组2使真空舱1内压力降至10Pa以下，并维持真空舱真空环境。在此工作过程中控制主机1监测真空舱3的实时压力，以决定真空泵机组2的工作方式；

待真空舱3压力稳定在规定范围后，保证推力测量装置5与发动机11顶部有一定间隙距离，处于未受力状态。通过控制主机1来控制机电加载装置6，以使推力墩8与发动机11紧密接触。使用滑块锁死装置21保证发动机11不会发生反方向位移破坏摩擦力补偿装置7。

通过控制主机1打开电动实验舱门12，启动实验发动机11，发动机11喷管28朝外，使燃气全部排出，避免影响实验舱25内设备。由于推力墩8和滑块锁死装置21的作用，发动机11在工作过程中不会发生位移。

在发动机燃烧室压力低于主推力段燃烧室压力20％-40％左右时，使用控制主机1通过机电加载装置6控制推力墩8向后移动一定距离，并通过电机操纵推力传感器I51与发动机11的推力顶杆26接触，并启动摩擦力补偿装置7；同时关闭电动实验舱门12，打开电磁阀13，真空舱3与实验舱25连通，实验舱25气体在压力作用下通过管道进入真空舱3，真空泵粉尘过滤器4能够将气体中固体颗粒过滤以保证真空舱3洁净保护真空泵。实验舱25的压力快速降低，两者压力趋于平衡；此时实验系统为测量微小推力状态。

开始测量推力：通过控制主机1，监控实验舱25与真空舱3内压力状况，并根据压力信号控制真空泵机组2的工作方式，维持实验舱25内低压直至实验结束。测量得到数据通过处理，去除补偿摩擦力等因素影响，即可得到后效推力数据。

在此项实验中，主要参数为发动机后效推力测量。其关键点为：在苛刻的火箭发动机工作环境下，快速切换试验系统在发动机主推力阶段与后效推力阶段工作方式，保证推力传感器I51正常工作；模拟真空环境；减小克服实验台架对发动机摩擦对后效推力的干扰。

本方案采用活动推力墩8来切换发动机11的主推力阶段与后效推力阶段系统工作方式，保证推力传感器I51正常运行；采用实验舱25与真空舱3连接，在主动段结束后快速关闭舱门12，打开连接阀门，使实验环境快速达到指定真空度；采用滚珠滑块与导轨与摩擦力补偿装置克服摩擦力对推力测量的干扰。

摩擦力补偿装置7工作原理为：在发动机工作前，可使用其标定发动机台架与导轨摩擦力。对发动机11施加定量推力，从1N开始逐渐增加，当推力传感器II显示推力值发生骤变时即为发动机静摩擦力。通过此方法标定发动机静摩擦力以后，推力传感器II向后退缩与发动机11保持一定距离；在发动机11主动工作结束后，推力传感器II工装与发动机支架接触。通过电机持续向支架施加力以补偿摩擦干扰。

移动推力墩8的具体过程如下：在发动机主推力段时，如图2，推力墩8与发动机11接触，推力测量传感器与发动机11的推力顶杆26保持一定距离，避免过大推力损坏推力测量传感器。在主推力段结束后，如图3，通过机电加载装置6中的电机使推力墩8远离发动机11，并通过电机操纵推力传感器I51向前移动与发动机11接触。

实施例：

1、按图1所示，将发动机11在实验舱25外安装调试，之后将发动机11沿导轨10推入实验舱25中。

2、在实验发动机11点火前，关闭两通电磁阀13，使用真空泵机组2使真空舱1内压力降至一定压强以下10Pa，并维持真空舱3的真空环境。在此工作过程中控制主机1监测真空舱3实时压力。待真空舱3压力稳定在3000Pa以下后，保证推力测量装置5与发动机11的推力顶杆26有一定间隙距离，处于未受力状态。通过控制主机1来控制机电加载装置6，带动推力墩8与发动机11紧密接触。使用滑块锁死装置21保证发动机11不会发生反方向位移破坏摩擦力补偿装置7；通过控制主机1打开电动实验舱门12，启动实验发动机11，发动机喷管28朝外，使燃气全部排出，避免影响实验舱25内的设备。由于推力墩8和滑块锁死装置21的作用，发动机11在工作过程中不会发生水平位移。

3、在发动机11燃烧室压力低于主推力段燃烧室压力30％左右时，使用控制主机1通过机电加载装置6，来控制推力墩8离开发动机11一定距离，并通过电机操纵推力传感器I51与发动机11的推力顶杆26相接触，并启动摩擦力补偿装置7，向发动机11施加力以补偿摩擦干扰。

然后关闭电动实验舱门12，并打开电磁阀13，使真空舱3与实验舱25连通，实验舱25气体在压力作用下通过管道进入真空舱3，真空泵粉尘过滤器4能够将气体中固体颗粒过滤以保证真空舱3洁净以保护真空泵机组2。实验舱25内的压力快速降低，最终真空舱3和实验舱25这两者的压力趋于平衡。

4、此时实验系统为测量微小推力状态，通过推力测量装置5中的推力传感器I51来测量后效推力。通过控制主机1，监控实验舱25与真空舱3内压力状况，维持实验舱25内低压直至实验结束。测量得到数据通过处理，去除补偿摩擦力等因素影响，即可得到后效推力数据。

本发明的发动机后效推力测量装置，通过真空试验舱模拟真空环境，通过活动推力墩切8来换工作状态保护推力传感器I51正常使用，采用滑轨以及摩擦力补偿装置克服摩擦力对后效推力的影响，使得发动机后效推力的测量得以实现。本发明能够有效测量发动机。

Claims (10)

1.发动机后效推力测量装置，其特征在于，包括中空的实验舱(25)，所述的实验舱(25)内设置有发动机(11)，所述的发动机(11)的尾端设有喷管(28)，前端设有T形推力顶杆(26)，所述的推力顶杆(26)旁设有用于测量发动机(11)后效推力的推力测量装置(5)，所述的发动机(11)的尾端设有用于为发动机(11)补偿摩擦力的补偿装置(7)，所述的实验舱(25)靠近喷管(28)的一侧设有可开启的舱门(12)，所述的发动机(11)的底部固定连接有第一滑块导轨机构，所述的第一滑块导轨机构的两端分别设有用于限制发动机(11)水平移动的限位装置，所述的第一滑块导轨机构底部通过第二滑块导轨机构固定于实验舱(25)内，所述的实验舱(25)还通过管道连接有真空舱(3)，所述的真空舱(3)、推力测量装置(5)、补偿装置(7)和舱门(12)均连接至控制主机(1)上。

2.如权利要求1所述的发动机后效推力测量装置，其特征在于，所述的第一滑块导轨机构包括滑块(9)和导轨(10)，所述的发动机(11)底部固定连接有底板(27)，所述的底板(27)固定连接于滑块(9)上，所述的导轨(10)固定于平板(29)上。

3.如权利要求2所述的发动机后效推力测量装置，其特征在于，所述的第二滑块导轨机构包括平台滑块(17)和平台导轨(18)，所述的平台滑块(17)上方固定连接有平台(30)，所述的平台导轨(18)下方固定于平台支板(16)上，所述的平台支板(16)底部通过若干个平台支撑座(15)固定于实验舱(25)内，所述的平台滑块(17)两侧分别设有平台滑块锁死装置(14)和平台止推座(19)，所述的平台(30)通过支架与平板(29)固定连接。

4.如权利要求2或3所述的发动机后效推力测量装置，其特征在于，所述的限位装置包括设置在滑块(9)靠近喷管(28)一侧的滑块锁死装置(21)，所述的滑块锁死装置(21)，用于限制滑块(9)向喷管(28)一侧移动，进而限制发动机(11)向喷管(28)一侧移动。

5.如权利要求4所述的发动机后效推力测量装置，其特征在于，所述的限位装置还包括设置在发动机(11)前端的推力墩(8)，所述的推力墩(8)用于限制发动机(11)向推力顶杆(26)一侧移动，所述的推力墩(8)连接有用于控制其往复运动的机电加载装置(6)。

6.如权利要求5所述的发动机后效推力测量装置，其特征在于，所述的推力墩(8)包括用于顶住发动机(11)前端的L形挡板，所述的L形挡板的夹角内部设有三角形墩台，所述的挡板上设有用于推力顶杆(26)穿出的通孔，所述的挡板下方设置有连接板，所述的机电加载装置(6)包括固定在平板(29)与平台(30)之间的电机，所述的电机输出轴的运动方向与连接板垂直，所述的电机用于带动推力墩(8)相对于发动机(11)做往复运动。

7.如权利要求6所述的发动机后效推力测量装置，其特征在于，所述的推力测量装置(5)包括用于测量发动机(11)后效推力的推力传感器I(51)，所述的推力传感器I(51)的后方设置有电机(52)，所述电机(52)通过连接板固定连接于平板(29)上，所述的推力传感器I(51)在电机(52)的推动作用下沿着推力顶杆(26)的中心线作往复直线运动。

8.如权利要求6或7所述的发动机后效推力测量装置，其特征在于，所述的补偿装置(7)包括为发动机(11)提供摩擦力补偿的推力传感器II，所述的推力传感器II的后方设置有电机(52)，所述电机(52)通过连接板固定连接于平板(29)上，所述的推力传感器II在电机(52)的推动作用下沿着底板(27)的中心线作往复直线运动。

9.如权利要求8所述的发动机后效推力测量装置，其特征在于，所述的真空舱(3)设有真空泵机组(2)，所述的真空舱(3)与实验舱(25)连通管道上还设有用于控制管道连通与断开的电磁阀(13)，以及用于过滤真空泵粉尘的过滤器(4)。

10.如权利要求9所述的发动机后效推力测量装置，其特征在于，所述的真空泵机组(2)和电磁阀(13)均连接至控制主机(1)。