CN105424254B

CN105424254B - 姿控发动机矢量推力测量方法

Info

Publication number: CN105424254B
Application number: CN201511023932.9A
Authority: CN
Inventors: 李广会; 刘丽宁; 冷海峰; 刘阳; 吴飞飞; 汪林; 向红艳
Original assignee: Xian Aerospace Propulsion Testing Technique Institute
Current assignee: Xian Aerospace Propulsion Testing Technique Institute
Priority date: 2015-12-31
Filing date: 2015-12-31
Publication date: 2018-06-26
Anticipated expiration: 2035-12-31
Also published as: CN105424254A

Abstract

本发明涉及姿控发动机矢量推力测量系统及测量方法，包括5芯连接器、61芯连接器、测量模块以及原位推力计算模块，矢量力传感器输出7路电压信号，通过7个5芯连接器进入61芯连接器，61芯连接器的输出端接测量模块；测量模块包括电源、电压信号采集模块、激励回测模块以及转接接口，电源用于通过5芯连接器和61芯连接器向矢量力传感器提供激励；电压采集信号用于通过5芯连接器和61芯连接器采集矢量力传感器的电压信号，激励回测模块用于测量矢量力传感器反馈的激励信号，转接接口与原位推力计算模块连接，为了实现姿控发动机矢量推力测量要求，本发明采用矢量推力测量参数互扰解耦等关键技术，各种力的测量。

Description

姿控发动机矢量推力测量方法

技术领域

本发明涉及航天发动机试验，具体地说涉及姿控发动机工作过程中，矢量推力测量、数据传输及处理的试验方法。

背景技术

火箭发动机在工作过程中，由于燃烧室、矢量喷管等内流场存在不对称流动，必然产生相对主推力矢量而言然微小的侧向力。由于对飞行器的控制精度要求越来越高，这种微小的侧向力对飞行器的控制带来的影响作用需引起足够重视。

现阶段所采用的发动机地面推力测量装置是仅仅能够测量发动机的轴向主推力，无法测量垂直于中心轴线的侧向载荷及力矩。因此要评估发动机的工作效果，需要在高空模拟试验台上，研制一套矢量推力测量系统，获取发动机工作的矢量推力。

发明内容

为了实现姿控发动机矢量推力测量要求，本发明提高一种姿控发动机矢量推力测量系统及测量方法。

本发明的技术解决方案：

姿控发动机矢量推力测量系统，其特殊之处在于：包括5芯连接器、61芯连接器、测量模块以及原位推力计算模块，

所述矢量力传感器输出7路电压信号，通过7个5芯连接器进入61芯连接器，所述61芯连接器的输出端接测量模块；

所述测量模块包括电源、电压信号采集模块、激励回测模块以及转接接口，

所述电源用于通过5芯连接器和61芯连接器向矢量力传感器提供激励；

所述电压采集信号用于通过5芯连接器和61芯连接器采集矢量力传感器的

电压信号，所述激励回测模块用于测量矢量力传感器反馈的激励信号，所述转接接口与原位推力计算模块连接，

所述原位推力计算模块包括解耦计算模块、校准系数存储模块以及坐标转换模块，

所述校准系数存储模块用于存储校准系数矩阵；

所述解耦计算模块用于从电压信号采集模块得到当前的测量电压值，后从校准系数存储模块读取校准系统矩阵进行解耦计算得到相对矢量力传感器校准中心的载荷；

所述坐标转换模块用于将相对矢量力传感器校准中心的载荷变换到发动机法兰面给定的坐标系，从而得到施加在发动机法兰面的力。

姿控发动机矢量推力测量方法，包括以下步骤：

1)测量前将矢量力传感器置零；

2)存储校准系数矩阵K；

3)采集矢量力传感器的电压变化量：

U＝[ΔU₁,ΔU₂,ΔU₃,ΔU₄,ΔU₅,ΔU₆,ΔU₇]

4)发动机评估数据计算：

采用隐式载荷的计算公式，进行迭代计算，求出矢量力传感器的载荷

Mz＝f(ΔU_Mz,Y,Mz,Mx,X,Z,My)

Mx＝f(ΔU_Mx,Y,Mz,Mx,X,Z,My)

X＝f(ΔU_X,Y,Mz,Mx,X,Z,My)

Z＝f(ΔU_Z,Y,Mz,Mx,X,Z,My)

My＝f(ΔU_My,Y,Mz,Mx,X,Z,My)……………………(2)

写成矩阵的形式：

其中：A为校准系数矩阵，A＝(A_ij),i＝1,2,3....27,j＝1,2,3,4,5,6

对应于传感器校准结果中令A_ii＝0(i＝1,2,3,4,5,6)的校准系数矩阵。

B为载荷向量：

B^T＝(Y,Mz,Mx,X,Z,My,Y·Y,Mz·Mz,Mx·Mx,

X·X,Z·Z,My·My,Y·Mz,Y·Mx,Y·X,Y·Z,Y·My,Mz·Mx,Mz·X,

Mz·Z,Mz·My,Mx·X,Mx·Z,Mx·My,X·Z,X·My,Z·My)

具体迭代过程：

4.1)给出初始值

Y₀＝K_Y·ΔU_Y

Mz₀＝K_Mz·ΔU_Mz

Mx₀＝K_Mx·ΔU_Mx

X₀＝K_X·ΔU_X

Z₀＝K_Z·ΔU_Z

My₀＝K_My·ΔU_My

4.2)第一次迭代

Y₁＝f(ΔU_Y,Y₀,Mz₀,Mx₀,X₀,Z₀,My₀)

Mz₁＝f(ΔU_Mz,Y₀,Mz₀,Mx₀,X₀,Z₀,My₀)

Mx₁＝f(ΔU_Mx,Y₀,Mz₀,Mx₀,X₀,Z₀,My₀)

X₁＝f(ΔU_X,Y₀,Mz₀,Mx₀,X₀,Z₀,My₀)

Z₁＝f(ΔU_Z,Y₀,Mz₀,Mx₀,X₀,Z₀,My₀)

My₁＝f(ΔU_My,Y₀,Mz₀,Mx₀,X₀,Z₀,My₀)

……

Y_i+1＝f(ΔU_Y,Y_i,Mz_i,Mx_i,X_i,Z_i,My_i)

Mz_i+1＝f(ΔU_Mz,Y_i,Mz_i,Mx_i,X_i,Z_i,My_i)

Mx_i+1＝f(ΔU_Mx,Y_i,Mz_i,Mx_i,X_i,Z_i,My_i)

X_i+1＝f(ΔU_X,Y_i,Mz_i,Mx_i,X_i,Z_i,My_i)

Z_i+1＝f(ΔU_Z,Y_i,Mz_i,Mx_i,X_i,Z_i,My_i)

My_i+1＝f(ΔU_My,Y_i,Mz_i,Mx_i,X_i,Z_i,My_i)

当相对误差ε小于给定误差ε₀时，收敛，即：

这样就得到了相对矢量力传感器校准中心的载荷；

5)用于将相对矢量力传感器校准中心的载荷变换到发动机法兰面给定的坐标系，从而得到用户需要的发动机评估数据。

ε₀取10^-6。

本发明所具有的优点：

本发明采用矢量推力测量参数互扰解耦等关键技术，研发了测量数据分析处理系统，实现了矢量推力、推力偏斜角、推力偏移方位角、侧向力方位角、推力偏移作用点坐标等参数的测量及计算。

附图说明

图1为姿控发动机矢量推力测量系统的原理示意图；

图2为本发明测量模块和原位推力计算模块的原理示意图；

图3为力与力矩的分解示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明:

被测矢量力传感器：

矢量力传感器的材料选择高强度马氏体时效钢F141，这是一种含有18％镍的超高强度的铁基合金，与其它材料相比，它的突出特点是：在具有高强度的同时，仍有良好的韧性与延伸性能；抗腐蚀性能好；在固熔状态下易于机械加工和锻造成形；焊接性能好；热处理畸变很小；线膨胀系数低。

矢量力传感器采用一体加工而成，结构如图3所示。传感器由7个双圆弧形双向弹性铰链和7个应变梁构成，双圆弧形双向弹性铰链的优点是抗干扰能力强，灵敏度高，可以提供小的角位移，轴向刚度大，没有间隙和摩擦、滞后的问题，有极长的寿命。由弹性铰链所实现的机械分解，使各测力元件只受到欲测力的作用，因而各分量间干扰小，有利于提高精度。M1、M2、M3、M4-用于响应X向载荷的应变片，其输出的电压值分别为U1、U2、U3、U4；M5、M6-用于响应Y向载荷的应变片，其输出的电压值分别为U5、U6；M7-用于响应Z向载荷的应变片，其输出的电压值为U7。

力与力矩的分解关系如下：

Fx＝M1+M2+M3+M4…………………………(1)

Fz＝M7…………………………………(2)

Fy＝M5+M6……………………………(3)

My＝(M1+M2)-(M3+M4)…………………(4)

Mx＝M6-M5……………………………(5)

Mz＝(M1+M3)-(M2+M4)…………………(6)

如图1所示，姿控发动机矢量推力测量系统，包括5芯连接器、61芯连接器、测量模块以及原位推力计算模块，

矢量力传感器输出7路电压信号，通过7个5芯连接器进入61芯连接器，所述61芯连接器的输出端接测量模块；

测量模块包括电源、电压信号采集模块、激励回测模块以及转接接口，

电源用于通过5芯连接器和61芯连接器向矢量力传感器提供激励；

电压采集信号用于接收61芯连接器发送的电压信号，所述激励回测模块用于测量矢量力传感器反馈的激励信号，所述转接接口与原位推力计算模块连接，

如图2所示，原位推力计算模块包括解耦计算模块、校准系数存储模块以及坐标转换模块，

校准系数存储模块用于存储校准系数矩阵；

解耦计算模块用于从电压信号采集模块得到当前的测量电压值，后从校准系数存储模块读取校准系统矩阵进行解耦计算得到相对矢量力传感器校准中心的载荷；

坐标转换模块用于将相对矢量力传感器校准中心的载荷变换到发动机法兰面给定的坐标系，从而得到施加在发动机法兰面的力。

姿控发动机矢量推力方法，包括以下步骤：

1)测量前将矢量力传感器置零；

2)存储校准系统矩阵K；

3)采集矢量力传感器的电压变化量：

U＝[ΔU₁,ΔU₂,ΔU₃,ΔU₄,ΔU₅,ΔU₆,ΔU₇]

4)发动机评估数据计算：

Mz＝f(ΔU_Mz,Y,Mz,Mx,X,Z,My)

Mx＝f(ΔU_Mx,Y,Mz,Mx,X,Z,My)

X＝f(ΔU_X,Y,Mz,Mx,X,Z,My)

Z＝f(ΔU_Z,Y,Mz,Mx,X,Z,My)

My＝f(ΔU_My,Y,Mz,Mx,X,Z,My)…………………….(2)

写成矩阵的形式：

其中：A为校准系数矩阵，A＝(A_ij),i＝1,2,3....27,j＝1,2,3,4,5,6对应于传感器校准结果中令A_ii＝0(i＝1,2,3,4,5,6)的校准系数矩阵。

B为载荷向量：

B^T＝(Y,Mz,Mx,X,Z,My,Y·Y,Mz·Mz,Mx·Mx,

X·X,Z·Z,My·My,Y·Mz,Y·Mx,Y·X,Y·Z,Y·My,Mz·Mx,Mz·X,

Mz·Z,Mz·My,Mx·X,Mx·Z,Mx·My,X·Z,X·My,Z·My)

具体迭代过程：

4.1)给出初始值

Y₀＝K_Y·ΔU_Y

Mz₀＝K_Mz·ΔU_Mz

Mx₀＝K_Mx·ΔU_Mx

X₀＝K_X·ΔU_X

Z₀＝K_Z·ΔU_Z

My₀＝K_My·ΔU_My

4.2)第一次迭代

Y₁＝f(ΔU_Y,Y₀,Mz₀,Mx₀,X₀,Z₀,My₀)

Mz₁＝f(ΔU_Mz,Y₀,Mz₀,Mx₀,X₀,Z₀,My₀)

Mx₁＝f(ΔU_Mx,Y₀,Mz₀,Mx₀,X₀,Z₀,My₀)

X₁＝f(ΔU_X,Y₀,Mz₀,Mx₀,X₀,Z₀,My₀)

Z₁＝f(ΔU_Z,Y₀,Mz₀,Mx₀,X₀,Z₀,My₀)

My₁＝f(ΔU_My,Y₀,Mz₀,Mx₀,X₀,Z₀,My₀)

……

Y_i+1＝f(ΔU_Y,Y_i,Mz_i,Mx_i,X_i,Z_i,My_i)

Mz_i+1＝f(ΔU_Mz,Y_i,Mz_i,Mx_i,X_i,Z_i,My_i)

Mx_i+1＝f(ΔU_Mx,Y_i,Mz_i,Mx_i,X_i,Z_i,My_i)

X_i+1＝f(ΔU_X,Y_i,Mz_i,Mx_i,X_i,Z_i,My_i)

Z_i+1＝f(ΔU_Z,Y_i,Mz_i,Mx_i,X_i,Z_i,My_i)

My_i+1＝f(ΔU_My,Y_i,Mz_i,Mx_i,X_i,Z_i,My_i)

当相对误差ε小于给定误差ε₀时，收敛，即：

这样就得到了相对矢量力传感器校准中心的载荷；

5)用于将相对矢量力传感器校准中心的载荷变换到发动机法兰面给定的坐标系，从而得到用户需要的发动机评估数据。ε₀一般取10^-6。

数据传输系统

数据传输系统由5芯连接器、61芯连接器、50芯连接器、线缆及USB光纤转换器等组成。5芯连接器：传感器的七个测量电桥(U1～U7)与七个5芯连接器相连接，输出相应的电压信号。61芯连接器：传感器的七路电压信号在真空舱经转接电缆与61芯连接器相连接，从而将真空舱内的传感器信号转接到舱外的测量系统中；50芯连接器：P6000数据采集系统的输入连接器。传感器的信号通过转接电缆及50芯连接器进入6035测量板。

USB光纤转换器：将P6000采集系统通过光纤远距离传输，实现了对矢量力传感器的远程测量的功能。

测量模块由6035测量板及6094控制接口板组成。

6035测量板：为传感器提供5V的激励源，并将传感器的信号进行放大和滤波，放大后的信号进入6035测量板。另一块6035测量板用于实时测量传感器的激励源，监测传感器的桥压变化并对桥压进行微调，保证传感器的桥压与校验时一致。

6094控制接口板：作为主机箱的控制器，机箱通过USB电缆与计算机连接，控制6000系统并将数据传输至计算机中。

其工作流程为

(1)系统安装：确认各个组件按照系统原理安装。

(2)参数设置：设置数显信息、采集通道信息，将通道配置文件发送到采集系统控制器。

(3)传感器供应激励：通过采集系统给矢量力传感器供桥压，并通过压力回测系统显示当前桥压。矢量力传感器采集设备能够实现矢量力传感器7路信号实时采集。

(4)调平衡：对7个电桥进行调平衡设置。

(5)状态检查：在矢量力传感器坐标系的X轴、Y、Z轴方向分别对矢量力传感器施加力值，对传感器的各个桥路的输出进行检查，确认各个桥路输出正确。校准系统采集设备能够实现标准力传感器桥压调整，并实时采集标准力传感器的输出电压值。

(2)系数检查：分别施加Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz标准力，并由采集设备记录矢量力传感器的7路输出信号。用标定的系数矩阵对采集的数据处理，检查矢量力传感器的输出力值与标准力之的一致性。

(8)发动机矢量推力测量：发动机各个系统状态正常后，进行点火试验，通过矢量推力测量校准一体化装置获取发动机工作过程中，装置输出的7个电压信号。

(9)数据处理：检查发动机参与推力矢量参数计算的每次点火参数有无异常(功能分析与数据统计相结合)，用无异常的数据进行推力矢量参数计算。对异常数据进行分析确认，并给出结论。在矢量力传感器坐标系下，通过所有的校准系数对获取的数据进行解耦计算，获取该坐标系下的矢量推力，在通过坐标变换，将该数据转换至发动机坐标系下。

Claims

1.姿控发动机矢量推力测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)测量前将矢量力传感器置零；

2)存储校准系数矩阵K；

3)采集矢量力传感器的电压变化量：

U＝[ΔU₁,ΔU₂,ΔU₃,ΔU₄,ΔU₅,ΔU₆,ΔU₇]

4)发动机评估数据计算：

Mz＝f(ΔU_Mz,Y,Mz,Mx,X,Z,My)

Mx＝f(ΔU_Mx,Y,Mz,Mx,X,Z,My)

X＝f(ΔU_X,Y,Mz,Mx,X,Z,My)

Z＝f(ΔU_Z,Y,Mz,Mx,X,Z,My)

My＝f(ΔU_My,Y,Mz,Mx,X,Z,My)……………………(2)

写成矩阵的形式：

其中：A为校准系数矩阵，A＝(A_ij),i＝1,2,3....27,j＝1,2,3,4,5,6对应于传感器校准结果中令A_ii＝0(i＝1,2,3,4,5,6)的校准系数矩阵；

B为载荷向量：

B^T＝(Y,Mz,Mx,X,Z,My,Y·Y,Mz·Mz,Mx·Mx,X·X,Z·Z,My·My,Y·Mz,Y·Mx,Y·X,Y·Z,Y·My,Mz·Mx,Mz·X,Mz·Z,Mz·My,Mx·X,Mx·Z,Mx·My,X·Z,X·My,Z·My)

具体迭代过程：

4.1)给出初始值

Y₀＝K_Y·ΔU_Y

Mz₀＝K_Mz·ΔU_Mz

Mx₀＝K_Mx·ΔU_Mx

X₀＝K_X·ΔU_X

Z₀＝K_Z·ΔU_Z

My₀＝K_My·ΔU_My

4.2)第一次迭代

Y₁＝f(ΔU_Y,Y₀,Mz₀,Mx₀,X₀,Z₀,My₀)

Mz₁＝f(ΔU_Mz,Y₀,Mz₀,Mx₀,X₀,Z₀,My₀)

Mx₁＝f(ΔU_Mx,Y₀,Mz₀,Mx₀,X₀,Z₀,My₀)

X₁＝f(ΔU_X,Y₀,Mz₀,Mx₀,X₀,Z₀,My₀)

Z₁＝f(ΔU_Z,Y₀,Mz₀,Mx₀,X₀,Z₀,My₀)

My₁＝f(ΔU_My,Y₀,Mz₀,Mx₀,X₀,Z₀,My₀)

……

Y_i+1＝f(ΔU_Y,Y_i,Mz_i,Mx_i,X_i,Z_i,My_i)

Mz_i+1＝f(ΔU_Mz,Y_i,Mz_i,Mx_i,X_i,Z_i,My_i)

Mx_i+1＝f(ΔU_Mx,Y_i,Mz_i,Mx_i,X_i,Z_i,My_i)

X_i+1＝f(ΔU_X,Y_i,Mz_i,Mx_i,X_i,Z_i,My_i)

Z_i+1＝f(ΔU_Z,Y_i,Mz_i,Mx_i,X_i,Z_i,My_i)

My_i+1＝f(ΔU_My,Y_i,Mz_i,Mx_i,X_i,Z_i,My_i)

当相对误差ε小于给定误差ε₀时，收敛，即：

这样就得到了相对矢量力传感器校准中心的载荷；

2.根据权利要求1所述的姿控发动机矢量推力测量方法，其特征在于：

ε₀取10^-6。