CN105486441A - 姿控发动机矢量推力测量校准一体化装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及姿控发动机矢量推力测量校准一体化装置及测量方法，为了实现姿控发动机矢量推力测量要求的问题，包括发动机、标准矢量力力源、加载机构、矢量力测量单元、数据处理模块以及原位推力计算模块，标准矢量力力源用于根据执行要求产生并控制9个标准力作用在加载机构上；加载机构用于固定待校准的矢量力传感器；矢量力测量单元用于对待测矢量力传感器输出的电压信号的进行采集；数据处理模块用于接收来自标准矢量力力源的加载结果和矢量力测量单元的测量结果，通过计算获取待校准矢量力传感器的校准系数；原位推力计算模块用于计算所施加在发动机法兰面的力。在发动机工作过程中，可获取发动机主推力，水平及垂直方向的侧向力等，考核发动机的工作性能。

Description

姿控发动机矢量推力测量校准一体化装置及测量方法

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，矢量推力准确获取的试验方法。

背景技术

理想状态下，发动机推力与发动机中心轴线重合，但实际情况往往是：由于加工精度的限制，非对称因素的影响，形成发动机的几何不对称性，或者高温高压情况下发动机喉部与喷管的变形以及燃气在喷管内的不对称流动，导致发动机推力作用线偏离发动机中心轴线，从而产生了推力偏心、出现侧向推力和主推力矢量绕推进器质心的力矩，推力偏心的存在不仅影响导弹的飞行性能，而且还直接影响发动机本身的性能及入轨精度和使用寿命。为保证导弹的发射万无一失，发动机推力矢量误差应严格控制。武器系统总体对发动机推力矢量要求偏心角和偏移满足一定指标，如果发动机的偏心角过大，会使导弹武器飞行过程中有可能失败，即使能够完成定点，也需要弹体上的姿控发动机不停的纠偏而大量消耗燃料，导致命中率降低。对于目前世界各国战略武器发展的激烈竞争，这种影响命中率的技术难题不能满足我国武器系统精确控制的要求。针对这些问题，在某型号2000N发动机研制过程中，提出了矢量推力测量的技术要求。

在对发动机推力矢量测试方面，早期使用传统的三点支撑式推力压力实验台配合光线示波器组成测试系统，这种系统精度低，示波器无法测量快速变化的信号并且不具备数据处理能力，已不能满足科研的需要。随着推力矢量测量技术的发展，有关研究人员在发动机推力偏心测量方面展开了很多研究，目前在矢量推力测试中较多采用了六分力台架测试装置加上计算机化的测试系统，这样方便、快捷，使测量的精确度及处理结果的质量都大为的提高。

美国于20世纪60年代开始使用六分力试车台，对具有推力矢量控制机构的发动机的推力矢量进行试验测量，有效提高了测试精度。日本于20世纪70年代也开展了这方面的研究与应用。国外对火箭发动机推力矢量测试技术基本处于保密状态，先进的火箭发动机推力测量技术能查到的相对较少。我国于20世纪70年代也开始了矢量推力测量技术研究，目前也基本采用推力偏心试验台(六分力试验台)来进行推力矢量的测量。

但现有技术应用于主推力和侧向力相差很多的矢量推力测量时存在以下难题：

(1)受复杂的安装挠性件的影响，向间相互干扰大是较难解决的问题，即于一个方向施加载荷时，其它方向均会产生输出，会导致侧向力“淹没”在干扰量内，使得其测量精度达不到要求。

(2)由于液体火箭发动机工作，需要试验台持续的给发动机供应推进剂，并且需要实时进行多参数测量，因此采用矢量力传感器直接进行液体火箭发动机矢量推力测量时，传感器测量的力值并不是真正的2000N发动机矢量推力，而是被推进剂供应管路、控制气管路、测量线缆等约束环节消耗后的矢量力，这导致矢量力传感器测量到的力值远小于发动机真实的矢量推力。

(3)供应管路的存在，会影响矢量推力测量装置的相间互扰系数

(4)2000N姿控发动机高空模拟试验过程中，大喷管状态下的高温辐射会导致矢量推力测量装置产生较大的温升，最高可达200℃，高温引入了较大的测量不确定度。

发明内容

为了实现姿控发动机矢量推力测量要求，解决相间互扰大、约束环节及高温环境引入的不确定度多等问题，本发明提高一种姿控发动机矢量推力测量校准一体化装置及测量方法。

本发明的技术解决方案：

姿控发动机矢量推力测量校准一体化装置，其特殊之处在于：包括发动机、标准矢量力力源、加载机构、矢量力测量单元、数据处理模块以及原位推力计算模块，

所述标准矢量力力源用于根据执行要求产生并控制9个标准力作用在加载机构上；

所述加载机构用于固定待校准的矢量力传感器，并将9个标准力施加在不同的地方完成待校准矢量力传感器的三个方向的力载荷Fx、Fy、Fz以及三个方向的力矩载荷Mx、My、Mz的加载；

所述矢量力测量单元用于对待测矢量力传感器输出的电压信号的进行采集并存储至数据处理模块，同时为待校准矢量力传感器的7个应变桥单独提供激励，并对所提供激励进行回测；

所述数据处理模块用于接收来自标准矢量力力源的加载结果和矢量力测量单元的测量结果，并进行存储对，后通过计算获取待校准矢量力传感器的校准系数；

所述原位推力计算模块用于在装置处于测量状态时，根据已得到校准系数以及采集到的电压信号计算所施加在发动机法兰面的力。

标准矢量力力源包括力源控制模块、PLC控制器、9个伺服驱动器、9个电动缸、9个标准传感器以及采集设备，

9个伺服驱动器、9个电动缸和9个标准力传感器一一对应，依次连接；

所述力源控制模块包括施加指令产生模块、比较模块以及施加结果反馈模块，所述采集设备用于采集用于在标准力传感器上的实时力值并反馈给力源控制模块；PLC控制器控制对应电动缸运动，电动缸产生的力作用于对应的标准力传感器上；

所述施加指令产生模块用于根据矢量力传感器校准程序产生施加指令发送给PLC控制器，同时将施加指令中包含的施加标准力值发送给比较模块；

所述比较模块用于接收数据采集设备反馈的实时力值，并与需要施加的标准力值进行比较后，根据比较结果向施加指令产生模块或施加结果反馈模块发送指令；当实时力值与标准力值在差值在允许范围内，向施加指令产生模块发送停止施加指令，同时向施加结果反馈模块发送施加结果。

上述加载机构包括加载装置和定位组件，

所述加载装置包括加载头、连杆、传感器安装法兰以及后法兰，所述加载头的一端与发动机连接，所述加载头的另一端通过连杆与后法兰连接，所述传感器安装法兰位于后法兰与加载头之间，待校准矢量力传感器的一端固定在传感器安装法兰上，待校准矢量力传感器的另一端固定在加载头上；

设加载头的中心位置为原点，加载头与水平面平行的为X轴，与水平面垂直的为Z轴，发动机的中轴线为Y轴；

所述加载头上的设置有六个拉环和两个压座；后法兰上设置有第七拉环；

拉环用于实现标准拉力的施加，具有3自由度，对施加的标准拉力具有补偿作用；压座用于实现标准压力的施加，具有3自由度，对施加的标准推力具有补偿作用；六个拉环和两个压座通过组合的方式实现Fy、Fz、Mx、My和Mz标准力的施加；

第一拉环位于加载头的X轴上，标准拉力F1通过第一拉环作用在加载头上，标准拉力F1的方向与X轴同向；第二、三拉环分别位于X轴上且以Y轴对称设置，标准拉力F6通过第二拉环作用在加载头上，标准拉力F7通过第三拉环作用在加载头上，标准拉力F6、标准拉力F7的均与Z轴平行，方向相反且大小相同；第四拉环位于X轴上，第一压座位于X轴上，第四拉环与第一压座以Z轴对称设置；标准推力F8通过第一压座作用在加载头上，标准拉力F9通过第四拉环作用在加载头上，标准推力F8与标准拉力F9均与Z轴平行，方向相反且大小相同；第五拉环位于加载头的Z轴上，标准拉力F3通过第一拉环作用在加载头上，标准拉力F3的方向与Z轴同向；第六拉环位于加载头的Z轴上，第二压座位于加载头的Z轴上，第六拉环与第二压座以X轴对称设置，标准拉力F5通过第六拉环作用在加载头上，标准推力F4通过第二压座作用在加载头上，标准拉力F5与标准推力F4均与Y轴平行，方向相反且大小相同；标准拉力F2通过第七拉环作用在后法兰上，标准拉力F2的方向与Y轴一致；9个电动缸分别作用在六个拉环、两个压座和第七拉环上；

所述定位组件包括定架6、标定架7以及推力墙8，所述传感器安装法兰固定在推力墙上，作用在第七拉环上的电动缸固定在标定架上，作用在第四拉环和第一压座上的电动缸固定在推力墙上，其余的电动缸均固定在定架上。

上述发动机与矢量力传感器之间的管路采用以下方式固定：

在管路距离矢量力传感器之间3-4m处固定在定架上，后将管路环绕3-4圈放置。

上述数据处理模块包括标准力判断模块、标准力采集模块、电压信号采集模块、存储模块以及校准系数计算模块，

所述标准力判断模块用于接收来自标准矢量力力源的是否为正确的加载结果，并在加载结果正确时，将加载的标准力值发送给标准力采集模块，同时通知电压信号采集模块采集与该加载结果对应的电压信号；

所述标准力采集模块用于采集标准力判断模块发送的标准力值，并发送给存储模块；所述电压信号采集模块用于从矢量力测量单元采集对应的电压信号，并发送给存储模块；所述存储模块用于按照对应的关系存储采集到的标准力值和电压信号；

所述校准系数计算模块用于在九个标准力加载完成后，从存储模块中读取对应的数据按照单元校准法计算待校准矢量力传感器的校准系数。

上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，

所述解耦计算模块用于在测量状态下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。

还包括水冷夹套，所述水冷夹套位于矢量力传感器的外侧。

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)将校准系统矩阵K存储；

3)采集矢量力传感器的电压变化量：

U＝[ΔU₁,ΔU₂,ΔU₃,ΔU₄,ΔU₅,ΔU_6,,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

$\begin{array}{c}Y=K_Y\·{\mathrm{\ΔU}}_Y+K_Y^{Mz}\·{\mathrm{Mz}}_i+K_Y^{Mx}\·Mx+K_Y^X\·X+K_Y^Z\·Z+K_Y^{My}\·My\\ +K_Y^{Y^2}\·Y^2++K_Y^{{\mathrm{Mz}}^2}\·{\mathrm{Mz}}^2+K_Y^{{\mathrm{Mx}}^2}\·{\mathrm{Mx}}^2+K_Y^{X^2}\·X^2+K_Y^{Z^2}\·Z^2+K_Y^{{\mathrm{My}}^2}\·{\mathrm{My}}^2\\ +K_Y^{YMz}\·YMz+K_Y^{YMx}\·Y\·Mx+K_Y^{YX}\·Y\·X+K_Y^{YZ}\·Y\·Z+K_Y^{YMy}\·Y\·My\\ +K_Y^{MzMx}\·Mz\·Mx+K_Y^{MzX}\·Mz\·X+K_Y^{MzZ}\·Mz\·Z+K_Y^{MMyz.}\·Mz\·My\\ +K_Y^{MxX}\·Mx\·X+K_Y^{Mxz}\·Mx\·Z+K_Y^{MxMy}\·Mx\·My\\ +K_Y^{XZ}\·X\·Z+K_Y^{XMy}\·X\·My\\ +K_Y^{ZMy}\·Z\·My\end{array}\mathrm{...}\left(1\right)$

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：

$\left[\begin{array}{c}Y\\ Mz\\ Mx\\ X\\ Z\\ My\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{K}_Y\\ K_{Mz}\\ K_{Mx}\\ X\\ K_Z\\ K_{My}\end{array}\right]\·\[{\mathrm{\ΔU}}_Y,{\mathrm{\ΔU}}_{Mz},{\mathrm{\ΔU}}_{Mx},{\mathrm{\ΔU}}_X,{\mathrm{\ΔU}}_Z,{\mathrm{\ΔU}}_{My}\]+A\·B\mathrm{...}\left(3\right)$

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,Z,My,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：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{|P_{i+1}-P_i|}{\left|P_i\right|}\∠{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{...}\left(5\right)$

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。

9、根据权利要求8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。

本发明所具有的优点：

1、攻克了矢量力传感器设计、管路约束力释放、高模环境热防护等多项关键技术，研发了矢量力测量装置，在国内首次通过姿控发动机单次点火，实现地面及高模环境下的矢量推力的精确测量。

2、突破了矢量推力测量装置原位校准技术，研发了原位自动校准装置，解决了现场环境干扰引起的测量误差难题，实现了地面及高模环境下试验前后推力测量装置的自动校准。

3、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。

4、水冷系统用于将矢量力传感器与高温环境隔离，可以避免热辐射和关机回火对推力测量的影响。将矢量力传感器环境温度维持在25±1℃。

附图说明

图1为矢量推力测量校准一体化装置原理示意图；

图2为本发明标准矢量力力源的结构示意图；

图3、图4为本发明加载机构的结构示意图；

图5、图6为本发明加载装置的结构示意图；

图7为本发明水冷夹套与矢量力传感器的装配示意图；

图8为本发明数据处理模块的原理示意图；

图9为本发明原位推力计算模块的原理示意图；

其中附图标记为：1-加载头，2-矢量力传感器，3-传感器安装法兰，4-连杆，5-后法兰，6-定架，7-标定架，8-推力墙，9-发动机，10-电动缸，11-第一拉环，12-第二拉环，13-第三拉环，14-第四拉环，15-第五拉环，16-第六拉环，17-第七拉环，18-水冷夹套；21-第一压座，22-第二压座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明：

姿控发动机矢量推力测量校准一体化装置作为姿控发动机矢量推力获取的主要手段，其特征在于：该装置由矢量推力测量装置和矢量推力原位校准装置两部分构成；矢量推力测量装置可实现2000N姿控发动机工作过程中，矢量推力测量；其测量范围主推力Fx为0～2000N、侧向力Fy及Fz为0～60N、X轴力矩Mx为0～20N·m、Y轴力矩My为0～10N·m、Z轴力矩Mz为0～50N·m；其轴向推力静态测量扩展不确定度为0.5％(k＝2)、侧向推力静态测量扩展不确定度为2％(k＝2)、力矩静态测量扩展不确定度：2％(k＝2)；矢量推力原位校准装置可在发动机高空模拟试验前后，对矢量推力测量装置进行原位校准，以获取现场的校准系数，消除推进剂供应管路、测量线缆、真空环境及温度等参数引入的测量不确定度；矢量推力原位校准装置采用电动加载方式，通过PLC自动控制，可实现三个方向推力及三个方向力矩的自动校准。

如图1所述1，姿控发动机矢量推力测量校准一体化装置，包括发动机、标准矢量力力源、加载机构、矢量力测量单元、数据处理模块以及原位推力计算模块，标准矢量力力源用于根据执行要求产生并控制9个标准力作用在加载机构上；加载机构用于固定待校准的矢量力传感器，并将9个标准力施加在不同的地方完成待校准矢量力传感器的三个方向的力载荷Fx、Fy、Fz以及三个方向的力矩载荷Mx、My、Mz的加载；矢量力测量单元用于对待测矢量力传感器输出的电压信号的进行采集并存储至数据处理模块，同时为待校准矢量力传感器的7个应变桥单独提供激励，并对所提供激励进行回测；数据处理模块用于接收来自标准矢量力力源的加载结果和矢量力测量单元的测量结果，并进行存储对，后通过计算获取待校准矢量力传感器的校准系数；原位推力计算模块用于在装置处于测量状态时，根据已得到校准系数以及采集到的电压信号计算所施加在发动机法兰面的力。

如图2所述，标准矢量力力源包括力源控制模块、PLC控制器、9个伺服驱动器、9个电动缸、9个标准传感器以及采集设备，

9个伺服驱动器、9个电动缸和9个标准力传感器一一对应，依次连接；

力源控制模块包括施加指令产生模块、比较模块以及施加结果反馈模块，所述采集设备用于采集用于在标准力传感器上的实时力值并反馈给力源控制模块；PLC控制器控制对应电动缸运动，电动缸产生的力作用于对应的标准力传感器上；

施加指令产生模块用于根据矢量力传感器校准程序产生施加指令发送给PLC控制器，同时将施加指令中包含的施加标准力值发送给比较模块；

比较模块用于接收数据采集设备反馈的实时力值，并与需要施加的标准力值进行比较后，根据比较结果向施加指令产生模块或施加结果反馈模块发送指令；当实时力值与标准力值在差值在允许范围内，向施加指令产生模块发送停止施加指令，同时向施加结果反馈模块发送施加结果。

如图3、图4所示，加载机构包括加载装置和定位组件，

其中加载装置如图5、6所示，包括加载头、连杆、传感器安装法兰以及后法兰，所述加载头的一端与发动机连接，所述加载头的另一端通过连杆与后法兰连接，所述传感器安装法兰位于后法兰与加载头之间，待校准矢量力传感器的一端固定在传感器安装法兰上，待校准矢量力传感器的另一端固定在加载头上；设加载头的中心位置为原点，加载头与水平面平行的为X轴，与水平面垂直的为Z轴，发动机的中轴线为Y轴；加载头上的设置有六个拉环和两个压座；后法兰上设置有第七拉环；拉环用于实现标准拉力的施加，具有3自由度，对施加的标准拉力具有补偿作用；压座用于实现标准压力的施加，具有3自由度，对施加的标准推力具有补偿作用；六个拉环和两个压座通过组合的方式实现Fy、Fz、Mx、My和Mz标准力的施加；

第一拉环位于加载头的X轴上，标准拉力F1通过第一拉环作用在加载头上，标准拉力F1的方向与X轴同向；第二、三拉环分别位于X轴上且以Y轴对称设置，标准拉力F6通过第二拉环作用在加载头上，标准拉力F7通过第三拉环作用在加载头上，标准拉力F6、标准拉力F7的均与Z轴平行，方向相反且大小相同；第四拉环位于X轴上，第一压座位于X轴上，第四拉环与第一压座以Z轴对称设置；标准推力F8通过第一压座作用在加载头上，标准拉力F9通过第四拉环作用在加载头上，标准推力F8与标准拉力F9均与Z轴平行，方向相反且大小相同；第五拉环位于加载头的Z轴上，标准拉力F3通过第一拉环作用在加载头上，标准拉力F3的方向与Z轴同向；第六拉环位于加载头的Z轴上，第二压座位于加载头的Z轴上，第六拉环与第二压座以X轴对称设置，标准拉力F5通过第六拉环作用在加载头上，标准推力F4通过第二压座作用在加载头上，标准拉力F5与标准推力F4均与Y轴平行，方向相反且大小相同；标准拉力F2通过第七拉环作用在后法兰上，标准拉力F2的方向与Y轴一致；9个电动缸分别作用在六个拉环、两个压座和第七拉环上；

定位组件包括定架6、标定架7以及推力墙8，传感器安装法兰固定在推力墙上，作用在第七拉环上的电动缸固定在标定架上，作用在第四拉环和第一压座上的电动缸固定在推力墙上，其余的电动缸均固定在定架上。材料选择1Cr18Ni9Ti。

发动机与矢量力传感器之间的管路采用以下方式固定：

在管路距离矢量力传感器之间3-4m处固定在定架上，后将管路环绕3-4圈放置。

如图7所示，水冷夹套位于矢量力传感器的外侧。

如图8所示，数据处理模块包括标准力判断模块、标准力采集模块、电压信号采集模块、存储模块以及校准系数计算模块，

标准力判断模块用于接收来自标准矢量力力源的是否为正确的加载结果，并在加载结果正确时，将加载的标准力值发送给标准力采集模块，同时通知电压信号采集模块采集与该加载结果对应的电压信号；

标准力采集模块用于采集标准力判断模块发送的标准力值，并发送给存储模块；所述电压信号采集模块用于从矢量力测量单元采集对应的电压信号，并发送给存储模块；所述存储模块用于按照对应的关系存储采集到的标准力值和电压信号；

校准系数计算模块用于在九个标准力加载完成后，从存储模块中读取对应的数据按照单元校准法计算待校准矢量力传感器的校准系数。

如图9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，

解耦计算模块用于在测量状态下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测量方法，包括以下步骤：

1)测量前将矢量力传感器置零；

2)将校准系统矩阵K存储；

3)采集矢量力传感器的电压变化量：

U＝[ΔU₁,ΔU₂,ΔU₃,ΔU₄,ΔU₅,ΔU_6,,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

$\begin{array}{c}Y=K_Y\·{\mathrm{\ΔU}}_Y+K_Y^{Mz}\·{\mathrm{Mz}}_i+K_Y^{Mx}\·Mx+K_Y^X\·X+K_Y^Z\·Z+K_Y^{My}\·My\\ +K_Y^{Y^2}\·Y^2++K_Y^{{\mathrm{Mz}}^2}\·{\mathrm{Mz}}^2+K_Y^{{\mathrm{Mx}}^2}\·{\mathrm{Mx}}^2+K_Y^{X^2}\·X^2+K_Y^{Z^2}\·Z^2+K_Y^{{\mathrm{My}}^2}\·{\mathrm{My}}^2\\ +K_Y^{YMz}\·YMz+K_Y^{YMx}\·Y\·Mx+K_Y^{YX}\·Y\·X+K_Y^{YZ}\·Y\·Z+K_Y^{YMy}\·Y\·My\\ +K_Y^{MzMx}\·Mz\·Mx+K_Y^{MzX}\·Mz\·X+K_Y^{MzZ}\·Mz\·Z+K_Y^{MMyz.}\·Mz\·My\end{array}$

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：

$\left[\begin{array}{c}Y\\ Mz\\ Mx\\ X\\ Z\\ My\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{K}_Y\\ K_{Mz}\\ K_{Mx}\\ X\\ K_Z\\ K_{My}\end{array}\right]\·\[{\mathrm{\ΔU}}_Y,{\mathrm{\ΔU}}_{Mz},{\mathrm{\ΔU}}_{Mx},{\mathrm{\ΔU}}_X,{\mathrm{\ΔU}}_Z,{\mathrm{\ΔU}}_{My}\]+A\·B\mathrm{...}\left(3\right)$

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,Z,My,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：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{|P_{i+1}-P_i|}{\left|P_i\right|}\∠{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{...}\left(5\right)$

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。

原位校准装置采用地轴系单元校准方法设计，校准设备结构简单，加载效率高(不调整复位)、重复性误差小(校准精度高)，校准公式的准度、稳定性和可信度高。

校准装置由自动控制装置、9套标准力源以力及加载头构成。加载头通过定位销及螺栓安装于矢量力传感器上，9套加载力源作用于加载头上，通过自动控制装置组合控制的方式实现3个方向标准力及3个方向标准力矩的施加，从而得出相对于矢量力传感器校心的力和力矩，实现自动校准。

其中力矩载荷的施加采用两套力源对称分布结构，标定力矩时，两套标定装置同时加载相同的载荷，一个拉，一个推，这样既避免了引入轴向和侧向载荷，同时准确的施加了力矩载荷。

数据采集系统由测量线缆、采集系统、采集计算机及数据处理软件构成。测量线缆用于数据传输，采集系统用于采集矢量力传感器输出的电压信号，采集计算机用于数据存储，数据处理软件用于数据处理。

数据处理时，首先将测量系统采集到的矢量力传感器输出电压信号依据标定公式，进行解耦计算，从而得到发动机推力矢量载荷数据，包括三个方向力载荷以及三个方向的力矩载荷。然后通过坐标变换换算成发动机法兰面坐标系的数据，包括推力偏斜角，推力偏移方位角，侧向力方位角，推力偏移，主推力，两个侧向力。最后依据姿控发动机推力数据处理方法对数据进行处理。

隔热系统以提高推力测量装置和推力校准装置的温度抗性为出发点，其方法为加大传感器隔热层壳体厚度增加热容量；用在壳体外表面剖光的方法增大热反射；壳内带水冷套进行强制冷却；对推力测量装置采用独立的热屏蔽装置，避免关机回火和辐射热对测量装置影响。

其工作流程为：

(1)状态检查

采集设备应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。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)发动机安装

产品安装前，应确认发动机质量产生的侧向力及力矩在矢量力传感器量程范围之内。通过连接螺栓将发动机安装法兰与加载头连接，并通过定位销定位。

(3)约束系统安装

按照管路约束力释放装置结构安装入口管路、发动机控制气管路及压力、温度振动测量线缆。管路及线缆固定牢固。除标定状态的管路和线缆与加载头及发动机连接外，其余系统与加载头和发动机无干涉现象。

(4)传感器热防护装置通冷却水，水压0.2MPa，检查热防护装置无漏夜现象。

(5)原位校准

检查并确认发动机和加载头上应承受的各种约束力都已加载完成，推进剂管路增压至试验额定压力。施加预加载的加载力值为额定推力的120％，加载不少于三次，由零到120％额定载荷推力分7个档位加载，做三个升回程，同时记录矢量力传感器7路信号的校准数据。校准结束后，将校准装置与加载头脱开。

(6)矢量力推力测量装置系数矩阵计算

依据加载所得数据，利用最小二乘法计算出各项系数。利用六项单元加载，可求得各单元主系数，一次干扰系数和平方干扰系数，共72项。

(7)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 (9)

1.姿控发动机矢量推力测量校准一体化装置，其特征在于：包括发动机、标准矢量力力源、加载机构、矢量力测量单元、数据处理模块以及原位推力计算模块，

所述标准矢量力力源用于根据执行要求产生并控制9个标准力作用在加载机构上；

所述加载机构用于固定待校准的矢量力传感器，并将9个标准力施加在不同的地方完成待校准矢量力传感器的三个方向的力载荷Fx、Fy、Fz以及三个方向的力矩载荷Mx、My、Mz的加载；

所述矢量力测量单元用于对待测矢量力传感器输出的电压信号的进行采集并存储至数据处理模块，同时为待校准矢量力传感器的7个应变桥单独提供激励，并对所提供激励进行回测；

所述数据处理模块用于接收来自标准矢量力力源的加载结果和矢量力测量单元的测量结果，并进行存储对，后通过计算获取待校准矢量力传感器的校准系数；

所述原位推力计算模块用于在装置处于测量状态时，根据已得到校准系数以及采集到的电压信号计算所施加在发动机法兰面的力。

2.根据权利要求1所述的姿控发动机矢量推力测量校准一体化装置，其特征在于：标准矢量力力源包括力源控制模块、PLC控制器、9个伺服驱动器、9个电动缸、9个标准传感器以及采集设备，

9个伺服驱动器、9个电动缸和9个标准力传感器一一对应，依次连接；

所述力源控制模块包括施加指令产生模块、比较模块以及施加结果反馈模块，所述采集设备用于采集用于在标准力传感器上的实时力值并反馈给力源控制模块；PLC控制器控制对应电动缸运动，电动缸产生的力作用于对应的标准力传感器上；

所述施加指令产生模块用于根据矢量力传感器校准程序产生施加指令发送给PLC控制器，同时将施加指令中包含的施加标准力值发送给比较模块；

所述比较模块用于接收数据采集设备反馈的实时力值，并与需要施加的标准力值进行比较后，根据比较结果向施加指令产生模块或施加结果反馈模块发送指令；当实时力值与标准力值在差值在允许范围内，向施加指令产生模块发送停止施加指令，同时向施加结果反馈模块发送施加结果。

3.根据权利要求2所述的姿控发动机矢量推力测量校准一体化装置，其特征在于：所述加载机构包括加载装置和定位组件，

所述加载装置包括加载头、连杆、传感器安装法兰以及后法兰，所述加载头的一端与发动机连接，所述加载头的另一端通过连杆与后法兰连接，所述传感器安装法兰位于后法兰与加载头之间，待校准矢量力传感器的一端固定在传感器安装法兰上，待校准矢量力传感器的另一端固定在加载头上；

设加载头的中心位置为原点，加载头与水平面平行的为X轴，与水平面垂直的为Z轴，发动机的中轴线为Y轴；所述加载头上的设置有六个拉环和两个压座；后法兰上设置有第七拉环；

拉环用于实现标准拉力的施加，具有3自由度，对施加的标准拉力具有补偿作用；压座用于实现标准压力的施加，具有3自由度，对施加的标准推力具有补偿作用；六个拉环和两个压座通过组合的方式实现Fy、Fz、Mx、My和Mz标准力的施加；

第一拉环位于加载头的X轴上，标准拉力F1通过第一拉环作用在加载头上，标准拉力F1的方向与X轴同向；第二、三拉环分别位于X轴上且以Y轴对称设置，标准拉力F6通过第二拉环作用在加载头上，标准拉力F7通过第三拉环作用在加载头上，标准拉力F6、标准拉力F7的均与Z轴平行，方向相反且大小相同；第四拉环位于X轴上，第一压座位于X轴上，第四拉环与第一压座以Z轴对称设置；标准推力F8通过第一压座作用在加载头上，标准拉力F9通过第四拉环作用在加载头上，标准推力F8与标准拉力F9均与Z轴平行，方向相反且大小相同；第五拉环位于加载头的Z轴上，标准拉力F3通过第一拉环作用在加载头上，标准拉力F3的方向与Z轴同向；第六拉环位于加载头的Z轴上，第二压座位于加载头的Z轴上，第六拉环与第二压座以X轴对称设置，标准拉力F5通过第六拉环作用在加载头上，标准推力F4通过第二压座作用在加载头上，标准拉力F5与标准推力F4均与Y轴平行，方向相反且大小相同；标准拉力F2通过第七拉环作用在后法兰上，标准拉力F2的方向与Y轴一致；9个电动缸分别作用在六个拉环、两个压座和第七拉环上；

所述定位组件包括定架6、标定架7以及推力墙8，所述传感器安装法兰固定在推力墙上，作用在第七拉环上的电动缸固定在标定架上，作用在第四拉环和第一压座上的电动缸固定在推力墙上，其余的电动缸均固定在定架上。

4.根据权利要求3所述的姿控发动机矢量推力测量校准一体化装置，其特征在于：所述发动机与矢量力传感器之间的管路采用以下方式固定：

在管路距离矢量力传感器之间3-4m处固定在定架上，后将管路环绕3-4圈放置。

5.根据权利要求4所述的姿控发动机矢量推力测量校准一体化装置，其特征在于：所述数据处理模块包括标准力判断模块、标准力采集模块、电压信号采集模块、存储模块以及校准系数计算模块，

所述标准力判断模块用于接收来自标准矢量力力源的是否为正确的加载结果，并在加载结果正确时，将加载的标准力值发送给标准力采集模块，同时通知电压信号采集模块采集与该加载结果对应的电压信号；

所述标准力采集模块用于采集标准力判断模块发送的标准力值，并发送给存储模块；所述电压信号采集模块用于从矢量力测量单元采集对应的电压信号，并发送给存储模块；所述存储模块用于按照对应的关系存储采集到的标准力值和电压信号；

所述校准系数计算模块用于在九个标准力加载完成后，从存储模块中读取对应的数据按照单元校准法计算待校准矢量力传感器的校准系数。

6.根据权利要求5所述的姿控发动机矢量推力测量校准一体化装置，其特征在于：

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，

所述解耦计算模块用于在测量状态下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。

7.根据权利要求6所述的姿控发动机矢量推力测量校准一体化装置，其特征在于：还包括水冷夹套，所述水冷夹套位于矢量力传感器的外侧。

8.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)将校准系统矩阵K存储；

3)采集矢量力传感器的电压变化量：

U＝[△U₁,△U₂,△U₃,△U₄,△U₅,△U_6,,△U₇]

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

$\begin{array}{c}Y=K_Y\·{\mathrm{\ΔU}}_Y+K_Y^{Mz}\·{\mathrm{Mz}}_i+K_Y^{Mx}\·Mx+K_Y^X\·X+K_Y^Z\·Z+K_Y^{My}\·My\\ +K_Y^{Y^2}\·Y^2++K_Y^{{\mathrm{Mz}}^2}\·{\mathrm{Mz}}^2+K_Y^{{\mathrm{Mx}}^2}\·{\mathrm{Mx}}^2+K_Y^{X^2}\·X^2+K_Y^{Z^2}\·Z^2+K_Y^{{\mathrm{My}}^2}\·{\mathrm{My}}^2\\ +K_Y^{YMz}\·Y\·Mz+K_Y^{YMx}\·Y\·Mx+K_Y^{YX}\·Y\·X+K_Y^{YZ}\·Y\·Z+K_Y^{YMy}\·Y\·My\\ +K_Y^{MzMx}\·Mz\·Mx+K_Y^{MzX}\·Mz\·X+K_Y^{MzZ}\·Mz\·Z+K_Y^{MMyz.}\·Mz\·My\\ +K_Y^{MxX}\·Mx\·X+K_Y^{MxZ}\·Mx\·Z+K_Y^{MxMy}\·Mx\·My\end{array}$

$\begin{array}{c}+K_Y^{XZ}\·X\·Z+K_Y^{XMy}\·X\·My\\ +K_Y^{ZMy}\·Z\·My\end{array}...\left(1\right)$

Mz＝f(△U_Mz,Y,Mz,Mx,X,Z,My)

Mx＝f(△U_Mx,Y,Mz,Mx,X,Z,My)

X＝f(△U_X,Y,Mz,Mx,X,Z,My)

Z＝f(△U_Z,Y,Mz,Mx,X,Z,My)

My＝f(△U_My,Y,Mz,Mx,X,Z,My).........................(2)

写成矩阵的形式：

$\left[\begin{array}{c}Y\\ Mz\\ Mx\\ X\\ Z\\ My\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{K}_Y\\ K_{Mz}\\ K_{Mx}\\ X\\ K_Z\\ K_{My}\end{array}\right]\·\[{\mathrm{\ΔU}}_Y,{\mathrm{\ΔU}}_{Mz},{\mathrm{\ΔU}}_{Mx},{\mathrm{\ΔU}}_X,{\mathrm{\ΔU}}_Z,{\mathrm{\ΔU}}_{My}\]+A\·B...\left(3\right)$

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,Z,My,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·△U_Y

Mz₀＝K_Mz·△U_Mz

Mx₀＝K_Mx·△U_Mx

X₀＝K_X·△U_X

Z₀＝K_Z·△U_Z

My₀＝K_My·△U_My

4.2)第一次迭代

Y₁＝f(△U_Y,Y₀,Mz₀,Mx₀,X₀,Z₀,My₀)

Mz₁＝f(△U_Mz,Y₀,Mz₀,Mx₀,X₀,Z₀,My₀)

Mx₁＝f(△U_Mx,Y₀,Mz₀,Mx₀,X₀,Z₀,My₀)

X₁＝f(△U_X,Y₀,Mz₀,Mx₀,X₀,Z₀,My₀)

Z₁＝f(△U_Z,Y₀,Mz₀,Mx₀,X₀,Z₀,My₀)My₁＝f(△U_My,Y₀,Mz₀,Mx₀,X₀,Z₀,My₀)

.......

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

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

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

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

Z_i+1＝f(△U_Z,Y_i,Mz_i,Mx_i,X_i,Z_i,My_i)My_i+1＝f(△U_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：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{|P_{i+1}-P_i|}{\left|P_i\right|}\∠{\mathrm{\ϵ}}_0...\left(5\right)$

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。

9.根据权利要求8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。