CN107421684B - 多维复合喷管装置单元推力解算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于传感测控技术领域，尤其是在航空航天中针对推力发生装置开展力学性能研究，多维复合喷管装置单元推力解算方法，具体为一种多维复合喷管装置在复合点火条件下进行单元力解算。首先，根据多维复合喷管装置所需要的运动方式，多维复合喷管装置上的喷管单元点火。点火后由测量装置检测出多维复合喷管装置上所受的合力与合力矩，然后结合上述方法，列出合力平衡方程与合力矩平衡方程，解算出参与点火的每一个喷管单元的推力，从而得到每一个喷管单元的推力输出性能曲线，实现对每一个喷管单元的标定与评估。
Description
技术领域
本发明属于传感测控技术领域，尤其是在航空航天中针对推力发生装置开展力学性能研究，本发明涉及对一种多维复合喷管装置在复合点火条件下进行单元力解算。
背景技术
一种多维复合喷管装置上装有多个喷管单元，这多个喷管单元协同工作，为被连接对象提供准确可靠的2个方向的力和3个方向的力矩，它们分别是升力、侧力、俯仰力矩、偏航力矩、滚转力矩，从而能准确的控制被连接对象的运动轨迹与运动姿态。因此准确测量多个喷管单元在复合点火状态下产生的合力以及每个喷管单元的推力，对于评价多维复合喷管装置的性能十分重要。传统的测量方法是对多个喷管单元单独试车，这种测量方法操作步骤复杂、燃料消耗量大、测量时间长、测量效率非常低。
本发明提出了一种多维复合喷管装置单元力解算方法。这种方法以六维力测试平台为依托，利用六维力测试平台测量得到的2个方向的力和3个方向的力矩，将所有点火喷管的推力作为未知量，建立相应的方程组，实现对每个喷管单元推力的求解。从而实现对每一个喷管单元的推力测量，求解得到每个喷管单元的推力输出性能曲线。利用这种解算算法，可以大大减少多维复合喷管装置的试车实验次数，节省燃料和实验时间，降低经济成本提高经济效益。
发明内容
本发明为克服现有测量方法的缺陷，发明了一种多维喷管装置单元推力解算方法。
本发明的技术方案：
多维复合喷管装置单元推力解算方法，步骤如下：
六维力测试平台如图1所示：传感器3放置于底座2与上盖板4之间，通过双头螺柱7将底座、传感器与上盖板连接。6为销孔，通过圆柱销13使六维力测试平台在图2所示的多维复合喷管装置测试台架12上完成定位，并通过螺钉11穿过螺纹孔1实现固定。测试平台上盖板通过圆锥销14穿过销孔8实现与图2转接法兰10的定位，并通过连接螺栓实现固定。设六维力测试平台中心为原点O，底座2所在的平面为x、z轴方向，垂直于底座2的方向为y轴方向；多维复合喷管装置定位安装在转接法兰10上，确保多维复合喷管装置的中轴线与原点O重合；
喷管点火时，多维复合喷管装置会产生2个方向的力和3个方向的力矩。产生的滚转力矩为：
其中：m为2、5卦限点火喷管的个数；n为第1、6卦限点火喷管的个数；h为多维复合喷管装置参与点火的喷管层数；Fxi为第2、5卦限参与点火喷管产生的推力在x向的分力；Fxj为第1、6卦限参与点火喷管产生的推力在x向的分力；Fzt为第1、6卦限参与点火喷管产生的推力在z向的分力；Fzw为第2、5卦限参与点火喷管产生的推力在z向的分力；lk为参与点火喷管中心线与y轴之间距离；
偏航力矩：
其中：h为多维复合喷管装置参与点火的喷管层数；p为1、2卦限点火喷管个数；q为5、6卦限点火喷管个数；Fza为1、2卦限点火喷管产生的推力在z向的分力；Fzb为5、6卦限点火喷管产生的推力在z向的推力；ak为参与点火喷管中心线与多维喷管复合装置中心的距离。
俯仰力矩：
其中：h为多维复合喷管装置参与点火的喷管层数；r为1、5卦限参与点火喷管个数；s为2、6卦限参与点火喷管个数；Fxc为第1、5卦限参与点火喷管产生的推力在x方向的分力；Fxd为第2、6卦限参与点火喷管产生的推力在x方向的推力；ak为参与点火喷管的中心线与多维喷管复合装置中心的距离。
升力：
其中：r为1、5卦限参与点火的喷管个数；s为2、6卦限参与点火的喷管个数；Fxc为1、5卦限参与点火喷管产生的推力在x向的分力；Fxd为2、6卦限参与点火喷管产生的推力在x向的分力。
侧向力：
其中：p为1、2卦限参与点火的喷管个数；q为5、6卦限参与点火的喷管个数；Fza为1、2卦限参与点火喷管产生的推力在z向的分力；Fzb为5、6卦限参与点火喷管产生的推力在z向的分力。
喷管点火时，由测力装置测得的滚转力矩为：
其中：Fx1、Fx2、Fx3、Fx4为1、2、3、4号传感器测得的x向分力；Fz1、Fz2、Fz3、Fz4为1、2、3、4号传感器测得的z向分力；d图3所示传感器与坐标轴之间距离。
测力装置测得的偏航力矩为：
其中：Fy1、Fy2、Fy3、Fy4为1、2、3、4号传感器测得的y向分力；b为传感器与多维喷管复合装置中心之间距离。
测力装置测得的俯仰力矩为：
其中：Fy1、Fy2、Fy3、Fy4为1、2、3、4号传感器测得的y向分力；b为传感器与多维喷管复合装置中心之间距离。
测力装置测得的升力为：
其中：Fxi为传感器测得的x向分力；
测力装置测得的侧向力为：
其中：Fzi为传感器测得的z向分力；
由公式(1)～(10)，可以解算出当喷管点火时多维复合喷管装置所产生的力和力矩，同时也可以解算出参与点火的单个喷管单元所产生的推力，从而得到每个喷管的推力输出性能曲线。
附图说明
图1为六维力测试平台图。
图2为多维复合喷管装置测试系统。
图3为传感器布置方案。
图4为10喷管复合装置的上层工作层产生正滚转力矩图。
图5为10喷管复合装置的上层工作层产生负滚转力矩图。
图6为10喷管复合装置的上层工作层产生正升力图。
图7为10喷管复合装置的上层工作层产生负升力图。
图8为10喷管复合装置的上层工作层产生正滚转力矩和正升力图。
图9为10喷管复合装置的上层工作层产生负滚转力矩和负升力图。
图10为10喷管复合装置的上层工作层产生正滚转力矩、正升力和正侧向力图。
图11为10喷管复合装置的上层工作层产生负滚转力矩、负升力和负侧向力图。
图12为10喷管复合装置的上层工作层和下层工作层同时工作图。
图13为10喷管复合装置的俯视图。
图中：1沉头孔；2测试底座；3传感器；4上盖板；5螺纹孔；6销孔；7通孔；8销孔；9多维复合喷管装置；10转接法兰；11紧定螺钉；12测试台架；13圆柱销；14圆锥销；15第一喷管；16第一喷管；17第三喷管；18第四喷管；19第五喷管；20第六喷管；21第七喷管；22第八喷管；23第九喷管；24第十喷管；F15第一喷管15的推力；F16第一喷管16的推力；F17第三喷管17的推力；F18第四喷管18的推力；F19第五喷管19的推力；F20第六喷管20的推力；F21第七喷管21的推力；F22第八喷管22的推力；F23第九喷管23的推力；F24第十喷管24的推力；a1为上层喷管工作层与多维复合喷管装置中心的距离；a2为下层喷管工作层与多维复合喷管装置中心的距离；
具体实施方式
下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。
首先，根据多维复合喷管装置所需要的运动方式，给图2中多维复合喷管装置上的喷管单元点火。点火后由图1的测量装置检测出多维复合喷管装置上所受的合力与合力矩，然后结合上述方法，列出合力平衡方程与合力矩平衡方程，解算出参与点火的每一个喷管单元的推力，从而得到每一个喷管单元的推力输出性能曲线，实现对每一个喷管单元的标定与评估。
下面就多维复合10喷管装置作进一步说明：
情况一：如附图4所示的上层喷管单元工作层产生正滚转力矩
正滚转力矩：
升力：
俯仰力矩：
六维力测试平台测得的正滚转力矩：
六维力测试平台测得的升力：
六维力测试平台测得的俯仰力矩：
联立方程(11)～(16)，可以解算出第二喷管16的推力：
第五喷管19的推力：
情况二：如图5所示的上层喷管单元工作层产生负滚转力矩
负滚转力矩：
升力：
俯仰力矩：
六维力测试平台测得的负滚转力矩：
六维力测试平台测得的升力：
六维力侧力平台测得的俯仰力矩：
联立方程(17)～(22)，可以解算出第一喷管15的推力：
第四喷管18的推力：
情况三：如附图6所示的上层喷管工作层产生正升力
滚转力矩：
俯仰力矩：
正升力：
六维力测试平台测得的滚转力矩：
六维力测力平台测得的俯仰力矩：
六维力测试平台测得的正升力：
同理，联立方程(23)～(28)就可以解算出第一喷管15的推力：
第二喷管16的推力：
情况四：如附图7所示的上层喷管工作层产生负升力
滚转力矩：
俯仰力矩：
负升力：
六维力测试平台测得的滚转力矩：
六维力测力平台测得的俯仰力矩：
六维力测试平台测得的负升力：
联立方程(29)～(34)，可以解算出第四喷管18的推力：
第五喷管19的推力：
情况五：如附图8所示的上层喷管工作层产生正滚转力矩和正升力
正滚转力矩：
俯仰力矩：
正升力：
六维力测试平台测得的滚转力矩：
六维力测试平台测得的俯仰力矩：
六维力测试平台测得的升力：
同理，联立方程(35)～(40)，即可解算出第一喷管15的推力：
第二喷管16的推力：
第五喷管19的推力：
情况六：如附图9所示的上层喷管工作层产生负滚转力矩和负升力
负滚转力矩：
负升力：
俯仰力矩：
六维力测试平台测得的负滚转力矩：
六维力测试平台测得的负升力：
六维力测试平台测得的俯仰力矩：
同理，联立方程(41)～(46)，可以解算出第一喷管15的推力：
第四喷管18的推力：
第五喷管19的推力：
情况七：如附图10所示的6台喷管工作层产生正滚转力矩、正升力和正侧向力
正滚转力矩：
俯仰力矩：
偏航力矩：
升力：
正侧向力：
六维力测试平台测得的滚转力矩：
六维力测试平台测得的俯仰力矩：
六维力测试平台测得的偏航力矩：
六维力测试平台测得的升力：
六维力测试平台测得的正侧向力：
同理，联立方程(47)～(56)即可解算出第一喷管15的推力：
第二喷管16的推力：
第五喷管19的推力:
第六喷管20的推力:
情况八：如附图11所示的6台喷管工作层产生负滚转力矩、负升力和负侧向力
负滚转力矩：
俯仰力矩：
偏航力矩：
负升力：
负侧向力：
六维力测试平台测得的负滚转力矩：
六维力测试平台测得的负升力：
六维力测试平台测得的偏航力矩：
六维力测试平台测得的俯仰力矩：
六维力测试平台测得的侧向力：
同理，联立方程(57)～(66)，可以解算出第一喷管15的推力：
第三喷管17的推力：
第四喷管18的推力：
第五喷管19的推力：
情况九：如附图12所示的双层喷管同时工作
滚转力矩：
俯仰力矩：
偏航力矩：
升力：
侧向力：
六维力测试平台测得的滚转力矩：
六维力测试平台测得的俯仰力矩：
六维力测试平台测得的偏航力矩：
六维力测试平台测得的升力：
六维力测试平台测得的侧向力：
同理，联立方程(67)～(76)，即可解算出第一喷管15的推力：
第二喷管16的推力：
第三喷管17的推力：
第五喷管19的推力：
第七喷管21的推力：
由上述可以看出，利用多维复合喷管装置单元推力解算方法，经过3次试车，就可以准确测量复合点火状态下多维复合10喷管装置产生的合力、合力矩以及参与点火的每个喷管单元的推力，从而得到每个喷管单元的推力输出性能曲线。故可以由以上所述方法解算出其它多维复合喷管装置中单个喷管单元的推力。
Claims (10)
1.一种多维复合喷管装置单元推力解算方法，其特征在于，步骤如下：
六维力测试平台：传感器(3)安装于底座(2)与上盖板(4)之间，通过双头螺柱(7)连接；圆柱销(13)通过底座(2)上的销孔(6)，六维力测试平台在多维复合喷管装置测试台架(12)上完成定位，并通过螺钉(11)穿过底座(2)上的螺纹孔(1)实现固定；六维力测试平台的上盖板(4)通过圆锥销(14)穿过销孔(8)，实现与转接法兰(10)的定位，并通过连接螺栓实现固定；设六维力测试平台中心为原点O，底座(2)所在的平面为x、z轴方向，垂直于底座(2)的方向为y轴方向；多维复合喷管装置定位安装在转接法兰(10)上，确保多维复合喷管装置的中轴线与原点O重合；
喷管点火时，多维复合喷管装置产生2个方向的力和3个方向的力矩；
滚转力矩：
其中：m为2、5卦限点火喷管的个数；n为第1、6卦限点火喷管的个数；h为多维复合喷管装置参与点火的喷管层数；Fxi为第2、5卦限参与点火喷管产生的推力在x向的分力；Fxj为第1、6卦限参与点火喷管产生的推力在x向的分力；Fzt为第1、6卦限参与点火喷管产生的推力在z向的分力；Fzw为第2、5卦限参与点火喷管产生的推力在z向的分力；lk为参与点火喷管中心线与y轴之间距离；
偏航力矩：
其中：h为多维复合喷管装置参与点火的喷管层数；p为1、2卦限点火喷管个数；q为5、6卦限点火喷管个数；Fza为1、2卦限点火喷管产生的推力在z向的分力；Fzb为5、6卦限点火喷管产生的推力在z向的推力；ak为参与点火喷管中心线与多维喷管复合装置中心的距离；
俯仰力矩：
其中：h为多维复合喷管装置参与点火的喷管层数；r为1、5卦限参与点火喷管个数；s为2、6卦限参与点火喷管个数；Fxc为第1、5卦限参与点火喷管产生的推力在x方向的分力；Fxd为第2、6卦限参与点火喷管产生的推力在x方向的推力；ak为参与点火喷管的中心线与多维喷管复合装置中心的距离；
升力：
其中：r为1、5卦限参与点火的喷管个数；s为2、6卦限参与点火的喷管个数；Fxc为1、5卦限参与点火喷管产生的推力在x向的分力；Fxd为2、6卦限参与点火喷管产生的推力在x向的分力；
侧向力：
其中：p为1、2卦限参与点火的喷管个数；q为5、6卦限参与点火的喷管个数；Fza为1、2卦限参与点火喷管产生的推力在z向的分力；Fzb为5、6卦限参与点火喷管产生的推力在z向的分力；
喷管点火时，由六维力测试平台测得的滚转力矩为：
其中：Fx1、Fx2、Fx3、Fx4为1、2、3、4号传感器测得的x向分力；Fz1、Fz2、Fz3、Fz4为1、2、3、4号传感器测得的z向分力；d传感器与坐标轴之间距离；
六维力测试平台测得的偏航力矩为：
其中：Fy1、Fy2、Fy3、Fy4为1、2、3、4号传感器测得的y向分力；b为传感器与多维喷管复合装置中心之间距离；
六维力测试平台测得的俯仰力矩为：
其中：Fy1、Fy2、Fy3、Fy4为1、2、3、4号传感器测得的y向分力；b为传感器与多维喷管复合装置中心之间距离；
六维力测试平台测得的升力为：
其中：Fxi为传感器测得的x向分力；
六维力测试平台测得的侧向力为：
其中：Fzi为传感器测得的z向分力；
由公式(1)～(10)，解算出当喷管点火时多维复合喷管装置所产生的力和力矩，同时也解算出参与点火的单个喷管所产生的推力，得到每个喷管的推力输出性能曲线。
2.根据权利要求1所述的多维复合喷管装置单元推力解算方法，其特征在于，任意层喷管工作层产生正滚转力矩
正滚转力矩：
升力：
Fs z＝F16+F19 (12)
俯仰力矩：
六维力测试平台测得的正滚转力矩：
六维力测试平台测得的升力：
六维力测试平台测得的俯仰力矩：
联立方程(11)～(16)，解算出第二喷管(16)的推力：
第五喷管(19)的推力：
3.根据权利要求2所述的多维复合喷管装置单元推力解算方法，其特征在于，任意层喷管工作层产生负滚转力矩
负滚转力矩：
升力：
Fs z＝F15+F18 (18)
俯仰力矩：
六维力测试平台测得的负滚转力矩：
六维力测试平台测得的升力：
六维力侧力平台测得的俯仰力矩：
联立方程(17)～(22)，解算出第一喷管(15)的推力：
第四喷管(18)的推力：
4.根据权利要求3所述的多维复合喷管装置单元推力解算方法，其特征在于，任意层喷管工作层产生正升力
滚转力矩：
俯仰力矩：
正升力：
Fs z'＝F15+F16 (25)
六维力测试平台测得的滚转力矩：
六维力测力平台测得的俯仰力矩：
六维力测试平台测得的正升力：
同理，联立方程(23)～(28)解算出第一喷管(15)的推力：
第二喷管(16)的推力：
5.根据权利要求4所述的多维复合喷管装置单元推力解算方法，其特征在于，任意层喷管工作层产生负升力
滚转力矩：
俯仰力矩：
负升力：
Fs z"＝F18+F19 (31)
六维力测试平台测得的滚转力矩：
六维力测力平台测得的俯仰力矩：
六维力测试平台测得的负升力：
联立方程(29)～(34)，解算出第四喷管(18)的推力：
第五喷管(19)的推力：
6.根据权利要求5所述的多维复合喷管装置单元推力解算方法，其特征在于，任意层喷管工作层产生正滚转力矩和正升力
正滚转力矩：
俯仰力矩：
正升力：
Fs z'＝F15+F16+F19 (37)
六维力测试平台测得的滚转力矩：
六维力测试平台测得的俯仰力矩：
六维力测试平台测得的升力：
同理，联立方程(35)～(40)，解算出第一喷管(15)的推力：
第二喷管(16)的推力：
第五喷管(19)的推力：
7.根据权利要求6所述的多维复合喷管装置单元推力解算方法，其特征在于，任意层喷管工作层产生负滚转力矩和负升力
负滚转力矩：
负升力：
Fs z"＝F15+F18+F19 (42)
俯仰力矩：
六维力测试平台测得的负滚转力矩：
六维力测试平台测得的负升力：
六维力测试平台测得的俯仰力矩：
同理，联立方程(41)～(46)，解算出第一喷管(15)的推力：
第四喷管(18)的推力：
第五喷管(19)的推力：
8.根据权利要求7所述的多维复合喷管装置单元推力解算方法，其特征在于，6台喷管工作层产生正滚转力矩、正升力和正侧向力
正滚转力矩：
俯仰力矩：
偏航力矩：
升力：
Fs z＝F15+F16-F19 (50)
正侧向力：
Fc z＝F20 (51)
六维力测试平台测得的滚转力矩：
六维力测试平台测得的俯仰力矩：
六维力测试平台测得的偏航力矩：
六维力测试平台测得的升力：
六维力测试平台测得的正侧向力：
同理，联立方程(47)～(56)即解算出第一喷管(15)的推力：
第二喷管(16)的推力：
第五喷管(19)的推力:
第六喷管(20)的推力:
9.根据权利要求8所述的多维复合喷管装置单元推力解算方法，其特征在于，6台喷管工作层产生负滚转力矩、负升力和负侧向力
负滚转力矩：
俯仰力矩：
偏航力矩：
负升力：
Fs z"＝F15+F18+F19 (60)
负侧向力：
Fc z＝F17 (61)
六维力测试平台测得的负滚转力矩：
六维力测试平台测得的负升力：
六维力测试平台测得的偏航力矩：
六维力测试平台测得的俯仰力矩：
六维力测试平台测得的侧向力：
同理，联立方程(57)～(66)，解算出喷管15的推力：
第三喷管(17)的推力：
第四喷管(18)的推力：
第五喷管(19)的推力：
10.根据权利要求9所述的多维复合喷管装置单元推力解算方法，其特征在于，双层喷管同时工作
滚转力矩：
俯仰力矩：
偏航力矩：
升力：
Fs z＝F15+F16+F19 (70)
侧向力：
Fc z＝F17+F21 (71)
六维力测试平台测得的滚转力矩：
六维力测试平台测得的俯仰力矩：
六维力测试平台测得的偏航力矩：
六维力测试平台测得的升力：
六维力测试平台测得的侧向力：
同理，联立方程(67)～(76)，即可解算出第一喷管(15)的推力：
第二喷管(16)的推力：
第三喷管(17)的推力：
第五喷管(19)的推力：
第七喷管(21)的推力：
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2017
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