CN107829843A

CN107829843A - 一种用于火箭发动机推力矢量标定的旋转标定法

Info

Publication number: CN107829843A
Application number: CN201710853418.0A
Authority: CN
Inventors: 张军; 贾振元; 田雨; 任宗金; 常庆兵
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2017-09-20
Filing date: 2017-09-20
Publication date: 2018-03-23
Anticipated expiration: 2037-09-20
Also published as: CN107829843B

Abstract

本发明提供了一种用于火箭发动机推力矢量标定的旋转标定法，属于压电传感器测量技术领域。该方法从测力仪的结构原理入手，首先搭建矢量力测试系统，并对其进行误差源的分析，通过采用线性标定法求出所需计算的标定矩阵，建立标定精度对耦合系数的敏感度分析模型，得出主向对侧向的干扰系数是影响测试精度的最重要因素；然后通过对力矢量偏移量的标定系统进行误差分析来探求主向对侧向力产生干扰的机理；建立了标定杆与球面垫圈与锥面垫圈的接触力的数学模型，得出了主向标定时侧向力呈椭圆的几何分布；最后针对椭圆分布的周期性特点，基于匀化误差的思想，根据所提出的旋转标定法对火箭发动机推力矢量进行标定。

Description

一种用于火箭发动机推力矢量标定的旋转标定法

技术领域

本发明属于压电传感器测量技术领域，涉及一种用于火箭发动机推力矢量标定的旋转标定法。

背景技术

随着现代航空航天技术的迅速发展，火箭发动机作为航天器的核心部件扮演着至关重要的作用，火箭发动机推力矢量的精准测量对控制飞行器的运行姿态、提高目标命中精度等具有重要意义。但在航天器姿态调整的过程中，火箭发动机质量的变化、喷管轴线的偏移等因素，将会导致火箭推力矢量和理想情况有偏差而产生侧向力和推力偏斜的现象。此外，受制造误差、装配误差以及结构变形等因素的影响，推力和偏移量的测试精度很难保证。因此，对火箭发动机性能的核心参数——推力矢量的精确评定是满足火箭发动机高精度姿态调整、轨道修正的必然要求。经过文献检索，多数文章对测力平台的标定方法进行研究，主要应用了硬件和计算算法等方法。李思研究了基于信号处理、计算机智能、智能处理的力传感器的硬件标定技术。邢勤应用标定矩阵对小力值火箭测试系统完成了三维力三维力矩的静态标定。丁煜函基于逆补偿ANN对二维传感器进行了动态标定补偿。仇成群开发出了基于虚拟仪器的静态标定系统，对多维腕力传感器进行了静态解耦及标定研究。但目前很少有文章从测力仪的结构原理入手，探寻标定和测量误差影响因素，研究力加载中的损失机理和偏移机理，因此需要设计一种新的方法实现力的标定。

发明内容

本发明为克服现有技术的缺陷，发明了一种用于火箭发动机推力矢量标定的旋转标定法，该方法从测力仪的结构原理入手，首先对测试系统的误差来源进行分析，将标定传感器、标定杆、将标定杆同步旋转度，以此得到N个工位，然后进行标定加载实验，并对标定力加载时的损失与偏移机理进行探究，最后将N个工位的实验结果通过理论解算来消除标定系统误差，分离出了测量固有误差。此种方法避免了因固有误差过大而导致误差波动的现象，并满足了随机误差抵偿性的要求，使固有误差得到有效的解决。

本发明的技术方案：

一种用于火箭发动机推力矢量标定的旋转标定法，所述的旋转标定法用的装置基于专利申请号2017106107307，专利名称为“基于深信度网络的火箭发动机推力偏移量的标定方法”中，公开的标定装置，以力矢量偏移量的标定平台作为核心，包括液压加载力源发生装置、力矢量偏移量的标定平台、电荷放大器、数据采集卡、计算机及控制模块；将与标定杆相连的球面垫圈的中心孔改为偏心孔，使球面垫圈的偏心孔处于不同的加载位置；改善前的标定装置仅能执行火箭发动机的正交加载，改善后的火箭发动机推力矢量标定装置可旋转不同角度，来实现不同工位的标定加载。步骤如下：

第一步：建立标定精度对耦合系数的敏感度分析模型

采用四个三向力传感器正方形布置形式的推力矢量标定系统来实现三向正交力的加载(X向加载为主向加载力，Y、Z向加载均为侧向加载力)，完成对发动机推力矢量的线性标定，根据各三向力传感器的加载输出，建立力向量与电压向量的关系：

F＝AU+b

其中，A＝(A_ij)_6×6为标定矩阵，A_ij(i＝j)为自相关影响系数，另一类A_ij(i≠j)为向间干扰系数；F＝(F_x1,F_x2,F_x3,F_x4,F_y,F_z)^T为三维力向量；

为力作用下电压信号的输出；b＝(b_ij)_6×1为标定截距向量；

根据所建立的力向量与电压向量的关系，分析自相关影响系数A_ij(i＝j)与各向灵敏度相关，数值相对稳定，对结果影响较小；在主侧大量程比的加载力情况下，向间干扰系数A_ij(i≠j)和干扰力直接相关，大量程的主向力会对侧向力产生严重干扰。以侧向力F_y为研究对象，假设标定系数A_ij变化ΔA_ij，那么Y向ΔF_y为：

忽略高阶无穷小O(ΔA_ij)，则为主要因素，并假设侧向对4个主向的干扰系数相同，则敏感度分析模型如下所示，

其中，S_yxi(U_xi),S_yy(U_y),S_yz(U_z)分别表示Y向加载力对X，Y，Z向的干扰系数敏感度；

根据所建立的敏感度分析模型，得出主向对侧向的干扰系数是影响测试精度的最重要因素。

第二步：对力矢量偏移量的标定系统进行误差分析

所建立的标定精度对耦合系数的敏感度分析模型揭示了主向对侧向力的干扰是影响侧向力标定精度的主要因素，故需通过对力矢量偏移量的标定系统进行误差分析来探求主向对侧向力产生干扰的机理。

力矢量偏移量的标定系统由标定装置和测量装置组成，在标定时，标定装置和测量装置协同作用，因此在标定时包含标定误差和测量固有误差。为了得到测量固有误差，分离标定误差，必须要首先研究测试系统误差。测试系统误差分为随机误差和系统误差，随机误差具有补偿性，通过大量的标定试验可补偿为零，系统误差呈现一定重复性，可以用函数表征。标定误差是由大量程的主向力对小量程的侧向力产生的干扰造成的，因此研究主向对侧向力产生干扰的机理是分离标定误差的根本。

由于标定装置所产生的标定力的实际轴线与理论轴线存在偏差，使主向力标定时产生侧向力，这类侧向力就是产生干扰力和相间干扰的主要原因。液压加载装置所产生的矢量力，经过传感器、标定杆，最后由自定心装置传递测力仪上。把标定杆的轴线视作标定力的轴线，从几何形式的角度来看，误差主要归结为标定杆的轴线平移和轴线偏转。轴线平移和偏转是标定杆带动球面垫圈与锥面垫圈产生微变形，导致了接触力的产生。这类接触力实际就是标定时产生干扰力和相间干扰的根本原因。因此相间干扰误差是由标定时标定杆与球面垫圈与锥面垫圈的接触力所造成的。

第三步：建立球面垫圈与锥面垫圈的接触力的数学模型

设锥面垫圈半径为R，球面垫圈半径也为R；锥形垫圈刚度远大于球面垫圈，接触力F_s的作用点为球面垫圈与锥形垫圈壁的接触点A，那么锥面垫圈与球面垫圈在弧BAC(B、C为受力后球面垫圈表面与锥形垫圈表面的交点)产生F_s。设OO₂(受力前锥形垫圈中心为O，受力后标定杆旋转不同角度时其中心分别为O₂，O'₂)和Z轴夹角为θ₂，O₂O'₂和Z轴夹角为θ₁。基于坐标原理，标定杆中心与锥面垫圈中心向量为

标定杆与锥形垫圈壁的变形Δx为

设F_s与Z轴的夹角为λ，λ随不同象限中O₂′坐标变化而变化，λ与O₂′坐标关系式如下，

基于胡克定律，锥面垫圈与球面垫圈的接触刚度为k，y向和z向在接触面上的接触力F_sy、F_sz为，

以下分析接触力(挤压力)F_ty、F_tz。球面垫圈和锥面垫圈在接触面变形Δx和实际变形Δx_t有以下等式关系，

假设F_t指向O₃，且在接触时O₂、O₂′、O₃、A_i在同一平面内，在YOZ面内，实际接触力F_t与接触面接触力F_s方向相同，那么实际挤压力F_ty、F_tz为，

则挤压力误差F_ty、F_tz就是Y、Z向的标定误差F_ye2、F_ze2。由于标定误差F_ye2、F_ze2为一个标准的椭圆域，因此当对主向力进行标定时，且当标定杆偏斜ρ足够小可以忽略，输出力值F_y、F_z呈一个中心为[F_ze1,F_ye1]为中心的椭圆分布。

第四步：基于旋转标定法对火箭发动机推力矢量的标定

在发动机推力矢量不同工位的标定过程中，存在着测量系统固有误差、标定误差及旋转误差。为降低测量系统误差，消除标定系统误差，提高测试精度，易于分离和补偿误差。将标定传感器、标定杆、将标定杆同步旋转度，以此得到N个工位，然后进行标定加载实验，并对标定力加载时的损失与偏移机理进行探究，最后将N个工位的实验结果通过理论解算来消除标定系统误差，分离出了测量固有误差。

设杆和侧壁挤压力满足胡克定律，标定杆与侧壁的接触刚度为k，第i工位标定误差力为，

基于第i工位标定误差力当转动N个工位时。误差力总误差为F_ty为，

由于每个工位转动度，其直接影响是否能消除，因此确定N十分关键。

若采用4工位加载，即N＝4，忽略高阶无穷小，则：

由于F_ty＝F_ye2，测试总力则：

其中，分别为Y向平均受力值，Y向平均力的测量系统固有误差，Y向力平均标定误差。

本发明的有益效果：本发明的旋转标定法使测量平均结果接近于平均固有误差消除了标定误差，分离出了测量固有误差。此外，平均固有误差的计算避免了个别工位固有误差过大导致误差波动，并满足随机误差抵偿性的要求，合理的处理了固有误差。

附图说明

图1为火箭发动机推力矢量标定实验流程图。

图2(a)为火箭发动机推力矢量标定平台结构简图。

图2(b)火箭发动机推力矢量标定平台四工位布置图。

图3(a)为标定杆与球面垫圈与锥面垫圈的接触力分析主视图。

图3(b)为标定杆与球面垫圈与锥面垫圈的接触力分析侧视图。

图4为采用旋转标定法对火箭发动机推力矢量进行标定处理的流程图。

图中：1转接架；2六角螺母；3球形塞；4锥形套；5压电测力仪；

6连接法兰；7标定架；8后端拉杆；9标准力传感器；10前端拉杆；

11液压加载装置。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明是一种用于火箭发动机推力矢量标定的旋转标定法，该方法从测力仪的结构原理入手，首先搭建矢量力测试系统，并对其进行误差源的分析，通过采用线性标定法求出所需计算的标定矩阵，建立标定精度对耦合系数的敏感度分析模型，得出主向对侧向的干扰系数是影响测试精度的最重要因素；然后通过对力矢量偏移量的标定系统进行误差分析来探求主向对侧向力产生干扰的机理；建立了标定杆与球面垫圈与锥面垫圈的接触力的数学模型，得出了主向标定时侧向力呈椭圆的几何分布；最后针对椭圆分布的周期性特点，基于匀化误差的思想，根据所提出的旋转标定法对火箭发动机推力矢量进行标定。该方法消除了标定系统误差，分离出了测量固有误差，提高了测试精度，且避免了因固有误差过大而导致误差波动的现象，并满足了随机误差抵偿性的要求，使固有误差得到有效的解决。

虽然本发明以上述较佳的实施例对本发明做出了详细的描述，但并非用上述实施例限定本发明。本领域的技术人员应当意识到在不脱离本发明所给出的技术特征和范围的情况下，对技术所作的增加、以本领域一些同样内容的替换，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于火箭发动机推力矢量标定的旋转标定法，其特征在于，所述的旋转标定法用的装置基于专利申请号2017106107307中，公开的标定装置，以力矢量偏移量的标定平台作为核心，包括液压加载力源发生装置、力矢量偏移量的标定平台、电荷放大器、数据采集卡、计算机及控制模块；将与标定杆相连的球面垫圈的中心孔改为偏心孔，使球面垫圈的偏心孔处于不同的加载位置；步骤如下：

第一步：建立标定精度对耦合系数的敏感度分析模型

采用四个三向力传感器正方形布置形式的推力矢量标定系统来实现三向正交力的加载，设定X向加载为主向加载力，Y向加载和Z向加载均为侧向加载力，完成对发动机推力矢量的线性标定，根据各三向力传感器的加载输出，建立力向量与电压向量的关系：

其中，A＝(A_ij)_6×6为标定矩阵；当i＝j时，A_ij为自相关影响系数；当i≠j时，A_ij为向间干扰系数；F＝(F_x1,F_x2,F_x3,F_x4,F_y,F_z)^T为三维力向量；

为力作用下电压信号的输出；b＝(b_ij)_6×1为标定截距向量；

根据所建立的力向量与电压向量的关系，分析自相关影响系数与各加载方向灵敏度相关，数值相对稳定，对结果影响小；在主侧大量程比的加载力情况下，向间干扰系数和干扰力相关，大量程的主向加载力对侧向加载力产生严重干扰；以侧向加载力F_y为研究对象，假设标定系数A_ij变化ΔA_ij，那么Y向ΔF_y为：

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忽略高阶无穷小O(ΔA_ij)，则为主要因素，并假设侧向对4个主向的干扰系数相同，则敏感度分析模型如下所示：

第二步：建立球面垫圈与锥面垫圈的接触力的数学模型

设锥面垫圈半径为R，球面垫圈半径也为R；锥形垫圈刚度远大于球面垫圈，接触力F_s的作用点为球面垫圈与锥形垫圈壁的接触点A，那么锥面垫圈与球面垫圈在弧BAC产生F_s，B、C为受力后球面垫圈表面与锥形垫圈表面的交点；设OO₂和Z轴夹角为θ₂，O₂O'₂和Z轴夹角为θ₁，受力前锥形垫圈中心为O，受力后标定杆旋转不同角度时其中心分别为O₂和O'₂；基于坐标原理，标定杆中心与锥面垫圈中心向量为

标定杆与锥形垫圈壁的变形Δx为

设F_s与Z轴的夹角为λ，λ随不同象限中O′₂坐标变化而变化，λ与O′₂坐标关系式如下：

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基于胡克定律，锥面垫圈与球面垫圈的接触刚度为k，y向和z向在接触面上的接触力F_sy和F_sz为：

<mrow> <msub> <mi>F</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>y</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>k</mi> <mi>&Delta;</mi> <mi>x</mi> <mi> </mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&lambda;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>k</mi> <msqrt> <mrow> <msubsup> <mi>OO</mi> <mn>2</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msup> <mi>&rho;</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>OO</mi> <mn>2</mn> </msub> <mi>&rho;</mi> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&theta;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&theta;</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msqrt> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&lambda;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

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以下分析接触力F_ty和F_tz，球面垫圈和锥面垫圈在接触面变形Δx和实际变形Δx_t有以下等式关系，

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假设F_t指向O₃，且在接触时O₂、O′₂、O₃、A_i在同一平面内，在YOZ面内，实际接触力F_t与接触面接触力F_s方向相同，那么实际挤压力F_ty、F_tz为：

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则挤压力误差F_ty、F_tz就是Y、Z向的标定误差F_ye2、F_ze2；由于标定误差F_ye2、F_ze2为一个标准的椭圆域，当对主向加载力进行标定时，且当标定杆偏斜ρ足够小被忽略，输出力值F_y、F_z呈一个中心为[F_ze1,F_ye1]为中心的椭圆分布；

第三步：基于旋转标定法对火箭发动机推力矢量的标定

在发动机推力矢量不同工位的标定过程中，存在着测量系统固有误差、标定误差及旋转误差；为降低测量系统误差，消除标定系统误差，提高测试精度，易于分离和补偿误差；将标定传感器和标定杆同步旋转度，以此得到N个工位，然后进行标定加载实验，并对标定力加载时的损失与偏移机理进行探究，最后将N个工位的实验结果通过理论解算来消除标定系统误差，分离出了测量固有误差；

设标定杆和侧壁挤压力满足胡克定律，标定杆与侧壁的接触刚度为k，第i工位标定误差力为：

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基于第i工位标定误差力当转动N个工位时，误差力总误差为F_ty为：

<mrow> <msub> <mi>F</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>y</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <msubsup> <mi>F</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>y</mi> </mrow> <mi>i</mi> </msubsup> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>k</mi> <mi> </mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>45</mn> <mo>-</mo> <mi>&alpha;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>90</mn> <mo>+</mo> <mi>&alpha;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <msqrt> <mrow> <msubsup> <mi>OO</mi> <mn>2</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msup> <mi>&rho;</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>OO</mi> <mn>2</mn> </msub> <mi>&rho;</mi> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&Delta;</mi> <mi>&phi;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msqrt> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&lambda;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

由于每个工位转动度，其直接影响是否能消除，因此确定N十分关键；

若采用4工位加载，即N＝4，忽略高阶无穷小，则：

<mrow> <msub> <mi>F</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>y</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>k</mi> <mi> </mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>45</mn> <mo>-</mo> <mi>&alpha;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>90</mn> <mo>+</mo> <mi>&alpha;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>4</mn> </munderover> <msqrt> <mrow> <msubsup> <mi>OO</mi> <mn>2</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msup> <mi>&rho;</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>OO</mi> <mn>2</mn> </msub> <mi>&rho;</mi> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&Delta;</mi> <mi>&phi;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msqrt> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&lambda;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow>

由于F_ty＝F_ye2，测试总力则：