CN107860504B - 姿控发动机的准动态推力测量校准一体化装置 - Google Patents

Abstract

为了解决目前稳态推力特性测量和动态推力特性测量不能同时实现的技术问题，本发明提供了一种姿控发动机的准动态推力测量校准一体化装置，包括定架、安装座、传感器组件、切换组件、标定组件、电荷放大器、气缸控制系统、采集系统和数据处理系统；所述切换组件包括依次相接的切换气缸、切换环和传感器拉杆；切换环的一端与切换气缸的气缸拉杆相连，切换环的另一端与传感器拉杆的一端活动套接；传感器拉杆的另一端与所述应变传感器的中心柱在中心柱螺纹孔处螺纹连接；切换气缸动作带动切换环运动，使得切换环与传感器拉杆脱离或拉紧，实现应变传感器和压电传感器的切换，从而在一个测量装置中同时进行姿控发动机动态、稳态推力特性的测量。

Description

姿控发动机的准动态推力测量校准一体化装置

技术领域

本发明属于航天液体发动机试验技术领域，涉及一种姿控发动机准动态推力测量校准一体化装置。

背景技术

姿控发动机的工作模式分为长程和短时间脉冲形式，其中短时间脉冲形式的工作模式是进行精确姿态控制的前提。然而由于测量传感器的技术水平和姿控发动机研制技术限制，以往姿控发动机推力性能的主要指标是稳态推力水平。但是随着研制技术的发展，逐步对姿控发动机推力的动态特性测量精度提出了要求。

目前，应变式力传感器在国内外稳态推力测量领域中被广泛应用，其主要优点是结构简单、使用方便、性能稳定、可靠性高；易于实现过程自动化和多点同步测量、远距离测量；灵敏度高，响应速度也较高；静态精度高；低内阻输出；抗干扰性好；应用工艺技术较为成熟。但是，应变式力传感器的缺点是动态响应相对较差，需要后续对动态测量参数进行附加处理。

压电式传感器在动态推力测量系统中应用较多，其主要优点是动态特性好、刚度高、可实现无位移测量。但由于感应电荷的漂移，其静态精度较低，对稳态参数精度要求不高时可进行短时间的准静态测量，但对于长时间的稳态测量却无法进行。

尽管随着制造技术的提高，应变传感器自身的刚性和动态响应能力得到了不断提高，漂移量小的压电传感器研制也取得了一定的进展，但却未能见到一种能够同时进行较高精度的稳态推力和动态推力测量的装置，以满足在提高动态推力特性测量能力的同时保证较高精度的稳态推力测量精度这一市场需求。

发明内容

为了解决目前稳态推力特性测量和动态推力特性测量不能同时实现的技术问题，本发明提供了一种姿控发动机准动态推力测量校准一体化装置。

本发明的技术方案是：

姿控发动机的准动态推力测量校准一体化装置，其特殊之处在于：包括定架11、安装座21、传感器组件、切换组件、标定组件、电荷放大器、气缸控制系统、采集系统和数据处理系统；

所述定架11固定安装在所述安装座21上；所述安装座21用于实现定架11和姿控发动机试车台的连接；

所述传感器组件包括通过前固定法兰28同轴安装于所述定架11同侧的应变传感器14和压电传感器15；应变传感器14的受力面上安装有前标定法兰13，应变传感器14的中心柱26上开设有中心柱螺纹孔25；压电传感器15安装在所述前标定法兰13的中部外侧，压电传感器15的头部安装有试验转接板16；所述前标定法兰13上设置有多根防脱杆17，该防脱杆17穿过所述试验转接板16上对应的防脱孔，且二者之间不接触；所述试验转接板16的外侧采用锁紧螺母18锁紧进行防脱，锁紧螺母18与试验转接板16不接触；

所述切换组件包括依次相接的切换气缸8、切换环10和传感器拉杆19；所述切换气缸8通过切换气缸安装法兰7安装在所述定架11上，且与所述传感器组件相对设置；切换环10的一端与切换气缸8的气缸拉杆20相连，切换环10的另一端与传感器拉杆19的一端活动套接；传感器拉杆19的另一端与所述应变传感器14的中心柱26在中心柱螺纹孔25处螺纹连接；

所述标定组件包括所述前标定法兰13、后标定法兰5、标定气缸安装座23、标定气缸1、标准力传感器2和多根支撑杆22；后标定法兰5通过后固定法兰29安装在所述定架11外侧，与所述前标定法兰13相对设置；后标定法兰5和前标定法兰13之间通过多根标定拉杆9相连；所述多根支撑杆22的一端通过所述后固定法兰29固定安装在定架11外侧，另一端固定安装所述标定气缸安装座23；标定气缸安装座23与所述后标定法兰5平行设置；标定气缸1安装在标定气缸安装座23上；标准力传感器2安装在标定气缸1的头部，且通过标定拉绳4与所述后标定法兰5相连；

所述气缸控制系统用于控制所述切换气缸8和标定气缸1动作；

所述电荷放大器用于接收所述压电传感器15的电荷数据，并输出到所述采集系统；

所述采集系统用于采集所述标准力传感器、应变传感器14和电荷放大器的输出数据；

所述数据处理系统对采集系统采集的数据进行处理，获取姿控发动机稳态推力和动态推力。

进一步地，上述前标定法兰13和前固定法兰28之间设置有前弹簧片12。

进一步地，上述后标定法兰5和后固定法兰29之间设置有后弹簧片6。

进一步地，上述应变传感器14的中心柱26端面与应变传感器14的基体27间间隙大于应变传感器的最大设计量程的变形量，且小于过载保护压力值对应的变形量。

进一步地，上述切换环10为圆筒状，其与传感器拉杆19套接的一端开设有60°内锥孔30；传感器拉杆19与切换环10套接的一端具有与所述60°内锥孔相适配的锥面。

进一步地，上述标定拉绳4的两端均通过拉环3分别与标准力传感器2和后标定法兰5相连。

进一步地，上述防脱杆17有4根，所述支撑杆22有8根。

进一步地，上述标定拉绳4为钢丝绳。

进一步地，上述定架11和所述安装座21为一体件。

本发明的有益效果：

1、本发明通过切换组件实现稳态推力特性测量和动态推力特性测量的切换，从而在一个测量装置中同时实现姿控发动机动态、稳态推力特性的测量。

2、本发明考虑到应变传感器受外力和现场环境影响其测量精度会有所下降，因此在测量前先利用标定气缸和标准力传感器对应变传感器进行现场原位校准，以避免现场环境干扰(例如推进剂供应管路、测量线缆、真空环境及温度等)引起的测量误差，实现地面和真空模拟环境下发动机试验前后推力测量装置的自动校准。

3、本发明采用切换气缸作为切换组件的力源，采用标定气缸作为稳态标定的自动加载执行机构，具备现场原位的自动标定能力，以及试验过程中，根据不同的程序目的切换不同的测量传感器来实现高精度的测量数据。整个装置采用不锈钢为基体，对传感器周围采用水冷装置，能够适用于高温腐蚀性恶劣环境中的工作。

附图说明

图1是本发明准动态推力测量校准一体化装置的原理框图；

图2是本发明准动态推力测量装置的优选结构示意图；

图3是本发明切换组件的结构示意图；

图4是本发明应变传感器的结构示意图；

图5是本发明隔热装置的结构示意图；

图6是图5中A-A处剖视图。

图中标号：

1-标定气缸，2-标准力传感器，3-拉环，4-标定拉绳，5-后标定法兰，6-后弹簧片，7-切换气缸安装法兰，8-切换气缸，9-标定拉杆，10-切换环，11-定架，12-前弹簧片，13-前标定法兰，14-应变传感器，15-压电传感器，16-试验转接板，17-防脱杆，18-锁紧螺母，19-传感器拉杆，20-气缸拉杆，21-安装座，22-支撑杆，23-标定气缸安装座，24-隔热装置，25-中心柱螺纹孔，26-中心柱，27-基体，28-前固定法兰，29-后固定法兰，30-内锥孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1-3，本发明的姿控发动机的准动态推力测量校准一体化装置，包括定架11、安装座21、传感器组件、切换组件、标定组件、电荷放大器、气缸控制系统、采集系统、数据处理系统；

定架11固定安装在安装座21上；定架11用于安装和支撑其他各组件；安装座21用于实现定架11子和试车台的连接，并将作用力传递至试车台基础；

传感器组件包括通过前固定法兰同轴安装于定架11同侧的应变传感器14和压电传感器15；本实施例中压电传感器采用奇石乐9317C型传感器；应变传感器结构示意图如图4所示，应变传感器14的中心柱26上开设有螺纹孔，中心柱26端面与应变传感器14的基体27间间隙大于应变传感器的最大设计量程的变形量，且小于过载保护压力值对应的变形量，以保证推力测量精度。在应变传感器14的受力面上安装前标定法兰13；压电传感器15安装在前标定法兰13的中部外侧，压电传感器15的头部安装有试验转接板16；前标定法兰13上安装有4根防脱杆17，这4根防脱杆17穿过试验转接板16上对应的防脱孔，且防脱杆17和防脱孔之间不接触，以确保测量精度；试验转接板16的外侧采用锁紧螺母18锁紧防止试验转接板16脱落；为了进一步提高测量精度，在前标定法兰13和前固定法兰28之间设置前弹簧片12，通过前弹簧片12对标定组件进行精确定位，使标定组件不会横向移动而只能沿推力轴线方向作受力变形移动；

切换组件包括依次相接的切换气缸8、切换环10和传感器拉杆19；切换气缸8通过切换气缸安装法兰7固定安装在定架11上且与传感器组件相对设置，切换环10的一端与切换气缸8的气缸拉杆20螺纹连接，切换环10的另一端与传感器拉杆19的一端活动套接，传感器拉杆19的另一端与应变传感器14的中心柱螺纹孔25配合连接；为使切换过程更加平稳、快速，本实施例中，切换环10为圆筒状，其与传感器拉杆19套接的一端开设有60°内锥孔30，传感器拉杆19与切换环10套接的一端具有与所述60°内锥孔相适配的锥面。

标定组件包括前标定法兰13、后标定法兰5、标定气缸安装座23、标定气缸1、标准力传感器2和固定安装在定架外侧的8根支撑杆22；后标定法兰5通过后固定法兰29安装在定架11外侧，与前标定法兰13相对设置；后标定法兰5和前标定法兰13之间通过4根标定拉杆9相连以进行力的传递；标定气缸安装座23通过8根支撑杆22固定在定架11外侧，且与后标定法兰5平行设置；标定气缸1安装在标定气缸安装座23上；标准力传感器2安装在标定气缸1的头部，且通过标定拉绳4与后标定法兰5相连；同样，为了进一步提高测量精度，在后标定法兰5和后固定法兰29之间设置后弹簧片6，通过后弹簧片6对标定组件进行精确定位，使标定组件不会横向移动而只能沿推力轴线方向作受力变形移动；装配时可在后弹簧片6上下左右方向上粘贴应变片，通过对应变片的测量进行装配过程的工艺调整，从而保证前后法兰间的同轴度。

气缸控制系统用于控制切换气缸8和标定气缸1动作；使用时现场需提供2.5MPa的清洁气体；电荷放大器为压电传感器15配套装置，用于接收压电传感器15的电荷数据，并输出到采集系统；采集系统用于采集标准力传感器、应变传感器14和电荷放大器的输出数据；数据处理系统对采集系统采集的数据进行处理，获取姿控发动机稳态推力和动态推力。电荷放大器、气缸控制系统、采集系统、数据处理系统均为现有单元。

为了进一步提高测量精度，本发明还在采用了隔热装置24将传感器组件与高温环境进行隔离，该隔热装置24包括隔热层壳体和设置在隔热层壳体内的水冷套；隔热层内腔厚度至少为8mm以增加热容量；对隔热层壳体外表面进行抛光以增大热反射；水冷套对传感器组件周围环境进行强制冷却；本发明的隔热装置24可以避免热辐射和关机回火对推力测量的影响，将传感器组件的环境温度控制在25±1℃。其结构见图5和图6所示。

本发明的工作过程：

1、稳态标定：

控制标定气缸1头部移动，使力通过标定路线传递给应变传感器14表面向其施加压力，同时获得标准力传感器2和应变传感器14的输出；参照标准力传感器2的输出值获取应变传感器14的线性特性系数，从而完成测量系统的原位校准。

2、测量：

根据不同的程序需要选择应变传感器14或者压电传感器15进行不同推力特性的测量；具体为：

(1)当需要使用应变传感器14进行稳态推力测量时，控制切换气缸8动作使得切换环10向前运动，使切换环10与传感器拉杆19脱离，此时应变传感器14处于工作状态；当发动机工作时，压电传感器15作为推力传递过程中一个刚性件，将推力值传递到应变传感器14测量端面上，从而获得稳态推力数据。

(2)当需要使用压电传感器15进行动态推力测量时，控制切换气缸8动作使得切换环10与传感器拉杆19拉紧，使应变传感器14的中心柱26下端面与基体27上端面接触贴紧(如图4所示)，持续的拉力使应变传感器14成为一个刚性件，为压电传感器15工作提供一个刚性的基础；在发动机以短时间脉冲形式工作时，压电传感器15能够完全接受到推力的变化状态，而不会因为发生力的传递将部分力值传递到应变传感器14上而影响对动态特性的测量。

本发明所提供的准动态推力测量校准一体化装置理适用与任何推力范围的姿控发动机，实际应用时根据姿控发动机推力范围合理设置装置的结构尺寸、选择装置零部件的材料即可。本实施例中，装置结构中的非标件(除传感器外)材料采用1Cr18Ni9Ti，适用于25～600N姿控发动机。

Claims (5)

1.姿控发动机的准动态推力测量校准一体化装置，其特征在于：包括定架(11)、安装座(21)、传感器组件、切换组件、标定组件、电荷放大器、气缸控制系统、采集系统和数据处理系统；

所述定架(11)固定安装在所述安装座(21)上；所述安装座(21)用于实现定架(11)和姿控发动机试车台的连接；

所述传感器组件包括通过前固定法兰(28)同轴安装于所述定架(11)同侧的应变传感器(14)和压电传感器(15)；应变传感器(14)的受力面上安装有前标定法兰(13)，应变传感器(14)的中心柱(26)上开设有中心柱螺纹孔(25)；压电传感器(15)安装在所述前标定法兰(13)的中部外侧，压电传感器(15)的头部安装有试验转接板(16)；所述前标定法兰(13)上设置有多根防脱杆(17)，该防脱杆(17)穿过所述试验转接板(16)上对应的防脱孔，且二者之间不接触；所述试验转接板(16)的外侧采用锁紧螺母(18)锁紧进行防脱，锁紧螺母(18)与试验转接板(16)不接触；

所述切换组件包括依次相接的切换气缸(8)、切换环(10)和传感器拉杆(19)；所述切换气缸(8)通过切换气缸安装法兰(7)安装在所述定架(11)上，且与所述传感器组件相对设置；切换环(10)的一端与切换气缸(8)的气缸拉杆(20)相连，切换环(10)的另一端与传感器拉杆(19)的一端活动套接；传感器拉杆(19)的另一端与所述应变传感器(14)的中心柱(26)在中心柱螺纹孔(25)处螺纹连接；

所述标定组件包括所述前标定法兰(13)、后标定法兰(5)、标定气缸安装座(23)、标定气缸(1)、标准力传感器(2)和多根支撑杆(22)；后标定法兰(5)通过后固定法兰(29)安装在所述定架(11)外侧，与所述前标定法兰(13)相对设置；后标定法兰(5)和前标定法兰(13)之间通过多根标定拉杆(9)相连；所述多根支撑杆(22)的一端通过所述后固定法兰(29)固定安装在定架(11)外侧，另一端固定安装所述标定气缸安装座(23)；标定气缸安装座(23)与所述后标定法兰(5)平行设置；标定气缸(1)安装在标定气缸安装座(23)上；标准力传感器(2)安装在标定气缸(1)的头部，且通过标定拉绳(4)与所述后标定法兰(5)相连；

所述气缸控制系统用于控制所述切换气缸(8)和标定气缸(1)动作；

所述电荷放大器用于接收所述压电传感器(15)的电荷数据，并输出到所述采集系统；

所述采集系统用于采集所述标准力传感器、应变传感器(14)和电荷放大器的输出数据；

所述数据处理系统对采集系统采集的数据进行处理，获取姿控发动机稳态推力和动态推力；

所述前标定法兰(13)和前固定法兰(28)之间设置有前弹簧片(12)；

所述后标定法兰(5)和后固定法兰(29)之间设置有后弹簧片(6)；

所述应变传感器(14)的中心柱(26)端面与应变传感器(14)的基体(27)间间隙大于应变传感器的最大设计量程的变形量，且小于过载保护压力值对应的变形量；

所述切换环(10)为圆筒状，其与传感器拉杆(19)套接的一端开设有60°内锥孔(30)；传感器拉杆(19)与切换环(10)套接的一端具有与所述60°内锥孔相适配的锥面。

2.根据权利要求1所述的姿控发动机的准动态推力测量校准一体化装置，其特征在于：所述标定拉绳(4)的两端均通过拉环(3)分别与标准力传感器(2)和后标定法兰(5)相连。

3.根据权利要求2所述的姿控发动机的准动态推力测量校准一体化装置，其特征在于：所述防脱杆(17)有4根，所述支撑杆(22)有8根。

4.根据权利要求3所述的姿控发动机的准动态推力测量校准一体化装置，其特征在于：所述标定拉绳(4)为钢丝绳。

5.根据权利要求4所述的姿控发动机的准动态推力测量校准一体化装置，其特征在于：所述定架(11)和所述安装座(21)为一体件。

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