CN107870053A - 一种姿控发动机推力测量装置 - 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推力测量装置，包括定架、由同轴设置的应变传感器和压电传感器组成的传感器组件、切换组件、电荷放大器、气缸控制系统、采集系统和数据处理系统；其中，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

一种姿控发动机推力测量装置

技术领域

本发明涉及一种姿控发动机推力测量装置。

背景技术

姿控发动机大量的工作是以大量脉冲及短长程点火为主要工作模式。在精确的姿态控制过程中，主要是以短脉冲的形式工作。在提高控制精度的要求下，对于姿控发动机推力测量，不仅仅只关心发动机工作时的稳态推力值，也需关心发动机脉冲点火时的推力动态特性。而在目前姿控发动机的推力测量方式中，稳态推力测量和动态推力测量是分开进行的，并且主要以稳态推力测量为主。

稳态推力测量主要应用的是应变传感器，其突出特点是静态精度高，应用工艺成熟，但是由于其自身的机理缺陷，应变传感器的动态响应差，对于发动机的动态特性测量需对参数作进一步处理。在动态推力测量系统中应用较多的是压电传感器，其突出优点是动态特性好，刚度高，可实现无位移测量。但由于电荷的泄漏，静态测量精度较低，并且对稳态测量的时间限制较大，短时间内还可以保证一定的可接受精度。

尽管随着传感器技术的发展，应变传感器和压电传感器制造技术不断发展提高，应变传感器在向动态响应特性方面提高，压电传感器也在不断研究减少电荷漂移量的措施，用于稳态测量的时间不断延长，精度也在不断提高。但是目前还未有一种推力测量装置能够同时满足姿控发动机稳态推力特性和动态推力特性测量的要求。

发明内容

为了实现在一次热试车中实现对姿控发动机推力稳态特性和动态特性的测量，本发明提供了一种姿控发动机推力测量装置。

本发明的技术解决方案是：

一种姿控发动机推力测量装置，其特殊之处在于：

包括定架4、传感器组件、切换组件、电荷放大器、气缸控制系统、采集系统、数据处理系统；

所述传感器组件包括通过固定法兰17同轴安装于所述定架4同侧的应变传感器6和压电传感器7；应变传感器6的受力面上安装有转接法兰5，应变传感器6的中心柱15上开设有螺纹孔14；压电传感器7安装在转接法兰5的中部外侧，压电传感器7的头部安装有试验转接板8；所述转接法兰5上设置有防脱杆9，防脱杆9穿过试验转接板8上对应的防脱孔且二者之间不接触；所述试验转接板8的外侧采用锁紧螺母10锁紧进行防脱，锁紧螺母10与试验转接板8不接触；

所述切换组件包括依次相接的切换气缸2、切换环3和传感器拉杆11；所述切换气缸2通过切换气缸安装法兰1安装在所述定架4上，且与所述传感器组件相对设置；切换环3的一端与切换气缸的气缸拉杆12相连，切换环3的另一端与传感器拉杆11的一端活动套接；传感器拉杆11的另一端与所述应变传感器6的中心柱15通过螺纹孔14螺纹连接；

所述气缸控制系统用于控制所述切换气缸动作；

所述电荷放大器用于接收所述压电传感器7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应变传感器6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，上述应变传感器6的中心柱15端面与应变传感器6压力正方向上的基体16间间隙大于应变传感器6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3为圆筒状，其与传感器拉杆11套接的一端开设有60°内锥孔18；传感器拉杆11与切换环3套接的一端具有与所述60°内锥孔18相适配的锥面。

进一步地，上述转接法兰5和固定法兰17之间设置有弹簧片19；弹簧片19的内圆与转接法兰5连接固定，外圆与固定法兰17连接固定。

进一步地，上述传感器组件外部设置有隔热装置13。

进一步地，上述防脱杆9有4根。

进一步地，上述切换气缸2为10KN气动缸。

本发明的有益效果：

1、本发明能实现姿控发动机应变传感器和压电传感器的快速切换，从而能够在一次试车中实现姿控发动机推力稳态特性和动态特性的准确测量。

2、本发明的力源使用气动缸，清洁可靠，气源容易获得，大量级的拉力容易实现。

3、切换结构简单可靠，操作简便，切换过程迅速稳妥。

4、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本发明姿控发动机推力测量装置的原理框图；

图2是本发明姿控发动机推力测量装置机械结构部分的示意图；

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是本发明隔热装置结构示意图；

图6为图5中A-A处剖视图；

图中标号：1-切换气缸安装法兰，2-切换气缸，3-切换环，4-定架，5-转接法兰，6-应变传感器，7-压电传感器，8-试验转接板，9-防脱杆，10-锁紧螺母，11-传感器拉杆，12-气缸拉杆，13-隔热装置，14-螺纹孔，15-中心柱，16-基体，17-固定法兰，18-内锥孔，19-弹簧片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

参见图1-4，本发明的姿控发动机推力测量装置，包括定架4、传感器组件、切换组件、电荷放大器、气缸控制系统、采集系统、数据处理系统；

定架4用于安装和支撑其他各组件，并用于实现推力测量装置和试车台的连接，将作用力传递至试车台基础；

所述传感器组件包括通过固定法兰17同轴安装于所述定架4同侧的应变传感器6和压电传感器7；本实施例中压电传感器7采用奇石乐9317C型传感器；应变传感器6结构示意图如图4所示；应变传感器6的受力面上安装有转接法兰5，应变传感器6的中心柱上开设有螺纹孔14；压电传感器7安装在所述转接法兰5的中部外侧，压电传感器7的头部安装有试验转接板8；转接法兰5上设置有防脱杆9(本实施例共4根防脱杆)，防脱杆9穿过试验转接板8上对应的防脱孔，且二者之间不接触；试验转接板8的外侧采用锁紧螺母10锁紧进行防脱，锁紧螺母10与试验转接板8不接触，以确保测量精度；转接法兰5通过螺栓与弹簧片19的内圆连接；弹簧片19的外圆与固定法兰17连接固定；弹簧片19的作用是可以保证应变传感器只受轴向推力，防止应变传感器受损。

切换组件包括依次相接的切换气缸2、切换环3和传感器拉杆11；切换气缸2通过切换气缸安装法兰1固定安装在定架4上且与传感器组件相对设置，切换环3的一端与切换气缸的气缸拉杆12螺纹连接，切换环3的另一端与传感器拉杆11的一端活动套接，传感器拉杆11的另一端与应变传感器6的中心柱上的螺纹孔14配合连接；为使切换过程更加平稳、快速，本实施例切换环3为圆筒状，其与传感器拉杆11套接的一端开设有60°内锥孔18；传感器拉杆11与切换环3套接的一端具有与所述60°内锥孔18相适配的锥面。

气缸控制系统用于控制切换气缸2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7配套装置，用于接收压电传感器7的电荷数据，并输出到采集系统；采集系统用于采集应变传感器6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。气缸控制系统、采集系统、数据处理系统、电荷放大器均为现有单元。

为了进一步提高测量精度，本发明还在采用了隔热装置13将传感器组件与高温环境进行隔离，该隔热装置13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13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：

根据不同的程序需要选择应变传感器6或者压电传感器7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6进行稳态推力测量时，控制切换气缸动作使得切换环3向前运动，使切换环3与传感器拉杆11脱离，此时应变传感器6处于工作状态；当发动机工作时，压电传感器7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6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7进行动态推力测量时，控制切换气缸动作使得切换环3与传感器拉杆11拉紧，使应变传感器6的中心柱下端面与基体16上端面接触贴紧(如图4所示)，持续的拉力使应变传感器6成为一个刚性件，为压电传感器7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7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6上而影响对动态特性的测量。

本发明所提供的推力测量装置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10～1000N姿控发动机。

Claims (7)

1.一种姿控发动机推力测量装置，其特征在于：

包括定架(4)、传感器组件、切换组件、电荷放大器、气缸控制系统、采集系统、数据处理系统；

所述传感器组件包括通过固定法兰(17)同轴安装于所述定架(4)同侧的应变传感器(6)和压电传感器(7)；应变传感器(6)的受力面上安装有转接法兰(5)，应变传感器(6)的中心柱(15)上开设有螺纹孔(14)；压电传感器(7)安装在转接法兰(5)的中部外侧，压电传感器(7)的头部安装有试验转接板(8)；所述转接法兰(5)上设置有防脱杆(9)，防脱杆(9)穿过试验转接板(8)上对应的防脱孔且二者之间不接触；所述试验转接板(8)的外侧采用锁紧螺母(10)锁紧进行防脱，锁紧螺母(10)与试验转接板(8)不接触；

所述切换组件包括依次相接的切换气缸(2)、切换环(3)和传感器拉杆(11)；所述切换气缸(2)通过切换气缸安装法兰(1)安装在所述定架(4)上，且与所述传感器组件相对设置；切换环(3)的一端与切换气缸的气缸拉杆(12)相连，切换环(3)的另一端与传感器拉杆(11)的一端活动套接；传感器拉杆(11)的另一端与所述应变传感器(6)的中心柱(15)通过螺纹孔(14)螺纹连接；

所述气缸控制系统用于控制所述切换气缸动作；

所述电荷放大器用于接收所述压电传感器(7)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应变传感器(6)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。

2.根据权利要求1所述的姿控发动机推力测量装置，其特征在于：所述应变传感器(6)的中心柱(15)端面与应变传感器(6)压力正方向上的基体(16)间间隙大于应变传感器(6)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。

3.根据权利要求1或2所述的姿控发动机推力测量装置，其特征在于：所述切换环(3)为圆筒状，其与传感器拉杆(11)套接的一端开设有60°内锥孔(18)；传感器拉杆(11)与切换环(3)套接的一端具有与所述60°内锥孔(18)相适配的锥面。

4.根据权利要求3所述的姿控发动机推力测量装置，其特征在于：所述转接法兰(5)和固定法兰(17)之间设置有弹簧片(19)；弹簧片(19)的内圆与转接法兰(5)连接固定，外圆与固定法兰(17)连接固定。

5.根据权利要求4所述的姿控发动机推力测量装置，其特征在于：所述传感器组件外部设置有隔热装置(13)。

6.根据权利要求5所述的姿控发动机推力测量装置，其特征在于：所述防脱杆(9)有4根。

7.根据权利要求6所述的姿控发动机推力测量装置，其特征在于：所述切换气缸(2)为10KN气动缸。