CN108535037A - 一种模拟火箭分离半实物实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟火箭分离半实物实验平台，包含整体框架结构、加载装置、传动装置和缓冲装置。加载装置包括加载平台和力加载组件，加载平台用于分离导向装置的安装、固定和对心。力加载组件，用于在安装测试实验件时提供方便以及模拟在测试各种分离情况时相应的环境参数。传动装置由移动滑台组件和抱紧环组成。移动滑台组件用于实现分离导向机构分离运动的运动模拟，抱紧环的作用是固定火箭壳体。缓冲装置利用阻尼器使试验件缓冲减速，防止试验件冲击框架结构。本发明填补了火箭分离纯计算机数值仿真方法的不足，克服了火箭分离实验无法提供真实环境参数的缺点。本发明可实现模拟火箭多种推力失效组合情况下的分离实验。

Description

一种模拟火箭分离半实物实验平台

技术领域

本发明涉及一种模拟火箭分离半实物实验平台，属于火箭分离技术领域。

背景技术

现在常用的多级火箭从尾部第一级火箭开始，每级火箭燃料用完后自动脱落，同时下一级火箭发动机点火工作。分离过程中，脱离级火箭受力复杂，存在不完全分离或分离失败的情况，这将对上级火箭以及整个运载火箭产生很大干扰甚至导致发射失败。因此，对火箭分离过程的测试尤为重要。

火箭分离模拟试验可以模拟火箭分离时的各种运动情况以及受力情况，在航天领域有着广泛的需求，主要应用于检测火箭分离机构对于各种突发情况的性能适应性，各部件可靠性等，并且可以指导火箭分离机构的优化设计。

对于火箭分离过程的模拟实验，目前转要采用计算机数值仿真的方法，对火箭分离过程进行动力学建模，采用预设的动力学模型和外扰动力学模型计算出火箭分离过程的运动状态，数值模拟的方法在一定程度上可以模拟火箭分离过程，但是对于火箭在分离过程中具有随机性和不确定性的情况下，数值模拟的方法与真实的分离过程则存在一定的差别。而本发明一种模拟火箭分离的半实物仿真系统，可以在地面上进行火箭分离实验，进行分离性能测试，填补了上述技术的不足。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺点而提供一种模拟火箭分离半实物实验平台,填补了火箭分离纯计算机数值仿真方法的不足，克服了火箭分离实验无法提供真实环境参数的缺点。基于该半实物试验平台，可实现模拟火箭多种推力失效组合情况下的分离实验。

本发明的目的是这样实现的：包括总体框架结构、设置在总体框架结构左侧面的加载装置、设置在总体框架结构内的上下左右四个面上的四个传动装置、设置在总体框架结构右侧面的缓冲装置，所述加载装置包括设置在总体框架结构内底上的一对支撑结构、设置在支撑结构上的直线作动器、设置在直线作动器输出端的力传感器、与力传感器连接的连接结构、设置在两个连接结构之间的加载平台、设置在加载平台上的分离机构承载架、对称设置在分离机构承载架端部的四个分离导向机构；

每个传动装置包括设置在总体框架上的安装座、安装在安装座上的电机、安装在电机输出端的主动轮、设置在安装座上的从动轮、设置在主动轮与从动轮之间的同步带、设置在安装座上的导轨、安装在导轨上的两个滑块、同时与两个滑块固连的基座、设置在基座上的容差连接机构，容差连接机构的底端通过螺栓连接抱紧环，抱紧环设置在火箭壳体外表面且火箭壳体内表面与分离机构承载架及分离导向机构接触。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述缓冲装置有四个，分别对称设置在总体框架结构的右侧面上。

2.所述容差连接机构包括设置在基座中间位置的直线轴承、设置在直线轴承内的石墨衬套、设置在石墨衬套内的可上下移动和转动的滑动杆、设置在滑动杆下端的力传感器、与力传感器下端连接的连接板、安装在连接板上的两个光轴基座、安装在两个光轴基座之间的光轴，光轴的两端通过轴承座安装在底座上，所述滑动杆的上端设置顶盖且顶盖与基座的上端面固连，所述基座的下端面还依次设置有齿条和压板，且同步带位于齿条和压板之间，每个底座通过连接螺栓与抱紧环连接。

3.在每个基座的两端还分别设置有一限位机构，限位机构包括与基座下端面固连的限位基座、与限位基座固连的支撑杆、设置在支撑杆下端的限位头和缓冲垫，所述缓冲垫与火箭壳体接触。

4.所述抱紧环包括四段通过螺栓连接的圆弧环，每段圆弧环的内表面均匀设置有与火箭壳体外表面接触的垫块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)可以根据模拟要求，通过调整加载力以及力矩的大小。实现对火箭分离过程中的各种火箭失效时的运动情况的模拟。(2)根据不同的分离导向机构，只需更换实验件的分离导向机构。可以完成对多种分离导向机构的性能测试。(3)采用半实物仿真技术，通过真实的物理实验与数学仿真联系在一起进行实验，可以得到更加接近真实的实验数据。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2、3均为本发明加载装置结构示意图；

图4为本发明传动装置结构示意图；

图中标号：1、缓冲装置，2、总体框架结构，3、传动装置，4、火箭壳体，5、加载装置，6、分离导向机构，7、分离机构承载架，8、加载平台，9、支撑结构，10、力传感器，11、连接结构，12、直线作动器，13、从动轮，14、垫块，15、限位机构，16、导轨，17、皮带，18、主动轮，19、电磁刹车，20、减速器，21、电机，22、容差连接结构，23、连接螺栓，24、1/4抱紧环，25、传动装置。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，火箭分离半实物试验平台主要由缓冲装置1、总体框架结构2、传动装置3、火箭壳体4和加载装置5组成。其中，总体框架结构2主要是由两侧竖直桁架及底部支撑桁架通过螺栓组链接构成，其中4组缓冲装置1，分别安装在总体框架结构2的右侧的4根工字钢中心，4组传动装置3安装在总体框架结构2的中间部位，加载装置5固定在总体框架结构2的左侧部位，火箭壳体4安装在分离机构承载架7上。

如图2和图3所示的为加载装置，该装置包括分离导向机构6、分离机构承载架7、加载平台8、支撑结构9、力传感器10、连接装置11以及直线作动器12。直线作动器12通过与支撑结构9连接，固定在总体框架结构2底部平台上。力传感器10直接与直线作动器12相连接，可以实时测量直线作动器输出的力，再通过连接结构11与加载平台8相连接，分离导向机构6安装在分离机构承载架7上，并通过夹具与加载平台8固定。

如图4所示的为传动装置，该装置主要由从动轮13、垫块14、限位机构15、导轨16、皮带17、主动轮18、电磁刹车19、减速器20、电机21、容差连接结构22、连接螺栓23、1/4抱紧环24组成。传动装置25有4组，分别安装在总体框架结构2的上下左右4个方位。传动装置25由导轨16、皮带17、主动轮18、电磁刹车19、减速器20、电机21、容差连接结构22构成，电机21通过与减速器20连接产生大转矩，带动主动轮18从而带动皮带17和从动轮13运动，电机、主动轮、从动轮和同步带等构成移动滑台组件，且通过容差连接结构22将传动装置25与抱紧环进行连接，进而带动火箭壳体4进行分离运动。4片1/4抱紧环24通过链接螺栓23链接，用于对火箭壳体4进行抱紧，并在抱紧环内侧安装多组垫块14增加与火箭壳体4的摩擦力。每组容差连接机构22都包含两组限位机构15，限位机构15可以用于稳定火箭壳体4。通过传动装置25带动火箭壳体4在导轨16上运动。

实施方案一：本发明在进行模拟火箭分离试验时，可通过调整位于加载平台两端，力加载组件的两组直线作动器装置，让火箭试验件处于自然水平，位于机构的中心位置。控制4组传动装置以相同的速度同步运动，实现模拟火箭无故障分离试验。

实施方案二：在实施方案一的基础上，通过改变两组直线作动器装置上的力，调整试验件的相对位置，改变4组导轨滑块机构受到的正压力，进而改变其运动过程中的摩擦力，以此来实现模拟火箭分离过程中两级火箭产生偏差的情况。

实施方案三：在实施方案一的基础上，通过对4组传动装置的传动速度进行调整，使某一组或多组传动装置的传动速度下降，可以模拟火箭分离过程中某一组或多组火箭推力减小的情况。

实施方案四：在实施方案一的基础上，为模拟火箭分离过程中推力火箭失效的情况，可以通过断开抱紧环与传动装置的链接，以使相应的传动装置停止工作来完成模拟试验操作。

实施方案五：在前面四种实施方案的基础上，可以通过多种方案操作，改变2组直线作动器上的力，并且改变4组传动装置的运行情况以及运转速度，实现模拟多情况耦合下的火箭分离实验。

本发明模拟火箭运动时推力大小的改变过程为：推力施加是通过4组直线模组的同步带的运动来实现的，通过调整直线模组驱动端的伺服电机，可以改变施加在实验件上的驱动力，根据不同的实验件，可以根据实验件的重量来调整实验所需要的推力大小。

综上，本发明提供一种模拟火箭分离半实物试验平台，包含整体框架(桁架)结构，加载装置、传动装置和缓冲装置。整体桁架结构用于安装与固定各结构组件、测试试件、限制整体实验台大小、以及保证测试时的实验台的稳定性与安全性。加载装置包括加载平台和力加载组件。加载装置由加载平台和力加载组件组成，加载平台用于分离导向装置的安装、固定和对心。力加载组件，用于在安装测试实验件时提供方便，以及模拟在测试各种分离情况时相应的环境参数。传动装置由移动滑台组件和抱紧环组成。移动滑台组件，用于实现分离导向机构分离运动的运动模拟。抱紧环的作用是固定火箭壳体。缓冲装置利用阻尼器使试验件缓冲减速，防止试验件冲击桁架结构。

整体桁架结构主要是由两侧竖直桁架及底部支撑桁架构成，搭建桁架所用材料主要为H型钢，桁架结构中较大的连接部分多为螺栓组连接，这样做的目的是为了方便运输、安装和拆卸。桁架中预留有移动滑台组件、力加载组件等组件的安装位置。桁架一端设计为门型架，以方便实验时安装分离导向装置及操作人员的进出。

力加载组件主要包括直线作动器、关节轴承、加载平台和工装夹具。其中，力加载结构设计为，力通过直线运动作动器作用在加载平台上，进而作用到分离导向机构上。两台直线作动器对称安装在加载平台两侧，通过力的矢量合成，模拟分离过程中径向载荷和转矩。

加载平台是为了方便测试不同类型的分离导向机构，加载平台组件针对不同结构形式的分离导向机构只需更换工装夹具，安装所需要测试的分离导向机构，就可以实现针对不同类型的分离导向机构的火箭分离模拟试验。

移动滑台组件由导轨、滑块、同步带、伺服电机、限位机构及若干连接件组成。火箭的分离运动，是由伺服电机带轮和同步带带动滑块沿导轨运动，而实验件通过抱紧环的固定与滑块链接，从而实现模拟火箭分离运动。限位机构起限位的作用，防止被测机构在运动过程中发生较大倾斜，避免被测机构与工装台发生碰撞。

4组移动滑台组件中的导轨与火箭试验件轴线平行，以该轴线为中心，90°为夹角，均匀布置在火箭试验件正上、正前、正下和正后方位。

以4组移动滑台组件模拟火箭周围的4个推进器，以此对火箭4个推进器的失效状态进行模拟分析。

以下各组件在整体桁架结构中按顺序排列，由左至右为：加载装置、传动装置、缓冲装置。

Claims (9)

1.一种模拟火箭分离半实物实验平台，其特征在于：包括总体框架结构、设置在总体框架结构左侧面的加载装置、设置在总体框架结构内的上下左右四个面上的四个传动装置、设置在总体框架结构右侧面的缓冲装置，所述加载装置包括设置在总体框架结构内底上的一对支撑结构、设置在支撑结构上的直线作动器、设置在直线作动器输出端的力传感器、与力传感器连接的连接结构、设置在两个连接结构之间的加载平台、设置在加载平台上的分离机构承载架、对称设置在分离机构承载架端部的四个分离导向机构；

每个传动装置包括设置在总体框架上的安装座、安装在安装座上的电机、安装在电机输出端的主动轮、设置在安装座上的从动轮、设置在主动轮与从动轮之间的同步带、设置在安装座上的导轨、安装在导轨上的两个滑块、同时与两个滑块固连的基座、设置在基座上的容差连接机构，容差连接机构的底端通过螺栓连接抱紧环，抱紧环设置在火箭壳体外表面且火箭壳体内表面与分离机构承载架及分离导向机构接触。

2.根据权利要求1所述的一种模拟火箭分离半实物实验平台，其特征在于：所述缓冲装置有四个，分别对称设置在总体框架结构的右侧面上。

3.根据权利要求1或2所述的一种模拟火箭分离半实物实验平台，其特征在于：所述容差连接机构包括设置在基座中间位置的直线轴承、设置在直线轴承内的石墨衬套、设置在石墨衬套内的可上下移动和转动的滑动杆、设置在滑动杆下端的力传感器、与力传感器下端连接的连接板、安装在连接板上的两个光轴基座、安装在两个光轴基座之间的光轴，光轴的两端通过轴承座安装在底座上，所述滑动杆的上端设置顶盖且顶盖与基座的上端面固连，所述基座的下端面还依次设置有齿条和压板，且同步带位于齿条和压板之间，每个底座通过连接螺栓与抱紧环连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种模拟火箭分离半实物实验平台，其特征在于：在每个基座的两端还分别设置有一限位机构，限位机构包括与基座下端面固连的限位基座、与限位基座固连的支撑杆、设置在支撑杆下端的限位头和缓冲垫，所述缓冲垫与火箭壳体接触。

5.根据权利要求3所述的一种模拟火箭分离半实物实验平台，其特征在于：在每个基座的两端还分别设置有一限位机构，限位机构包括与基座下端面固连的限位基座、与限位基座固连的支撑杆、设置在支撑杆下端的限位头和缓冲垫，所述缓冲垫与火箭壳体接触。

6.根据权利要求1或2所述的一种模拟火箭分离半实物实验平台，其特征在于：所述抱紧环包括四段通过螺栓连接的圆弧环，每段圆弧环的内表面均匀设置有与火箭壳体外表面接触的垫块。

7.根据权利要求3所述的一种模拟火箭分离半实物实验平台，其特征在于：所述抱紧环包括四段通过螺栓连接的圆弧环，每段圆弧环的内表面均匀设置有与火箭壳体外表面接触的垫块。

8.根据权利要求4所述的一种模拟火箭分离半实物实验平台，其特征在于：所述抱紧环包括四段通过螺栓连接的圆弧环，每段圆弧环的内表面均匀设置有与火箭壳体外表面接触的垫块。

9.根据权利要求5所述的一种模拟火箭分离半实物实验平台，其特征在于：所述抱紧环包括四段通过螺栓连接的圆弧环，每段圆弧环的内表面均匀设置有与火箭壳体外表面接触的垫块。