CN109192041A - 一种分离导向机构半实物仿真系统 - Google Patents
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Abstract
一种分离导向机构半实物仿真系统，包括工装台架、上一级发动机模拟边界、下一级壳段、分离运动加载系统、载荷加载系统、分离运动控制系统和分离运动数据采集系统。上一级发动机模拟边界固定在工装台架上，下一级壳段与上一级发动机模拟边界通过分离导向机构实现套接。分离运动加载系统控制下一级壳段与上一级发动机模拟边界分离。载荷加载系统为下一级壳段提供恶劣的附加载荷。分离运动控制系统向分离运动加载系统提供分离信号，向载荷加载系统提供载荷加载信号。分离运动数据采集系统对分离运动过程中的数据进行采集和分析，对分离导向机构的分离运动特性进行分析和评估。本发明提高了研制效率，缩短了研制周期，降低了试验成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种分离导向机构半实物仿真系统，属于航天分离导向机构试验仿真验证技术领域。
背景技术
目前，航天有效载荷的飞行任务通常是通过多级运载火箭的发射来实现的，多级运载火箭的上一级发动机与下一级壳段之间的连接、分离是一个重要的结构功能要素。上一级发动机与下一级壳段一般以轴向对接的形式进行连接，并且上一级发动机具有的尺寸较大的喷管，包裹在下一级壳段内部。当下一子级飞行任务完成时，上一级发动机与下一级壳段进行分离。在分离过程中，下一级壳段内部的多组分离火箭提供分离动力，同时为避免下一级壳段与上一级发动机喷管出现接触与碰撞，通常设置有多组分离导向机构对分离运动进行辅助导向。在多组分离导向装置的共同作用下，将下一级壳段的分离运动轨迹进行轴向与周向约束，保证安全分离。在多级运载火箭的设计过程中，分离导向结构的试验验证是考核设计方案的重要手段，也是研制过程中的必要手段。
传统上解决以上需求，一般在空旷安全的户外，以“真实产品+多组分离火箭同时点火”的形式提供分离动力进行试验验证，存在占用场地面积大、准备周期长、试验成本高、验证方案一旦不成功出现设计反复与试验反复等问题，严重影响研制进度和设计效率。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术不足，提供一种分离导向机构半实物仿真系统，代替现有1:1实物试验，提高研制效率、缩短研制周期、降低试验成本。
本发明的技术解决方案是：
一种分离导向机构半实物仿真系统，包括工装台架、上一级发动机模拟边界、下一级壳段、分离运动加载系统、载荷加载系统、分离运动控制系统和分离运动数据采集系统；
上一级发动机模拟边界固定在工装台架上，下一级壳段与上一级发动机模拟边界通过分离导向机构实现套接；
分离运动加载系统：接收到分离运动控制系统的分离信号后，控制下一级壳段与上一级发动机模拟边界分离，以模拟分离火箭作用下的分离运动；
载荷加载系统：接收到分离运动控制系统的载荷加载信号后，为下一级壳段提供恶劣的附加载荷；
分离运动控制系统：向分离运动加载系统提供分离信号，分离过程中，向载荷加载系统提供载荷加载信号；
分离运动数据采集系统：用于对分离运动过程中分离速度、位移、分离摩擦力和接触应力进行采集和分析，对分离导向机构的分离运动特性进行分析和评估，为系统方案的评价提供依据。
所述分离导向机构有四组，沿下一级壳段周向均布。
每组分离导向机构均包括长导轨和导向滑块，所述导向滑块位于上一级发动机模拟边界外壁上，长导轨位于下一级壳段内壁上，导向滑块上开有凹槽，长导轨形状与导向滑块的凹槽相匹配，且能够沿导向滑块实现轴向滑移。
长导轨与导向滑块的凹槽之间存在间隙，间隙为1mm‐3mm。
分离运动加载系统包括四组沿下一级壳段外壁周向均布的电机模块，用于为下一级壳段提供分离推力。
所述每组电机模块包括伺服电机、同步带和运动块；伺服电机安装在工装台架上，伺服电机的输入端用于接收分离运动控制系统的分离信号，伺服电机的运动输出端与同步带连接，同步带与下一级壳段轴向平行，运动块一端固定在同步带上，另一端固定在下一级壳段外壁上。
分离运动控制系统还能够模拟一组或多组电机模块控制失效的故障模式，通过设置故障模式，实现分离导向机构在不同故障模式下工作特性的考核。
所述载荷加载系统包括两组直线电机模块，且两组直线电机模块输出端间隔180°固定在下一级壳段外壁上；
所述载荷加载系统通过两组直线电机模块的拉伸运动，实现对下一级壳段加载周向扭矩或径向力。
还包括分离运动监控系统，所述分离运动监控系统包括上位机和高速摄影模块，高速摄影模块用于对分离运动过程中下一级壳段的运动姿态、运动状态进行监测，将监测数据返回给上位机；上位机根据监测数据对分离导向机构的分离运动特性进行分析和评估，为系统方案的评价提供依据。
还包括分离运动保护系统，所述分离运动保护系统安装在工装台架上，以减少分离过程中下一级壳段与工装台架的碰撞损伤。
所述分离运动保护系统包括多个防撞缓冲装置，所述防撞缓冲装置由弹性阻尼缓冲器组成，利用自身的弹性胶体粘滞阻尼实现缓冲。
工装台架1上能够安装不同接口尺寸的上一级发动机模拟边界。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明通过分离运动加载系统真实模拟火箭分离时的推力，从而真实模拟壳段与发动机之间的分离运动，具有实物闭环在线、分离运动模拟、参数在线测量、载荷加载模拟、故障模式模拟和通用机械接口模拟等功能，并且结构简单、使用方便、可靠性高，能够代替现有1:1实物试验，可以验证不同的设计方案，提高了研制效率、缩短了研制周期、降低了试验成本。
(2)本发明具备不同故障模式的模拟，通过人为设定故障模式，实现对分离导向机构在不同故障模式下性能、可靠性的考核，实现多种方案的对比，筛选和优化。
(3)载荷加载系统能够为分离运动提供附加载荷模拟，从而提供较为恶劣的载荷施加考核条件，提高载荷环境模拟的复杂性和真实性。
(4)本发明分离运动保护系统能够有效避免分离运动过程中下一级壳段与工装台架的剧烈碰撞，对试验件进行保护，保证系统能够重复使用。
附图说明
图1为本发明半实物仿真系统组成框图；
图2为本发明半实物仿真系统运动示意图；
图3为分离导向机构示意图；
图4为载荷加载系统示意图；
图5为故障模式模拟示意图，其中(a)为一组电机控制失效示意图，(b)和(c)均为二组电机控制失效的示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提出了一种分离导向机构半实物仿真系统，包括工装台架1、上一级发动机模拟边界2、下一级壳段3、分离运动加载系统4、载荷加载系统5、分离运动控制系统6、分离运动数据采集系统7。
上一级发动机模拟边界2固定在工装台架1上，下一级壳段3与上一级发动机模拟边界2通过分离导向机构实现套接。
具体地，如图3所示，分离导向机构有四组，沿下一级壳段3周向均布。每组分离导向机构均包括长导轨31和导向滑块32，导向滑块32位于上一级发动机模拟边界2外壁上，长导轨31位于下一级壳段3内壁上，导向滑块32上开有凹槽，长导轨31形状与导向滑块32的凹槽相匹配，且能够沿导向滑块实现轴向滑移。长导轨31与导向滑块32的凹槽之间存在间隙，间隙为1mm‐3mm。
分离运动加载系统4接收到分离运动控制系统6的分离信号后，控制下一级壳段3与上一级发动机模拟边界2分离，以模拟分离火箭作用下的分离运动。运动示意图如图2所示。
具体地，分离运动加载系统4包括四组沿下一级壳段3外壁周向均布的电机模块41，用于为下一级壳段3提供分离推力。
每组电机模块41包括伺服电机、同步带和运动块；伺服电机安装在工装台架1上，伺服电机的输入端用于接收分离运动控制系统6的分离信号，伺服电机的运动输出端与同步带连接，同步带与下一级壳段3轴向平行，运动块一端固定在同步带上，另一端固定在下一级壳段3外壁上。电机模块实现将伺服电机的旋转运动转换为运动块的水平运动，从而带动下一级壳段3水平运动，实现分离。
载荷加载系统5接收到分离运动控制系统6的载荷加载信号后，为下一级壳段3提供恶劣的附加载荷。
如图4所示，载荷加载系统5包括两组直线电机模块51，且两组直线电机模块输出端间隔180°固定在下一级壳段3外壁上。
载荷加载系统5通过两组直线电机模块的拉伸运动，实现对下一级壳段3加载周向扭矩或径向力。
图4中，当两组直线电机模块施加同向向下的力时，径向力F向下，当两组直线电机模块施加不同方向力时，轴向扭矩为T。
分离运动控制系统6向分离运动加载系统4提供分离信号(包括分离的开关量信号以及分离力的大小)，分离过程中，向载荷加载系统5提供载荷加载信号(包括载荷加载的开关量信号以及加载力的大小和方向)。
分离运动控制系统6除实现四组电机模块正常工作外，还可模拟实现一组电机控制失效、二组电机控制失效和三组电机控制失效等多种故障模式，并通过设置故障模式，对分离导向机构在不同故障模式下工作特性进行考核。如图5所示，其中(a)为一组电机控制失效示意图，(b)和(c)均为二组电机控制失效的示意图。
具体地，分离运动控制系统6包括上位机、控制器和驱动器，根据上位机控制指令，对分离火箭的分离力进行模拟并对四组电机模块的运动进行控制，实现分离运动；与此同时，上位机内部的监控系统对四组电机模块的状态进行监控，实现运动速度、电压和电流等电机参数的实时测量和反馈，实现数据曲线自动生成。
分离运动数据采集系统7用于对分离运动过程中分离速度、位移、分离摩擦力和接触应力进行采集和分析，对分离导向机构的分离运动特性进行分析和评估，为系统方案的评价提供依据。
本发明的半实物仿真系统中，还包括分离运动监控系统8和分离运动保护系统9。分离运动监控系统8包括上位机和高速摄影模块，高速摄影模块用于对分离运动过程中下一级壳段的运动姿态、运动状态进行监测，将监测数据返回给上位机；上位机根据监测数据对分离导向机构的分离运动特性进行分析和评估，为系统方案的评价提供依据。
分离运动保护系统9安装在工装台架1上，以减少分离过程中下一级壳段3与工装台架1的碰撞损伤。分离运动保护系统9包括多个防撞缓冲装置，所述防撞缓冲装置由弹性阻尼缓冲器组成，利用自身的弹性胶体粘滞阻尼实现缓冲。
本发明工装台架1上能够安装不同接口尺寸的上一级发动机模拟边界2。
本发明通过分离运动加载系统真实模拟火箭分离时的推力，从而真实模拟壳段与发动机之间的分离运动，具有实物闭环在线、分离运动模拟、参数在线测量、载荷加载模拟、故障模式模拟和通用机械接口模拟等功能，并且结构简单、使用方便、可靠性高，能够代替现有1:1实物试验，可以验证不同的设计方案，提高了研制效率、缩短了研制周期、降低了试验成本。
本发明未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。
Claims (12)
1.一种分离导向机构半实物仿真系统，其特征在于：包括工装台架(1)、上一级发动机模拟边界(2)、下一级壳段(3)、分离运动加载系统(4)、载荷加载系统(5)、分离运动控制系统(6)和分离运动数据采集系统(7)；
上一级发动机模拟边界(2)固定在工装台架(1)上，下一级壳段(3)与上一级发动机模拟边界(2)通过分离导向机构实现套接；
分离运动加载系统(4)：接收到分离运动控制系统(6)的分离信号后，控制下一级壳段(3)与上一级发动机模拟边界(2)分离，以模拟分离火箭作用下的分离运动；
载荷加载系统(5)：接收到分离运动控制系统(6)的载荷加载信号后，为下一级壳段(3)提供恶劣的附加载荷；
分离运动控制系统(6)：向分离运动加载系统(4)提供分离信号，分离过程中，向载荷加载系统(5)提供载荷加载信号；
分离运动数据采集系统(7)：用于对分离运动过程中分离速度、位移、分离摩擦力和接触应力进行采集和分析，对分离导向机构的分离运动特性进行分析和评估，为系统方案的评价提供依据。
2.根据权利要求1所述的一种分离导向机构半实物仿真系统，其特征在于：所述分离导向机构有四组，沿下一级壳段(3)周向均布。
3.根据权利要求2所述的一种分离导向机构半实物仿真系统，其特征在于：每组分离导向机构均包括长导轨(31)和导向滑块(32)，所述导向滑块(32)位于上一级发动机模拟边界(2)外壁上，长导轨(31)位于下一级壳段(3)内壁上，导向滑块(32)上开有凹槽，长导轨(31)形状与导向滑块(32)的凹槽相匹配，且能够沿导向滑块实现轴向滑移。
4.根据权利要求3所述的一种分离导向机构半实物仿真系统，其特征在于：长导轨(31)与导向滑块(32)的凹槽之间存在间隙，间隙为1mm-3mm。
5.根据权利要求2所述的一种分离导向机构半实物仿真系统，其特征在于：分离运动加载系统(4)包括四组沿下一级壳段(3)外壁周向均布的电机模块(41)，用于为下一级壳段(3)提供分离推力。
6.根据权利要求5所述的一种分离导向机构半实物仿真系统，其特征在于：所述每组电机模块(41)包括伺服电机、同步带和运动块；伺服电机安装在工装台架(1)上，伺服电机的输入端用于接收分离运动控制系统(6)的分离信号，伺服电机的运动输出端与同步带连接，同步带与下一级壳段(3)轴向平行，运动块一端固定在同步带上，另一端固定在下一级壳段(3)外壁上。
7.根据权利要求6所述的一种分离导向机构半实物仿真系统，其特征在于：分离运动控制系统(6)还能够模拟一组或多组电机模块控制失效的故障模式，通过设置故障模式，实现分离导向机构在不同故障模式下工作特性的考核。
8.根据权利要求1所述的一种分离导向机构半实物仿真系统，其特征在于：所述载荷加载系统(5)包括两组直线电机模块(51)，且两组直线电机模块输出端间隔180°固定在下一级壳段(3)外壁上；
所述载荷加载系统(5)通过两组直线电机模块的拉伸运动，实现对下一级壳段(3)加载周向扭矩或径向力。
9.根据权利要求1所述的一种分离导向机构半实物仿真系统，其特征在于：还包括分离运动监控系统(8)，所述分离运动监控系统(8)包括上位机和高速摄影模块，高速摄影模块用于对分离运动过程中下一级壳段的运动姿态、运动状态进行监测，将监测数据返回给上位机；上位机根据监测数据对分离导向机构的分离运动特性进行分析和评估，为系统方案的评价提供依据。
10.根据权利要求1所述的一种分离导向机构半实物仿真系统，其特征在于：还包括分离运动保护系统(9)，所述分离运动保护系统(9)安装在工装台架(1)上，以减少分离过程中下一级壳段(3)与工装台架(1)的碰撞损伤。
11.根据权利要求10所述的一种分离导向机构半实物仿真系统，其特征在于：所述分离运动保护系统(9)包括多个防撞缓冲装置，所述防撞缓冲装置由弹性阻尼缓冲器组成，利用自身的弹性胶体粘滞阻尼实现缓冲。
12.根据权利要求1所述的一种分离导向机构半实物仿真系统，其特征在于：工装台架1上能够安装不同接口尺寸的上一级发动机模拟边界(2)。
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