CN109632171B - 一种火箭发动机微力测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种火箭发动机微力测量装置，包括定架，定架上固定有承力墩和气浮小位移装置，承力墩上滑动连接有加力装置，气浮小位移装置上固定有传力框和发动机固定单元，传力框一侧的外壁和内壁上分别连接有力传感器一和力传感器二，传力框上还固定有传力标定架，传力标定架一端位于传力框内，传力标定架另一端与加力装置传动连接，加力装置、力传感器一、传力框、传力标定架、力传感器二的中心线位于同一条直线上。本发明集试验工装，数据采集与处理为一体，试车时，发动机按所要求的试验状态固定在测量装置上，对实时数据进行采集并分析处理，比对设计任务书，对发动机的性能、精度、可靠性等进行评定，暴露问题，从而为改进设计指出方向和途径。
Description
技术领域
本发明属于火箭发动机测试技术领域，尤其是涉及一种火箭发动机微力测量装置。
背景技术
火箭推进技术广泛应用于空间科学实验与国防建设中,发动机推力的精确控制对控制飞行器运行姿态、提高目标命中精度等具有重要意义。姿轨控发动机（KKV）与一般的推进发动机不同, 姿轨控发动机为断续工作状态,每次发动机点火的时间可能只持续几毫秒到几十毫秒,尽可能短的点火调整时间对保证飞行器运行轨道十分必要，所以准确了解火箭发动机的推力状况是提高控制精度的必要前提。
近十多年来，固体KKV技术已经由战术导弹防空反导方向向战略导弹机动变轨方面发展。以美国为代表研制成功了多种类型的KKV，进行了数十次KKV悬浮试验，并成功进行了多次反TBM实弹拦截试验，充分验证了KKV反卫星与反TBM的各项技术，KKV已经在型号中得到应用；在KKV的轻小型化与智能化方面也取得了突破性的进展，使KKV的尺寸、质量成倍下降，目前，美国KKV技术已在战略导弹上得到应用，三叉戟II-D5导弹使用了全固体KKV技术。
国内也开展了固体KKV技术攻关工作，在发动机设计方面取得了一些成绩，但缺乏必要的动态测试装置,对姿轨控发动机推力的测试缺乏足够的精度,难以满足高精度高机动性的动态运行轨道控制要求,迫切需要掌握姿轨控发动机推力测量技术。
当前发动机的试验，主要是进行中、大推力发动机的试验测试，而近些年，随着精确控制的增加，对新型姿控发动机的研发力度加大，微小推力发动机不断涌现，而对其进行精确测试则迫在眉睫，这就对试验工装的测量方式和测试精度提出了更高的要求。
目前，发动机试验一般采用滚轮支撑的中心架、板簧支撑的柔性架以及滑轨支撑的滑动架等，均属于接触式结构，其零部组件无论加工多高的精度，均有一定的摩擦或弹阻力，不能完全消除，其在测试较大力值受到的影响很小，但在测试小力值时则影响较大，且加工精度每提高一级则导致加工费用呈几何数翻倍增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种集试验工装、数据采集与处理为一体的测量装置，当进行试车时，该测量装置可确保发动机按所要求的试验状态定位和固定在测量装置上，对微小推力发动机点火时的实时数据进行采集，对所采集的数据进行分析处理并与设计任务书进行比对，对发动机的性能、精度、可靠性等进行评定，及暴露发动机研制过程中的一些问题，从而为改进设计指出方向和寻找解决问题的途径。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种火箭发动机微力测量装置，至少包括与试验场地固定连接的定架，所述定架上方固定有承力墩和气浮小位移装置，承力墩上方滑动连接有加力装置，气浮小位移装置上方靠近加力装置的一侧固定有传力框，气浮小位移装置上方远离加力装置的一侧设置有发动机固定单元，传力框靠近加力装置一侧的外壁和内壁上分别可拆卸连接有力传感器一和力传感器二，非工作状态时力传感器一和加力装置中间留有用力间隙，传力框上还固定有与其位于同一平面的传力标定架，传力标定架一端位于传力框内，传力标定架另一端与加力装置传动连接，所述加力装置、力传感器一、传力框、传力标定架、力传感器二的中心线位于同一条直线上。
所述加力装置包括减速机、加力器、承力安装座和测力轴，其中减速机的输出轴与加力器的输入轴传动连接 ，加力器沿定架的长度方向与定架滑动连接，承力安装座固定在承力墩远离加力器的一端，承力安装座上靠近力传感器一一侧还固定有测力轴，非工作状态时力传感器一和测力轴中间留有用力间隙。
所述减速机、加力器、承力安装座和测力轴、力传感器一、传力框、力传感器二、传力标定架的中心线位于同一条直线上。
所述传力标定架的输出轴位于传力框内，传力标定架的输入轴与加力器的输出轴传动连接。
所述承力墩上表面开设有直线导轨，直线导轨中通过滚珠丝杠滑动连接有加力器。
所述加力器固定在滚珠丝杠的运动螺帽上，滚珠丝杠两端通过轴承座固定在承力墩两侧，其中滚珠丝杠靠近加力器的一端贯穿轴承座和承力墩侧壁延伸至外部且传动连接有手轮。
所述力传感器一与外部的数据采集设备电信号连接；所述力传感器二与外部显示器电信号连接。
所述气浮小位移装置包括动架、气浮导轨和加力限位柱，气浮导轨底部固定在定架上，气浮导轨两端与位于其上方的动架固定连接，动架两侧通过多个加力限位柱固定在定架上，其中气浮导轨底部设置有进气口。
所述气浮导轨远离传力框的一侧还设置有预加力桩，预加力桩底部固定在定架上方，预加力桩顶部向气浮导轨一侧延伸且可拆卸连接有弹簧探测端，非工作状态时弹簧探测端和气浮导轨之间留有预紧间隙。
所述发动机固定单元包括用于安装发动机头部的安装轴和用于固定发动机机身的抱环，其中安装轴固定在传力框的侧壁上，抱环固定在动架上，其中安装轴的轴线和传力框的轴线位于同一条直线上。
本发明的有益效果是：本发明提供的火箭发动机微力测量装置，标定加力装置采用机械式力加载方式，依据需求选用合适的减速机来满足本设备在静态标定时所需求的微小力值加载的稳定性；采用气浮导轨作为小位移元件，极大的减少了设备本身的摩擦和弹阻力，降低了试验设备对发动机试验，尤其是微小推力发动机的试验的影响，提高了设备在微小推力测量时的精度；发动机推力通过传感器反馈到数据采集设备，开发专用于微小推力的软件系统，来对试验数据进行有效分析和处理。该测量装置集试验工装，数据采集与处理为一体，当进行试车时，该测量装置可确保发动机按所要求的试验状态定位和固定在测量装置上，对发动机点火时的实时数据进行采集，并对所采集的数据进行分析处理，与设计任务书进行比对，对发动机的性能、精度、可靠性等进行评定，及暴露发动机研制过程中的一些问题，从而为改进设计指出方向和寻找解决问题的途径。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中说需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
图1是本发明的整体结构的正视图。
图2是本发明的整体结构的俯视图。
图中：1、定架；2、承力墩；3、手轮；4、减速机；5、加力器；6、承力安装座；7、测力轴；8、力传感器一；9、传力框；10、力传感器二；11、发动机头部安装轴；12、测试发动机；13、抱环；14、动架；15、预加力桩；16、加力限位柱；17、气浮导轨；18、进气口；19、传力标定架。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式 、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。
实施例1
一种火箭发动机微力测量装置，至少包括与试验场地固定连接的定架1，所述定架1上方固定有承力墩2和气浮小位移装置，承力墩2上方滑动连接有加力装置，气浮小位移装置上方靠近加力装置的一侧固定有传力框9，气浮小位移装置上方远离加力装置的一侧设置有发动机固定单元，传力框9靠近加力装置一侧的外壁和内壁上分别可拆卸连接有力传感器一8和力传感器二10，非工作状态时力传感器一8和加力装置中间留有用力间隙，传力框9上还固定有与其位于同一平面的传力标定架19，传力标定架19一端位于传力框9内，传力标定架19另一端与加力装置传动连接，所述加力装置、力传感器一8、传力框9、传力标定架19、力传感器二10的中心线位于同一条直线上。
本发明标定加力装置采用机械式力加载方式，依据需求选用合适的电机来满足本设备在静态标定时所需求的微小力值加载的稳定性；采用特制的气浮小位移装置，极大的减少了设备本身的摩擦和弹阻力，降低了试验设备对发动机试验，尤其是微小推力发动机的试验的影响，提高了设备在微小推力测量时的精度。本发明在正式试验前需进行静态校准以对设备本身精度进行验证、校准，进行静态校准时，对气浮小位移装置进行充气并松开气浮小位移装置，加力装置在设备轴线上进行直线往复运动，带动传力标定架19一起运动，从而带动传力框9及气浮小位移装置一起运动，对力传感器二10及力传感器一8进行加/卸载，力传感器一8受力后反馈信号给数据采集系统进行数据分析，根据力传感器二10的示值，按照校准规程进行标定，标定结束后根据数据采集系统所得数据进行分析计算，得出试验架自身的精度。
实施例2
如图1、图2所示，它是在实施例1的基础上改进，所述加力装置包括减速机4、加力器5、承力安装座6和测力轴7，其中减速机4的输出轴与加力器5的输入轴传动连接 ，加力器5沿定架1的长度方向与定架1滑动连接，承力安装座6固定在承力墩2远离加力器5的一端，承力安装座6上靠近力传感器一8一侧还固定有测力轴7，非工作状态时力传感器一8和测力轴7中间留有用力间隙。
所述减速机4、加力器5、承力安装座6和测力轴7、力传感器一8、传力框9、力传感器二10、传力标定架19的中心线位于同一条直线上。设备精度高。
所述传力标定架19的输出轴位于传力框9内，传力标定架19的输入轴与加力器5的输出轴传动连接。
所述承力墩2上表面开设有直线导轨，直线导轨中通过滚珠丝杠滑动连接有加力器5。
所述加力器5固定在滚珠丝杠的运动螺帽上，滚珠丝杠两端通过轴承座固定在承力墩2两侧，其中滚珠丝杠靠近加力器5的一端贯穿轴承座和承力墩2侧壁延伸至外部且传动连接有手轮3。
使用时，承力墩2、固定传力标定架19的支架均通过支撑座螺纹连接在定架1上，安装方便 ，固定牢固，便于设备的运输和拆装。力传感器一8和力传感器二10均可拆卸连接在传力框9的侧壁上，方便更换，延长使用寿命。
加力器5在直线导轨上进行直线往复运动，加力器5作为力源用于对试验架静态校准时进行加/卸力。
使用时根据实际需求选用合适的减速机4来满足本设备在静态标定时所需求的微小力值加载的稳定性；本发明在正式试验前需进行静态校准以对设备本身精度进行验证、校准，进行静态校准时，对气浮小位移装置进行充气并松开气浮小位移装置，加力器5在设备轴线上进行直线往复运动，带动传力标定架19一起运动，从而带动传力框9及气浮小位移装置一起运动，对力传感器二10及力传感器一8进行加/卸载，力传感器一8受力后反馈信号给数据采集系统进行数据分析，根据力传感器二10的示值，按照校准规程进行标定，标定结束后根据数据采集系统所得数据进行分析计算，得出试验架自身的精度。
实施例3
如图1、图2所示，它是在实施例1和实施例2的基础上改进，所述力传感器一8与外部的数据采集设备电信号连接，用于反馈试验或者静态标定时的实时力值；所述力传感器二10与外部显示器电信号连接，作为静态标定时反馈当前校准力值的仪器。
所述外部的数据采集设备与力传感器一8通过电信号连接，数据采集设备选用美国NI公司基于PC的测量和控制系统，NI硬件产品通过USB或以太网连接到PC或笔记本电脑。将CompactDAQ机箱连接到PC，并在机箱中插入集成信号调理的I/O模块。所述的外部数据采集设备是现有成熟技术，非本发明的保护，具体结构在此不做详细说明，另外外部数据采集设备也可以选用其他厂家的现有成熟技术产品，能够保证本发明的使用要求即可。外部数据采集设备的测试软件主要具备以下功能：
文件操作：打开/保存数据文件、导入标定数据、导出数据文件；
信号设置：设置信号对应的模块、通道、滤波、输入范围等参数；
信号标定：标定传感器，计算线性、滞后、重复性精度，计算使用精度；
信号监视：显示选择的信号曲线及瞬时值，但不存盘；
数据采集：采集并实时保存信号值，同时实时显示选择的信号曲线及瞬时值；
曲线显示：可以对曲线进行水平拉伸，显示鼠标对应时刻信号值；
数据处理：可以处理分析扩展接入的推压力传感器信号；
报表打印：打印标定记录、数据曲线、信号瞬时值、数据汇总表等；
文件格式：每次试验对应一个数据文件，包括各路信号参数设置、标定记录、试验数据以及数据处理结果。
实施例4
如图1、图2所示，它是在实施例1的基础上改进，所述气浮小位移装置包括动架14、气浮导轨17和加力限位柱16，气浮导轨17底部固定在定架1上，气浮导轨17两端与位于其上方的动架14固定连接，动架14两侧通过多个加力限位柱16固定在定架1上，其中气浮导轨17底部设置有进气口18。加力限位柱16和动架14连接的螺母打开可以取消对动架14的限位，加力限位柱16和动架14连接的螺母拧紧可以起到对动架14的限位作用。
所述气浮导轨17远离传力框9的一侧还设置有预加力桩15，预加力桩15底部固定在定架1上方，预加力桩15顶部向气浮导轨17一侧延伸且可拆卸连接有弹簧探测端，弹簧探测端和气浮导轨17之间留有预警间隙。
所述发动机固定单元包括用于安装发动机12头部的安装轴11和用于固定发动机12机身的抱环13，其中安装轴11固定在传力框9的侧壁上，抱环13固定在动架14上，其中安装轴11的轴线和传力框9的轴线位于同一条直线上。
使用时，本发明在正式试验前需进行静态校准以对设备本身精度进行验证、校准，进行静态校准时，对气浮导轨17进气口18进行充气后，松开保险限位装置16对动架14的限位，旋转减速机4使得加力器5在设备轴线上进行直线往复运动，带动传力标定架19一起运动，从而带动传力框9及动架14及气浮导轨17滑块一起运动，对力传感器二10及力传感器一8进行加/卸载，力传感器一8受力后反馈信号给数据采集系统进行数据分析，根据力传感器二10的示值，按照校准规程进行标定，标定结束后根据数据采集系统所得数据进行分析计算，得出试验架自身的精度。
将力传感器二10拆下，然后旋转承力墩上的手轮3，使得传力标定架5在传力框9内一端处于合适位置。将测试发动机12安装于发动机头部安装轴11上，置于抱环13内，锁紧后，对气浮导轨17进气口18进行充气后，松开保险限位装置16对动架14的限位，进行正式试验，测试发动机12点火瞬间，推动传力框9、动架14及气浮导轨17滑块一起运动，对力传感器一8进行加载，力传感器一8通过电信号连接反馈信号给数据采集系统，试验结束后通过数据采集系统所得数据对试验进行分析评价。气浮导轨摩擦系数极小(约为0.0005左右)。
这里需要说明的是：在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种火箭发动机微力测量装置，至少包括与试验场地固定连接的定架（1），其特征在于：所述定架（1）上方固定有承力墩（2）和气浮小位移装置，承力墩（2）上方滑动连接有加力装置，气浮小位移装置上方靠近加力装置的一侧固定有传力框（9），气浮小位移装置上方远离加力装置的一侧设置有发动机固定单元，传力框（9）靠近加力装置一侧的外壁和内壁上分别可拆卸连接有力传感器一（8）和力传感器二（10），非工作状态时力传感器一（8）和加力装置中间留有用力间隙，传力框（9）上还固定有与其位于同一平面的传力标定架（19），传力标定架（19）一端位于传力框（9）内，传力标定架（19）另一端与加力装置传动连接，所述加力装置、力传感器一（8）、传力框（9）、传力标定架（19）、力传感器二（10）的中心线位于同一条直线上;
所述加力装置包括减速机（4）、加力器（5）、承力安装座（6）和测力轴（7），其中减速机（4）的输出轴与加力器（5）的输入轴传动连接 ，加力器（5）沿定架（1）的长度方向与定架（1）滑动连接，承力安装座（6）固定在承力墩（2）远离加力器（5）的一端，承力安装座（6）上靠近力传感器一（8）一侧还固定有测力轴（7），非工作状态时力传感器一（8）和测力轴（7）中间留有用力间隙;
所述力传感器一（8）与外部的数据采集设备电信号连接；所述力传感器二（10）与外部显示器电信号连接;
所述气浮小位移装置包括动架（14）、气浮导轨（17）和加力限位柱（16），气浮导轨（17）底部固定在定架（1）上，气浮导轨（17）两端与位于其上方的动架（14）固定连接，动架（14）两侧通过多个加力限位柱（16）固定在定架（1）上，其中气浮导轨（17）底部设置有进气口（18）;
所述气浮导轨（17）远离传力框（9）的一侧还设置有预加力桩（15），预加力桩（15）底部固定在定架（1）上方，预加力桩（15）顶部向气浮导轨（17）一侧延伸且可拆卸连接有弹簧探测端，非工作状态时弹簧探测端和气浮导轨（17）之间留有预紧间隙。
2.根据权利要求1所述的一种火箭发动机微力测量装置，其特征在于：所述减速机（4）、加力器（5）、承力安装座（6）和测力轴（7）、力传感器一（8）、传力框（9）、力传感器二（10）、传力标定架（19）的中心线位于同一条直线上。
3.根据权利要求1所述的一种火箭发动机微力测量装置，其特征在于：所述传力标定架（19）的输出轴位于传力框（9）内，传力标定架（19）的输入轴与加力器（5）的输出轴传动连接。
4.根据权利要求1所述的一种火箭发动机微力测量装置，其特征在于：所述承力墩（2）上表面开设有直线导轨，直线导轨中通过滚珠丝杠滑动连接有加力器（5）。
5.根据权利要求4所述的一种火箭发动机微力测量装置，其特征在于：所述加力器（5）固定在滚珠丝杠的运动螺帽上，滚珠丝杠两端通过轴承座固定在承力墩（2）两侧，其中滚珠丝杠靠近加力器（5）的一端贯穿轴承座和承力墩（2）侧壁延伸至外部且传动连接有手轮（3）。
6.根据权利要求1所述的一种火箭发动机微力测量装置，其特征在于：所述发动机固定单元包括用于安装发动机（12）头部的安装轴（11）和用于固定发动机（12）机身的抱环（13），其中安装轴（11）固定在传力框（9）的侧壁上，抱环（13）固定在动架（14）上，其中安装轴（11）的轴线和传力框（9）的轴线位于同一条直线上。
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