CN110836744B - 一种小型立式推力矢量测试台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型立式推力矢量测试台，包括法兰转接件、测力组件、底板、台架、主推力校准装置和两组侧推力校准装置。两个侧推力校准装置相互垂直，能在不同竖直高度下进行侧向力校准。主推力校准装置设置了若干个工位，与侧推力校准装置配合可实现不同三维空间力和三个力矩的校准，更易于操作。本发明结构简单，固有频率高，刚度高，同时具备主侧推力校准功能以及小量程下高精度动、静态测量能力，特别应用于基于微纳卫星的长时间小推力固体推力器的推力矢量测试。

Description

一种小型立式推力矢量测试台

技术领域

本发明属于推力矢量测试领域，涉及一种小型立式推力矢量测试台，特别应用于基于微纳卫星的固体推力器的推力矢量测试。

背景技术

随着航天技术的快速发展，空间技术的研发日愈深入，高机动性的微纳卫星成为空间对抗领域的重要力量，已经成为各传统航天强国空间战略化发展的重要方向。要满足微纳卫星在空间环境中的快速大范围变轨机动和快速响应部署，需要微纳卫星推进技术做支撑。而固体火箭推力器具备结构简单、外部接口少、工作可靠性高、反应能力快速、机动性好、推进剂密度比冲高和质量比高的优势，特别适用于结构推进一体化的高集成度微纳卫星。因此，全面了解掌握推力器的推力性能，提高推力控制精确度，提供可预测、可重复的推力特性，对实现卫星空间会合、抵近操作等轨道机动任务具有重要意义。

由于轨道机动的高预示精度要求，对固体推力器的推力矢量控制性能要求也极为严格。而推力器各项性能指标信息的获取，需要靠推力矢量测试试验来实现。通过对其推力参数的准确测量，可以对推力大小及偏斜方向进行精确控制，从而对卫星的姿态和速度进行及时准确的调整。若推力器推力大小与偏斜角的数据精度不够高，会在实际中导致卫星空间任务的失败，进而影响整星的在轨验证计划。因此，发展基于微纳卫星的固体推力器的高精度推力矢量测量技术是十分必要且迫切的。

虽然国内外用于测量推力器的推力矢量装置种类和形式都多种多样，但大都采用六分力推力矢量测试台来进行测试。六分力推力矢量测试台由定架、动架、测力组件、原位标定装置、保险架和承力墩构成。但根据六分力模型求解的条件以及实际测量中主推力测量的要求，推力器的重心需要在推力器中心轴线变化，而推力器则需要与试车台主推力传感器严格同轴，其难度是较大的。一旦无法保证同轴度，就会带来较大的测量误差。并且六分力测试台中的六个测力组件会产生附加力输出，同时也会在动架约束受力时相互干扰。当推力值以及偏心量较小时，推力矢量的测量精度无法得到保证。由于是卧式结构，推力器燃烧过程中燃料减少还会对侧向力产生影响。

201710999738.7提出了《一种大推力矢量立式测试装置机构》,该机构由八工位标定板，侧向加载装置和主向液压动力系统组成其主侧推力校准结构，测力仪固定在顶板与底板之间，形成一个整体。但其侧向校准结构过多，利用率低。同时未对不同空间高度的侧向力引起的系统误差展开标定。而主推力校准装置由液压结构组成，与受力点之间存在过多组件，附加干扰多因此精度无法得到保证，更不能对小推力实现精确测量。

因此即使目前小力值固体推力器广泛应用在各类航天器上，但其推力性能的测试仍是难点。所以从实际工程应用的角度出发，需要研制一种小型推力矢量测试台来准确获取推力器的推力矢量性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型立式推力矢量测试台，解决卧式结构对侧向力产生影响的问题，结构简单高效，在小量程下保持高精度，同时主侧推力校准装置通过不同工位之间的配合能实现不同空间力以及力矩的校准测量。

本发明的技术解决方案为：一种小型立式推力矢量测试台，包括法兰转接件、测力组件、底板、台架、主推力校准装置和两组侧推力校准装置。台架固定于地面，底板固定于台架的顶面，底板中心设有通孔，主推力校准装置位于底板的下方，并与底板的底面固连，测力组件固定于底板顶面，主推力校准装置经通孔与测力组件连接，法兰转接件固定于测力组件顶面，用于转接推力器，两组侧推力校准装置固定于底板顶面，对准法兰转接件和测力组件，且两组侧推力校准装置呈90°布置均指向测试水平面，保证侧推力加载方向与三维力传感器的水平测力方向一致。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）立式结构的设计使得侧向力的测量精度不受推力器重力变化的影响，为微纳卫星进一步的矢量控制奠定基础。

（2）通过不同校准装置不同工位之间的配合，能快捷的实现不同空间力的加载，加快了校准流程。

（3）结构之间复杂连接少，刚度大，能直接作用到理想受力点，减少了系统的附加力输出，测力精度更高。

（4）通过侧向力校准装置的不同竖直高度的标定，使得系统固有误差降低，增加了校准系统可靠性。

（5）具有动静态测量能力，实现对基于微纳卫星的固体推力器推力矢量测试的专用测试台。

附图说明

图1 是本发明一种小型立式推力矢量测试台的整体结构示意图。

图2 是本发明一种小型立式推力矢量测试台中侧推力校准装置的结构示意图。

图3 是本发明一种小型立式推力矢量测试台中测力组件的结构示意图。

图4 是本发明一种小型立式推力矢量测试台中主推力校准装置的整体结构示意图。

图5 是本发明一种小型立式推力矢量测试台中主推力校准装置下半部分结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

结合图1，本发明所述一种小型立式推力矢量测试台，包括法兰转接件1、测力组件3、底板4、台架5、主推力校准装置6和两组侧推力校准装置2。台架5固定于地面，底板4固定于台架5的顶面，底板4中心设有通孔，主推力校准装置6位于底板4的下方，并与底板4的底面固连，测力组件3固定于底板4顶面，主推力校准装置6经通孔与测力组件3连接，法兰转接件1固定于测力组件3顶面，用于转接推力器，两组侧推力校准装置2固定于底板4顶面，对准法兰转接件1和测力组件3，且两组侧推力校准装置2呈90°布置均指向测试水平面，保证侧推力加载方向与三维力传感器的水平测力方向一致。

结合图2，推力器通过螺钉螺母固定与法兰转接件1的顶面，法兰转接件1的内壁设有螺距长20mm的螺纹作为推力器转接备用，可满足不同型号的推力器转接需求。

结合图1和图3，所述测力组件3包括传感器上连接板3-1、传感器下连接板3-3和四个三维力传感器3-2。传感器上连接板3-1平行设置于传感器下连接板3-3的正上方，传感器上连接板3-1为二阶阶梯圆台，直径小的圆台位于顶面，传感器下连接板3-3为圆环形，四个三维力传感器3-2呈环形分布于传感器上连接板3-1和传感器下连接板3-3之间，三者通过螺栓紧密贴合。法兰转接件1固定于传感器上连接板3-1的直径小的圆台顶面，传感器上连接板3-1、传感器下连接板3-3、法兰转接件1之间通过插入定位销进行定位，确保测试台组件同心同轴，严格保证其位置误差，同时与发动机轴线重合，保证推力器推力测量的精确性。

所述四个三维力传感器3-2的中心轴分别位于正方形的四个角上，这种布置形式具有很好的轴对称性，非常利于力学模型的求解和推力矢量的公式推导，而且对于作用点的变化较为灵敏，满足较高测量精度系统的要求。

结合图2，所述侧推力校准装置2包括侧推力校准板2-1、M个第一圆筒2-9、N个第二圆筒2-10、P个套筒2-3、P个转接杆2-4、P个力传感器2-5、P个圆锥顶子2-6、P个手动旋柱2-7和P个旋柱压紧板2-8， N≥1，M≥0，P=M+N（本专利以M=2，N=1为例）。侧推力校准板2-1为L型板，其底面通过螺栓固定于底板4上，侧推力校准板2-1一侧沿其垂直方向均布M个第一圆筒2-9和N个第二圆筒2-10，另一侧对应设有若干凹槽，其中第二圆筒2-10均位于第一圆筒2-9下方，第二圆筒2-10轴心与三维力传感器3-2顶面共面，且第一圆筒2-9高度大于第二圆筒2-10高度，M个第一圆筒2-9和N个第二圆筒2-10的圆周外壁上分别设有限位孔2-2，套筒2-3圆周外壁上设有键槽，P个套筒2-3一端分别与M个第一圆筒2-9和N个第二圆筒2-10间隙配合，转接杆2-4与圆锥顶子2-6分别固定在力传感器2-5两端，转接杆2-4再与套筒2-3通过螺纹连接固定，转接杆2-4与圆锥顶子2-6均有外六角设计，方便使用扳手安装固紧。手动旋柱2-7为中间带圆盘的圆杆，一端穿过侧推力校准板2-1与套筒2-3通过螺纹连接，圆盘位于侧推力校准板2-1的凹槽内，旋柱压紧板2-8为圆环，盖住上述凹槽，并通过螺栓将旋柱压紧板2-8紧固在侧推力校准板2-1上。锁紧螺钉穿过限位孔2-2后与键槽配合，拧紧锁紧螺钉时可以将套筒2-3的位置完全固定，从而固定力的输出，略微放松锁紧螺钉，由于手动旋柱2-7只能旋转，而套筒2-3被锁紧螺钉限制转动而不能旋转，通过旋转手动旋柱2-7即可实现套筒2-3的直线移动。标定时，侧向力方向采用压的加载方式，通过圆锥顶子2-6施加在法兰转接件的外壁上和传感器上连接板3-1侧面圆周外壁上，通过手动操作可对不同水平面实现组合加载、标定。

所述侧推力校准板2-1、M个第一圆筒2-9、N个第二圆筒2-10为一体制造，用于保证套筒2-3在圆筒中滑动时严格沿圆筒中心轴线移动，提高校准的精确性。

结合图3和图4，主推力校准装置6包括主推力校准板6-4、Q个连接组件6-6、K个第三圆筒6-5以及至少三根支撑杆6-3，K=Q，Q≥3（本专利以Q=5为例），一个第三圆筒6-5设置于主推力校准板6-4的顶面中心，剩余的第三圆筒6-5固定于主推力校准板6-4顶面，主推力校准板6-4的底面对应第三圆筒6-5的位置分别设有若干凹槽，主推力校准板6-4设置于底板4的通孔正下方，主推力校准板6-4通过至少三根支撑杆6-3与底板4固连，连接组件一端穿过第三圆筒6-5与主推力校准板6-4固连，另一端与测力组件3的传感器上连接板3-1固连。

结合图4和图5，所述连接组件6-6包括不锈钢丝6-2、第二力传感器6-7、第二连接杆6-8、第二套筒6-9、第二手动旋柱6-10、第二压紧板6-11和两个固定螺栓6-1。固定螺栓6-1为中心设有阶梯通孔的六角螺栓，不锈钢丝6-2穿过固定螺栓6-1通过打结的方式，以一定长度将两端分别固定在两个固定螺栓6-1内，一个固定螺栓6-1通过螺纹固定在传感器上连接板3-1底面，另一个固定螺栓6-1固定在第二力传感器6-7的一端，第二转接杆6-8固定在第二力传感器6-7的另一端，第三圆筒6-5的圆周外壁上设有第二限位孔6-12，第二套筒6-9圆周外壁上设有键槽，锁紧螺钉穿过第二限位孔6-12后与键槽配合，Q个第二套筒6-9一端分别与K个第三圆筒6-5间隙配合，第二手动旋柱6-10为中间带圆盘的圆杆，一端穿过主推力校准板6-4与第二套筒6-9通过螺纹连接，圆盘位于主推力校准板6-4的凹槽内，第二压紧板6-11为圆环，盖住上述凹槽，并通过螺栓将第二压紧板6-11紧固在主推力校准板6-4上。标定时，旋紧其中一个第二手动旋柱6-10，第二套筒6-9竖直向下移动，带动不锈钢丝6-2受力拉紧对传感器上连接板直接受力，通过旋转的松紧达到不同的测试拉力效果。

所述主推力校准板6-4和K个第三圆筒6-5为一体制造，确保校准时连接组件6-6沿竖直方向移动，实现高精度测量。

所述法兰转接件1，传感器上连接板3-1、传感器下连接板3-3以及底板4材料为7A04T6。

所述侧推力校准板2-1，主推力校准板6-4采用力学性能最佳的40Cr材料。

所述其他加工部件均采用高强度调制结构钢30CrMnSi材料。

本发明所述的一种小型立式推力矢量测试台的工作原理为：

当基于微纳卫星的推力器点火后，产生一个推力矢量，其大小和方向是不断变化的，推力经过法兰转接件1传递到传感器上连接板3-1，从而到达测力组件3中四个正方形对称布置的三维力传感器3-2上，通过在每个三维力传感器3-2上测得的三方向力信号分量，利用刚体平衡原理，通过力的合成可以得到推力器的实际推力矢量随时间的变化，包括力的大小、方向和作用点。标定时，通过旋转不同位置侧推力校准装置2的手动旋柱，使得侧推力校准装置2将力作用于法兰转接件1或传感器上连接板3-1，实现侧向力在不同空间高度、不同大小的力的标定加载。通过旋转不同位置的主推力校准装置6的第二手动旋柱6-10，使得钢丝受力往下拉，从而实现加载五工位主推力的效果。通过相互垂直的两组侧推力校准装置2和主推力校准装置6同时作用，达到可实现不同三维空间力和三个力矩的加载，通过侧推力校准装置2和主推力校准装置6对测力组件3加载标准力，记录测试台的输出，建立输入量与输出量之间的关系和规律，从而获取更精确的测试台的性能参数。

Claims (6)

1.一种小型立式推力矢量测试台，包括：

固定于地面的台架（5）；

固定于台架（5）的顶面的底板（4），底板（4）中心设有通孔；

其特征在于：

还包括，

设置于底板（4）的下方的主推力校准装置（6），并与底板（4）的底面固连；

固定于底板（4）顶面的测力组件（3），主推力校准装置（6）经底板（4）的通孔与测力组件（3）连接；

固定于测力组件（3）顶面的法兰转接件（1），用于转接推力器；

固定于底板（4）顶面的两组侧推力校准装置（2），对准法兰转接件（1）和测力组件（3），且两组侧推力校准装置（2）呈90°布置均指向测试水平面，保证侧推力加载方向与三维力传感器的水平测力方向一致；

所述测力组件（3）包括，

传感器下连接板（3-3），为圆环形；

平行设置于传感器下连接板（3-3）的正上方的传感器上连接板（3-1），传感器上连接板（3-1）为二阶阶梯圆台，直径小的圆台位于顶面；

呈环形分布于传感器上连接板（3-1）和传感器下连接板（3-3）之间的四个三维力传感器（3-2），三者通过螺栓紧密贴合；

法兰转接件（1）固定于传感器上连接板（3-1）的直径小的圆台顶面，传感器上连接板（3-1）、传感器下连接板（3-3）、法兰转接件（1）之间通过插入定位销进行定位，确保测试台组件同心同轴；

所述侧推力校准装置（2）包括，

侧推力校准板（2-1），为L型板，其底面固定于底板（4）上，侧推力校准板（2-1）一侧沿其垂直方向均布M个第一圆筒（2-9）和N个第二圆筒（2-10），另一侧对应设有若干凹槽，其中第二圆筒（2-10）均位于第一圆筒（2-9）下方，M个第一圆筒（2-9）和N个第二圆筒（2-10）的圆周外壁上分别设有限位孔（2-2）；其中，N≥1，M≥0；

P个套筒（2-3），其圆周外壁上设有键槽，P个套筒（2-3）一端分别与M个第一圆筒（2-9）和N个第二圆筒（2-10）间隙配合；其中P=M+N；

P个转接杆（2-4）、P个力传感器（2-5）、P个圆锥顶子（2-6），P个转接杆（2-4）与圆锥顶子（2-6）分别固定在力传感器（2-5）两端，转接杆（2-4）再与套筒（2-3）连接固定；

P个手动旋柱（2-7），为中间带圆盘的圆杆，一端穿过侧推力校准板（2-1）与套筒（2-3）连接，圆盘位于侧推力校准板（2-1）的凹槽内；

P个旋柱压紧板（2-8），分别盖住上述凹槽，并通过螺栓将旋柱压紧板（2-8）紧固在侧推力校准板（2-1）上；

锁紧螺钉穿过限位孔（2-2）后与键槽配合，拧紧锁紧螺钉时即将套筒（2-3）的位置完全固定，从而固定力的输出，略微放松锁紧螺钉，由于手动旋柱（2-7）只能旋转，而套筒（2-3）被锁紧螺钉限制转动而不能旋转，通过旋转手动旋柱（2-7）即实现套筒（2-3）的直线移动；

主推力校准装置（6）包括，

主推力校准板（6-4），

Q个连接组件（6-6），

K个第三圆筒（6-5），

以及至少三根支撑杆（6-3），K=Q，Q≥3，

一个第三圆筒（6-5）设置于主推力校准板（6-4）的顶面中心，剩余的第三圆筒（6-5）固定于主推力校准板（6-4）顶面，主推力校准板（6-4）的底面对应第三圆筒（6-5）的位置分别设有若干凹槽，主推力校准板（6-4）设置于底板（4）的通孔正下方，主推力校准板（6-4）通过至少三根支撑杆（6-3）与底板（4）固连，连接组件一端穿过第三圆筒（6-5）与主推力校准板（6-4）固连，另一端与测力组件（3）的传感器上连接板（3-1）固连。

2.根据权利要求1所述的小型立式推力矢量测试台，其特征在于：所述四个三维力传感器（3-2）的中心轴分别位于正方形的四个角上。

3.根据权利要求1所述的小型立式推力矢量测试台，其特征在于：所述侧推力校准板（2-1）、M个第一圆筒（2-9）、N个第二圆筒（2-10）为一体制造。

4.根据权利要求1所述的小型立式推力矢量测试台，其特征在于：第二圆筒（2-10）轴心与三维力传感器（3-2）顶面共面，且第一圆筒（2-9）高度大于第二圆筒（2-10）高度。

5.根据权利要求1所述的小型立式推力矢量测试台，其特征在于：所述连接组件（6-6）包括不锈钢丝（6-2）、第二力传感器（6-7）、第二连接杆（6-8）、第二套筒（6-9）、第二手动旋柱（6-10）、第二压紧板（6-11）和两个固定螺栓（6-1）；固定螺栓（6-1）为中心设有阶梯通孔的六角螺栓，不锈钢丝（6-2）穿过固定螺栓（6-1）通过打结的方式，以一定长度将两端分别固定在两个固定螺栓（6-1）内，一个固定螺栓（6-1）通过螺纹固定在传感器上连接板（3-1）底面，另一个固定螺栓（6-1）固定在第二力传感器（6-7）的一端，第二转接杆（6-8）固定在第二力传感器（6-7）的另一端，第三圆筒（6-5）的圆周外壁上设有第二限位孔（6-12），第二套筒（6-9）圆周外壁上设有键槽，锁紧螺钉穿过第二限位孔（6-12）后与键槽配合，Q个第二套筒（6-9）一端分别与K个第三圆筒（6-5）间隙配合，第二手动旋柱（6-10）为中间带圆盘的圆杆，一端穿过主推力校准板（6-4）与第二套筒（6-9）通过螺纹连接，圆盘位于主推力校准板（6-4）的凹槽内，第二压紧板（6-11）为圆环，盖住上述凹槽，并通过螺栓将第二压紧板（6-11）紧固在主推力校准板（6-4）上；标定时，旋紧其中一个第二手动旋柱（6-10），第二套筒（6-9）竖直向下直线移动，带动不锈钢丝（6-2）受力拉紧对传感器上连接板直接受力，通过旋转的松紧达到不同的测试拉力效果。

6.根据权利要求5所述的小型立式推力矢量测试台，其特征在于：主推力校准板（6-4）和K个第三圆筒（6-5）为一体制造。

Images