CN112284679B - 一种燃气舵测力五分量天平及分力的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种燃气舵测力五分量天平及分力的计算方法，包括以下步骤：S1、采集数据，发动机点火后燃气舵在发动机喷流中按照指定规律偏转，采集五分量天平中五分量的电压数据，及燃气舵舵偏角δ，所述五分量包括轴向力F_x、法向力F_y、X轴弯矩M_x、Y轴弯矩M_y、铰链力矩M_z；S2、计算校准。本方法测得数据丰富，规律性良好，具备良好的可操作性和较高的效率，获取的数据可以全面、准确地描述其性能，为相关专业提供有效数据支撑，同时降低工程研制成本和缩短研制周期，有较强的工程实用价值，针对具体的发动机与燃气舵系统结构形式、外形尺寸、性能指标等要求，可准确获取燃气舵性能参数，指导发动机与燃气舵设计与性能优化。

Description

一种燃气舵测力五分量天平及分力的计算方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体，特别涉及一种燃气舵测力五分量天平及分力的计算方法。

背景技术

燃气舵技术是最早应用于火箭发动机推力矢量控制的方案之一，具备结构简单、铰链力矩小、控制力强、响应速度快的优点。近年来，燃气舵在各型导弹、火箭弹等型号中有越来越多的应用。

燃气舵性能评估作为气动设计的一个重要环节，试车试验的方法与设备将直接影响获取数据的效率和精度。五分量天平是一个悬臂式应变传感器，悬臂上安装有多组应变片，可以直接测得单片舵舵面坐标系下所受的轴向力、法向力及三个方向的力矩，通过处理可得到的升力、阻力、铰链力矩、压心位置等数据，用于全弹制导稳定和弹道计算。此方法的优点明显，可以分别给出每片燃气舵的五分量气动性能参数，且不需要解算，提高了数据精度。并且可以通过一次试车获取多枚舵片的气动性能参数，效率较高。

在这种情况下，结合现有的技术水平和研制能力，开发一种燃气舵测力五分量天平，对燃气舵受力情况进行测量，获取其气动性能，并进行分析评估与优化迭代，指导燃气舵设计，是一项既有创造性又有实用价值的工作。

发明内容

本发明的一种燃气舵测力五分量天平及分力的计算方法，可以满足各类发动机与燃气舵试车试验的测量需求，获取的数据丰富，规律性好，利于指导燃气舵优化迭代设计，和燃气舵性能的分析评估,有较强的工程实用价值。

一种燃气舵测力五分量天平分力的计算方法，包括以下步骤：

S1、采集数据，发动机点火后燃气舵在发动机喷流中按照指定规律偏转，采集五分量天平中五分量的电压数据，及燃气舵舵偏角δ，所述五分量包括轴向力F_x、法向力F_y、X轴弯矩M_x、Y轴弯矩M_y、铰链力矩M_z；

S2、计算校准，计算校准公式为：

式中：F_i是分量，单位是N或Nm，F_i包括F₁-F₅，分别对应F_x、F_y、M_x、M_y、M_z五分量；V_Fx、V_Fy、V_Mx、V_My、V_Mz是各分量的输出电压，系数c₁～c₅是主系数和一次干扰系数，c₆～c₁₀是分别对应V_Fx、V_Fy、V_Mx、V_My、V_Mz的平方项干扰系数，c₁₁～c₂₀是二次相互干扰系数；

S3、坐标转换，将天平坐标系O_tx_ty_tz_t的五分量F_x、F_y、M_x、M_y、M_z,转换为舵面坐标系Oxyz对应的五分量:舵面轴向力FX_d、舵面法向力FY_d、舵面X轴弯矩MX_d、舵面Y轴弯矩MY_d、舵面铰链力矩MH_d。

进一步地，步骤S2中，计算校准前读取天平内部设置的温度传感器数据，当温度传感器的变化最高温度超过50℃时，针对温差进行补偿；小于50℃时，五分量数据不进行修正。

进一步地，所述补偿的温度校准公式为：

式中：T是天平内部温度，单位℃；C是电压-温度转换系数；V_T是天平内部温度传感器的电压；ΔV_i是各分力的温度修正电压；下标i＝1～5，分别对应ΔFx、ΔFy、ΔMx、ΔMy、ΔMz；s₁～s₄是温度修正系数；V_i是各分力温度修正前的电压，V_i'是各分力温度修正后的电压,V_i'包括V′₁-V′₅，修正后计算时分别对应各分量的输出电压V_Fx、V_Fy、V_Mx、V_My、V_Mz。

进一步地，步骤S3中，

所述转换前通过舵面坐标系Oxyz和天平坐标系O_tx_ty_tz_t，计算参考长度L_Z，所述参考长度L_Z为两个坐标原点的沿Z方向的距离,所述舵面坐标系Oxyz为燃气舵后缘指向前缘为x轴的正方向，燃气舵根弦指向梢弦为z轴的正方向，y轴由右手法则确定，原点O位于舵根弦上x轴与z轴的交点；所述天平坐标系O_tx_ty_tz_t为x_t轴、y_t轴、z_t轴的方向与舵面坐标系的方向一致，z_t轴与舵面坐标系z轴同轴，原点O_t为天平的力矩参考点,所述力矩参考点为五分量天平的几何中心；

转换过程中扣除参考长度L_Z对舵面坐标系Oxyz五分量的影响，公式如下所示：

舵面轴向力：FX_d＝F_x

舵面法向力：FY_d＝F_y

舵面X轴弯矩：MX_d＝M_x+F_y×L

舵面Y轴弯矩：MY_d＝M_y+F_x×L_Z

舵面铰链力矩：MH_d＝M_z。

进一步地，完成步骤S3后，还包括步骤

S4、后处理，将步骤S3所得五分量数据进行可视化处理。

进一步地，所述可视化处理的方式为转化为曲线、图像、报表中的一种或多种。

一种燃气舵测力五分量天平采用上述的计算方法进行计算，所述五分量天平为三段式结构，所述五分量天平测得的五分量轴向力F_x综合加载误差最大值为0.112％、法向力F_y综合加载误差最大值为0.059％、X轴弯矩M_x综合加载误差最大值为0.071％、Y轴弯矩M_y综合加载误差最大值为0.219％、铰链力矩M_z综合加载误差最大值为0.301％、重复性误差最大值为0.2％。

进一步地，所述五分量天平的轴向力F_x、法向力F_y的冲击量程为额定量程的2倍，X轴弯矩M_x、Y轴弯矩M_y的冲击量程为额定量程的10倍，铰链力矩M_z的冲击量程为额定量程的20/3倍。

本发明的一种燃气舵测力五分量天平及分力的计算方法具有以下优点：

1、适应性强，可以针对不同载荷设计匹配的量程，适用于任意发动机、燃气舵外形。

2、精度高，天平精度主要衡量标准为综合加载误差和重复性误差，本发明通过在天平校准台上测试：即在各个分量方向上施加不同质量的载荷，获取天平校准公式系数和天平精度等性能参数，实测结果表明，获取五个分量的高精度性能数据各项综合加载误差最大值为0.301％，重复性误差为0.2％，分别优于国军标《GJB2244A-2011风洞应变天平规范》中指标要求的0.5％和0.3％，性能达到先进指标要求，相比之下，传统半弹试车的测量精度区间在1％～10％，本发明的精度提高了1～2个数量级。

3、低成本，五分量天平可以多次重复使用，只需定期校准即可。

4、测得数据丰富，规律性良好，具备良好的可操作性和较高的效率，获取的数据可以全面、准确地描述其性能，为相关专业提供有效数据支撑，同时降低工程研制成本和缩短研制周期，有较强的工程实用价值，针对具体的发动机与燃气舵系统结构形式、外形尺寸、性能指标等要求，可准确获取燃气舵性能参数，指导发动机与燃气舵设计与性能优化。

附图说明

图1为五分量天平内部结构的立体结构示意图；

图2为五分量天平与舵机及舵片的连接关系示意图；

图3为舵面坐标系示意图；

图4为实施例2中轴向力F_x实测值与理论值的曲线对比图(其中抖动曲线为实测值，光滑曲线为理论值)；

图5为实施例2中法向力F_y实测值与理论值的曲线对比图(其中抖动曲线为实测值，光滑曲线为理论值)；

图6为实施例2中X轴弯矩M_x实测值与理论值的曲线对比图(其中抖动曲线为实测值，光滑曲线为理论值)；

图7为实施例2中Y轴弯矩M_y实测值与理论值的曲线对比图(其中抖动曲线为实测值，光滑曲线为理论值)。

其中，1-应变计。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例中的测量原理：燃气舵气动性能试验搭载于发动机静止试验进行。发动机点火前，数据采集器高速采集记录五分量天平、角度传感器、统一时标信号的电压数据。发动机点火后，舵机驱动程序被统一时标信号触发，驱动舵机动作并带动燃气舵在发动机喷流中按照指定规律偏转。试验结束后回收电压数据，经过计算转换为燃气舵的偏转角度及对应状态下受到的五分量力和力矩。

一种燃气舵测力五分量天平分力的计算方法，包括以下步骤：

S1、采集数据，发动机点火后燃气舵在发动机喷流中按照指定规律偏转，采集五分量天平中五分量的电压数据，及燃气舵舵偏角δ，所述五分量包括轴向力F_x、法向力F_y、X轴弯矩M_x、Y轴弯矩M_y、铰链力矩M_z；

S2、计算校准，计算校准公式为：

式中：F_i是分量，单位是N或Nm，F_i包括F₁-F₅，分别对应F_x、F_y、M_x、M_y、M_z五分量；V_Fx、V_Fy、V_Mx、V_My、V_Mz是各分量的输出电压，单位是mV，系数c₁～c₅是主系数和一次干扰系数，c₆～c₁₀是分别对应V_Fx、V_Fy、V_Mx、V_My、V_Mz的平方项干扰系数，c₁₁～c₂₀是二次相互干扰系数；计算F_i时系数c₁～c₅中对应F₁-F₅的下标为主系数，其余为一次干扰系数，即测量分量F_x时，c₁为主系数，其他为一次干扰系数；测量分量F_y时，c₂为主系数，其他为一次干扰系数；测量分量M_x时，c₃为主系数，其他为一次干扰系数；测量分量M_y时，c₄为主系数，其他为一次干扰系数；测量分量M_z时，c₅为主系数，其他为一次干扰系数；主系数与干扰系数的个数和量值是由五分量天平的结构、设计、制造、校准等各方面综合决定，不能由结构、设计、制造、校准其中一个单一因数决定；

S3、坐标转换，将天平坐标系O_tx_ty_tz_t的五分量F_x、F_y、M_x、M_y、M_z,转换为舵面坐标系Oxyz对应的五分量:舵面轴向力FX_d、舵面法向力FY_d、舵面X轴弯矩MX_d、舵面Y轴弯矩MY_d、舵面铰链力矩MH_d。

步骤S3中，所述转换前通过舵面坐标系Oxyz和天平坐标系O_tx_ty_tz_t，计算参考长度L_Z，如图2-3所示，所述参考长度L_Z为两个坐标原点的沿Z方向的距离,所述舵面坐标系Oxyz为燃气舵后缘指向前缘为x轴的正方向，燃气舵根弦指向梢弦为z轴的正方向，y轴由右手法则确定，原点O位于舵根弦上x轴与z轴的交点；所述天平坐标系O_tx_ty_tz_t为x_t轴、y_t轴、z_t轴的方向与舵面坐标系的方向一致，z_t轴与舵面坐标系z轴同轴，原点O_t为天平的力矩参考点，所述力矩参考点为五分量天平的几何中心；

转换过程中扣除参考长度L_Z对舵面坐标系Oxyz五分量的影响，公式如下所示：

舵面轴向力：FX_d＝F_x；

舵面法向力：FY_d＝F_y；

舵面X轴弯矩：MX_d＝M_x+F_y×L_Z；

舵面Y轴弯矩：MY_d＝M_y+F_x×L_Z；

舵面铰链力矩：MH_d＝M_z。

本发明中术语、符合定义如表1所示：

表1：

序号	符号	术语	定义和说明	单位
					1	F<sub>x</sub>	轴向力	与x轴同向为正	N
2	F<sub>y</sub>	法向力	与y轴同向为正	N
					3	M<sub>x</sub>	X轴弯矩	按右手法则定义	N·m
4	M<sub>y</sub>	Y轴弯矩	按右手法则定义	N·m
					5	M<sub>z</sub>	铰链力矩	按右手法则定义	N·m
6	L<sub>Z</sub>	参考长度	两个坐标原点的沿Z方向的距离	m
					7	δ	燃气舵舵偏角	与Mz同向为正	°

五分量天平中的应变计类型为箔式中温应变计，其电气性能如表2所示：

表2：

完成步骤S3后，还包括步骤

S4、后处理，将步骤S3所得五分量数据进行可视化处理。

所述可视化处理的方式为转化为曲线、图像、报表中的一种或多种，如图4-7所示，本实施例中可视化处理的方式为转化为曲线，便于对燃气舵的性能进行分析。

如图1所示，本实施例中所述五分量天平为三段式结构，分段式天平具有结构设计简单、各分量耦合系数小、尺寸与载荷量程匹配性好、数据测量精度高等优点，其中五分量天平的两端分别与舵机和舵片(即图2所示燃气舵)安装连接，采用键槽加紧固件的安装连接方式；每段均设有应变计，靠近舵机的一段应变计为4个，即在X和Y方向各设置的2个应变片，用于测量铰链力矩M_z；中间一段的应变计为2个，即在Y方向设置的应变片，用于测量法向力F_y和X轴弯矩M_x；靠近舵片的一段应变计为2个，即在X方向设置的应变片，用于测量轴向力F_x和Y轴弯矩M_y。同时分量天平可根据实际使用场景进行结构灵活变换，若不测试该分量值可舍弃该段。

采用上述的计算方法进行计算后，获取五个分量的高精度性能数据各项综合加载误差最大值为0.301％，重复性误差为0.2％，分别优于国军标《GJB2244A-2011风洞应变天平规范》中指标要求的0.5％和0.3％，其中五分量天平的轴向力F_x、法向力F_y的冲击量程为额定量程的2倍，X轴弯矩M_x、Y轴弯矩M_y的冲击量程为额定量程的10倍，铰链力矩M_z的冲击量程为额定量程的20/3倍。本实施例中各分量量程如表3所示：

表3

分量	额定量程	冲击量程	单位
				轴向力F<sub>x</sub>	15	30	N
法向力F<sub>y</sub>	75	150	N
				X轴弯矩M<sub>x</sub>	0.3	3	N·m
Y轴弯矩M<sub>y</sub>	0.3	3	N·m
				铰链力矩M<sub>z</sub>	0.15	1	N·m

因发动机点火后的初始阶段，五分量天平采集的各分量数据值较大，初始阶段的后期，五分量天平采集的各分量数据值相对较小，因此选取合适的额定量程不仅可测出动机点火后的初始阶段各分量的数据值，有利于初始阶段的后期分量数据值读取更精准，提高了各分量数据值的测试精度。

实施例2

本实施例步骤S2中，计算校准前读取天平内部设置的温度传感器数据，温度传感器型号为Pt100(量程0-300℃)，当温度传感器的变化最高温度超过50℃时，针对温差进行补偿；小于50℃时，五分量数据不进行修正。

所述补偿的温度校准公式为：

式中：T是天平内部温度，单位℃；C是电压-温度转换系数；V_T是天平内部温度传感器的电压，单位mV；ΔV_i是各分力的温度修正电压，单位是mV；下标i＝1～5，分别对应ΔFx、ΔFy、ΔMx、ΔMy、ΔMz；s₁～s₄是温度修正系数；V_i是各分力温度修正前的电压，单位是mV，V_i'是各分力温度修正后的电压,单位是mV,V_i'包括V′₁-V′₅，修正后计算时分别对应各分量的输出电压V_Fx、V_Fy、V_Mx、V_My、V_Mz，针对温差进行补偿修正后，再通过步骤S2计算校准各分量数据。

对五分量天平进行综合加载，在天平校准台上完成，通过在各个分量方向上施加不同质量的载荷，获取天平校准公式系数和天平精度等性能参数，所述五分量天平测得的五分量轴向力F_x综合加载误差最大值为0.112％、法向力F_y综合加载误差最大值为0.059％、X轴弯矩M_x综合加载误差最大值为0.071％、Y轴弯矩M_y综合加载误差最大值为0.219％、铰链力矩M_z综合加载误差最大值为0.301％、重复性误差最大值为0.2％。

Claims (6)

1.一种燃气舵测力五分量天平分力的计算方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、采集数据，发动机点火后燃气舵在发动机喷流中按照指定规律偏转，采集五分量天平中五分量的电压数据，及燃气舵舵偏角δ，所述五分量包括轴向力F_x、法向力F_y、X轴弯矩M_x、Y轴弯矩M_y、铰链力矩M_z；

S2、计算校准，计算校准公式为：

式中：F_i是分量，单位是N或Nm，F_i包括F₁-F₅，分别对应F_x、F_y、M_x、M_y、M_z五分量；V_Fx、V_Fy、V_Mx、V_My、V_Mz是各分量的输出电压，系数c₁～c₅是主系数和一次干扰系数，c₆～c₁₀是分别对应V_Fx、V_Fy、V_Mx、V_My、V_Mz的平方项干扰系数，c₁₁～c₂₀是二次相互干扰系数；

S3、坐标转换，将天平坐标系O_tx_ty_tz_t的五分量F_x、F_y、M_x、M_y、M_z,转换为舵面坐标系Oxyz对应的五分量:舵面轴向力FX_d、舵面法向力FY_d、舵面X轴弯矩MX_d、舵面Y轴弯矩MY_d、舵面铰链力矩MH_d；

步骤S2中，计算校准前读取天平内部设置的温度传感器数据，当温度传感器的变化最高温度超过50℃时，针对温差进行补偿；小于50℃时，五分量数据不进行修正；

所述补偿的温度校准公式为：

式中：T是天平内部温度，单位℃；C是电压-温度转换系数；V_T是天平内部温度传感器的电压，ΔV_i是各分力的温度修正电压；下标i＝1～5，分别对应ΔFx、ΔFy、ΔMx、ΔMy、ΔMz；s₁～s₄是温度修正系数；V_i是各分力温度修正前的电压，V_i'是各分力温度修正后的电压,V_i'包括V′₁-V′₅，修正后计算时分别对应各分量的输出电压V_Fx、V_Fy、V_Mx、V_My、V_Mz。

2.根据权利要求1所述的燃气舵测力五分量天平分力的计算方法，其特征在于：步骤S3中，

所述转换前通过舵面坐标系Oxyz和天平坐标系O_tx_ty_tz_t，计算参考长度L_Z，所述参考长度L_Z为两个坐标原点的沿Z方向的距离,所述舵面坐标系Oxyz为燃气舵后缘指向前缘为x轴的正方向，燃气舵根弦指向梢弦为z轴的正方向，y轴由右手法则确定，原点O位于舵根弦上x轴与z轴的交点；所述天平坐标系O_tx_ty_tz_t为x_t轴、y_t轴、z_t轴的方向与舵面坐标系的方向一致，z_t轴与舵面坐标系z轴同轴，原点O_t为天平的力矩参考点，所述力矩参考点为五分量天平的几何中心；

转换过程中扣除参考长度L_Z对舵面坐标系Oxyz五分量的影响，公式如下所示：

舵面轴向力：FX_d＝F_x

舵面法向力：FY_d＝F_y

舵面X轴弯矩：MX_d＝M_x+F_y×L_Z

舵面Y轴弯矩：MY_d＝M_y+F_x×L_Z

舵面铰链力矩：MH_d＝M_z。

3.根据权利要求2所述的燃气舵测力五分量天平分力的计算方法，其特征在于：完成步骤S3后，还包括步骤

S4、后处理，将步骤S3所得五分量数据进行可视化处理。

4.根据权利要求3所述的燃气舵测力五分量天平分力的计算方法，其特征在于：所述可视化处理的方式为转化为曲线、图像、报表中的一种或多种。

5.一种采用权利要求1-4任一项所述计算方法的燃气舵测力五分量天平，其特征在于：所述五分量天平为三段式结构，所述五分量天平测得的五分量轴向力F_x综合加载误差最大值为0.112％、法向力F_y综合加载误差最大值为0.059％、X轴弯矩M_x综合加载误差最大值为0.071％、Y轴弯矩M_y综合加载误差最大值为0.219％、铰链力矩M_z综合加载误差最大值为0.301％、重复性误差最大值为0.2％。

6.根据权利要求5所述的燃气舵测力五分量天平，其特征在于：所述五分量天平的轴向力F_x、法向力F_y的冲击量程为额定量程的2倍，X轴弯矩M_x、Y轴弯矩M_y的冲击量程为额定量程的10倍，铰链力矩M_z的冲击量程为额定量程的20/3倍。

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