CN112697444B - 姿轨控发动机多点协同加载校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种姿轨控发动机多点协同加载校准装置及方法，包括静态多点协同加载校准和动态多点协同加载校准，在龙门结构上安装同轴环绕姿轨控发动机的轨道，若干个力源装置通过移位机构安装在轨道上，力源装置的伺服机构通过力源顶杆施加到姿轨控发动机上，力传感器安装在力源顶杆一端，测量施加力的大小；协同控制器接收力传感器的输出信号，控制各个伺服机构按照设定的工作顺序以及加载力值幅度、加载速率、加载上升时间和保持加载力值持续时间进行动作。本发明能够模拟在姿控发动机姿控喷管和轨控喷管施加力，完成对测试系统试极限验证校准，提高高频多维脉冲推力矢量测试系统测试的准确性。

Description

姿轨控发动机多点协同加载校准装置及方法

技术领域

本发明属于发动机试验与测试领域，主要用于模拟姿轨控发动机工况条件下，对构建测试系统进行极限验证校准。

背景技术

在国内姿轨控发动机地面试验前校准方法中，一般都采用成熟的原位静态校准技术。

原位校准技术属于对工作传感器进行模拟实际工作状态的静态校准，以消除试验台固有的静态装配间隙和误差。原位校准是通过标准力源分别对标准传感器和多分力试验台施加不同标准力，进行X轴、Y轴、Z轴三个方向原位校准，采用最小二乘法形成校准方程，给出各方向测试不确定度。原位校准技术对于传统的固体火箭发动机地面试验可以提高测试系统的准确度，但是对于典型的固体燃气姿轨控发动机来说，由于其产品特点与工作特点决定了姿控喷管和轨控喷管在两个不同端面，按照工作时序协同工作，产生连续多维空间瞬态推力矢量，原位校准方法没有按照产品实际工况进行极限校准，仅限于沿三个方向分别施加单一方向的模拟推力，未模拟产品实际工作环境空间矢量力，施加单一方向模拟推力得到的结果无法直接反映测试系统的性能指标。为了提高多维脉冲推力矢量测试系统的准确性，需要结合固体燃气姿轨控发动机姿控和轨控喷管协同工作模式进行多点协同加载校准技术研究，研制多点协同加载校准装置与方法研究，开展测试系统的极限校准。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种姿轨控发动机多点协同加载校准装置，能够模拟在姿控发动机姿控喷管和轨控喷管施加力的静态多点协同和动态多点协同加载校准，完成对测试系统试极限验证校准，提高高频多维脉冲推力矢量测试系统测试的准确性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种姿轨控发动机多点协同加载校准装置，包括姿控施力机构、轨控施力机构及协同控制器。

所述的姿控施力机构和轨控施力机构均包括支架、力源装置和移位机构，所述的支架在龙门结构上安装同轴环绕姿轨控发动机的轨道，若干个力源装置通过移位机构安装在轨道上，并能够沿轨道运动和定位；所述的力源装置包括伺服机构、力源顶杆和力传感器，伺服机构的输出通过力源顶杆施加到姿轨控发动机上，所述的力传感器安装在力源顶杆一端，测量施加力的大小；所述的协同控制器接收力传感器的输出信号，控制各个伺服机构按照设定的工作顺序以及加载力值幅度、加载速率、加载上升时间和保持加载力值持续时间进行动作。

所述的姿控施力机构采用C型轨道，轨道开口朝下；所述的轨控施力机构采用O型轨道。

所述的轨道通过高低调节机构安装在支架上。

所述的支架下端设置底座，底座底部设置导轨槽，与铸铁基础平台上的定位导轨相匹配。

所述的力源顶杆根据发动机直径不同，设计不同长度。

所述的移位机构通过手轮实现在轨道上移动，通过固定螺栓固定位置。

所述的协同控制器对加载力值幅度、加载速率、加载上升时间和保持加载力值持续时间进行设定，根据模拟加载工况要求输出任意组合控制信号，经过驱动控制器进行放大，驱动力源装置完成静力加载；协同控制器输出单路瞬态激振信号、两路瞬态激振信号或连续瞬态激振信号，瞬态激振信号通过功率放大器进行放大，推动力源装置对姿轨控发动机进行激振。

本发明还提供一种利用上述装置的姿轨控发动机多点协同加载校准，包括静态多点协同加载校准和动态多点协同加载校准，所述的静态多点协同加载校准包括姿控单点静态加载，模拟姿控单喷管点火试验推力情况；轨控单点静态加载；模拟轨控单喷管点火试验推力情况；姿控两点静态加载；模拟姿控两喷管点火试验推力情况；轨控两点静态加载；模拟轨控两喷管点火试验推力情况；姿控两点、轨控单点静态加载；模拟姿控两喷管，轨控两喷管点火试验推力情况；轨控两点、姿控单点静态加载；模拟轨控两喷管，姿控单喷管点火试验推力情况；姿控两点、轨控两点静态加载。模拟姿控两喷管、轨控两喷管点火试验推力情况；所述的动态多点协同加载校准包括姿控单点动态激振；轨控单点动态激振；姿控两点动态激振；轨控两点动态激振；姿控单点、轨控单点动态激振。

本发明的有益效果是：针对于典型的固体燃气姿轨控发动机，根据其产品特点与工作特点在两个不同端面按照工作时序协同工作的姿控喷管和轨控喷管施加空间推力矢量，打破了原位校准仅限于沿三个方向分别施加单一方向的模拟推力，不能模拟产品实际工作环境的局限，更能按照产品实际工况进行极限校准，可以根据姿轨控发动机的工作特点模拟姿控喷管和轨控喷管对试车台协同加载空间矢量力值，更准确的直接反映测试系统的性能指标。静态多点协同加载可以完成姿控单点、轨控单点、姿控两点、轨控两点、姿控两点和轨控单点、轨控两点和姿控单点、姿控两点和轨控两点等各种状态的协同加载校准，可以考核测试系统多分力试验台的刚度，通过在静态协同加载环境条件下分析计算出推力矢量的准确性，可以进一步考核软件解析算法的正确性，并且为解析轨姿叠加工作相互作用影响分析提供数据支撑。动态多点协同加载可以完成姿控单点、轨控单点、姿控两点、轨控两点等各种状态的协同加载校准，动态多点协同加载可以进一步验证测试系统动态传递函数及推力矢量合成算法的正确性。

目前国内还没有此方面的相关研究。本发明不仅进行了测试方法研究，而且设计了具体静态多点协同加载校准装置和动态多点协同加载校准装置，可以实现模拟姿轨控发动机姿控喷管和轨控喷管协同工作进行力值加载的特点，从而验证推力矢量合成算法的正确性。通过本发明，掌握了多点协同加载校准技术和校准方法，弥补了国内测试技术领域多点协同加载校准技术的空白。

附图说明

图1是静态多点协同加载校准工作原理图；

图2是姿控施力机构图；

图3是轨控施力机构图；

图4是动态多点协同加载校准工作原理图；

图5是姿控两点、轨控两点静态协同加载方向示意图；

图6是姿控两点、轨控两点静态协同加载力值示意图；

图7是姿控单点、轨控单点动态协同加载方向示意图；

图中，1-加载架，2-可拆卸标准力源装置，3-机械辅助精准移位机构

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

为模拟固体燃气姿轨控发动机工况条件下，对构建的高频多维脉冲推力矢量试验测试系统进行极限校准验证，本发明公开了一种姿轨控发动机多点协同加载校准装置及方法。

本发明提供的姿轨控发动机多点协同加载校准包括静态多点协同加载校准和动态多点协同加载校准。

静态多点协同加载校准装置包含姿控施力机构、轨控施力机构及静态协同控制器。

具体姿控施力机构包含C型支架、可拆卸标准力源装置、机械辅助精准移位机构。轨控施力机构除为O型支架外，其余组成和姿控施力机构保持一致。

C/O型支架包含架体、底座、可微调高度定位机构。架体采用龙门结构，可微调高度机构与C/O型调节环相连接，可通过微调高度机构进行支架高度调节，并在底座底部设置导轨槽，与铸铁基础平台上定位导轨相匹配，确保水平方向精准定位，整体保证与被测发动机同轴度要求。

可拆卸标准力源包含力源顶杆、标准力传感器、力源细分装置、伺服装置，力源采用可拆卸结构，力源安装位置设置力源安装定位槽，保证每次安装时力源位置精确度。根据发动机直径不同设计多种不同长度力源顶杆，可适用于不同直径发动机进行多点协同加载。力源装置可在施力机构C/O型加载架上移动并精准定位。

机械辅助精准移位机构，可通过手轮机械辅助装置实现标准力源在C/O型环移动轨道上进行位置移动，可通过调整手轮摇杆精准移至指定力值加载位置，再通过固定螺栓固定，即可进行指定位置力值加载。

静态协同控制器，采用处理器进行设计搭建，其作用是完成标准力传感器的输出信号的接收、信号比对分析及计算，实时发出控制指令，完成四路PWM(脉宽调制)输出控制通道的输出控制，去控制四个单元伺服驱动模块，实现任意组合方式驱动信号输出，驱动信号控制伺服电机工作，与控制计算机共同构建。可实现对加载力值幅度、加载速率、加载上升时间和保持加载力值持续时间进行设定。根据模拟加载工况要求，可输出任意组合控制信号，经过驱动控制器进行放大，驱动执行机构(伺服电机、标准力源)完成对标准力传感器和试验产品的加载。静力加载采用闭环控制，通过标准力传感器输出信号，实时反馈到静态协同控制器同设置加载参数进行比对分析和计算，对送回的加载力值信号修正控制，使其达到规定静力加载效果。

连接关系：龙门结构的C/O型加载架底座底部安装有定位导轨槽，与铸铁基础平台上定位导轨相匹配；底座上安装有可收缩移动轮，方便加载装置的移动；上端安装有C/O型调节环，C/O型调节环上安装有可拆卸标准力源，标准力源通过力源顶杆、标准力传感器直接在姿控、轨控喷管上进行力值加载。

力值大小的精确控制：通过标准力传感器实现力值大小的精确控制。标准力传感器选用不确定度为0.05％的S型传感器，标准力传感器与力源顶杆通过螺纹连接，根据具体模拟加载工况要求，静态协同控制器输出组合控制信号，完成对标准力传感器和试验产品的加载。标准力传感器输出信号，实时反馈到静态协同控制器并同设置加载参数进行比对分析和计算，对送回的加载力值信号修正控制，使其达到规定静力加载效果。

静态多点协同加载方式采用在固体姿轨控发动机姿控和轨控喷管两端协同加载模式，在静态协同加载装置对试验产品进行协同加载时，多分力组合传感器实时输出电荷信号，经电荷放大器转换成电压信号，送至数据采集单元进行数据的采集记录，调用原位校准的校准文件和建立的数据解析算法公式，将其转换为工程量数据(力值与时间曲线数据)，并同静态多点协同加载设定参数进行比对分析(力值幅度、加载速率、加载上升时间和保持加载力值)，获取相应数据，完成试验系统的静态协同加载的校准。

本发明提供的静态多点协同加载校准装置的工作过程如下：

a)姿控单点静态加载，模拟姿控单喷管点火试验推力情况；

b)轨控单点静态加载；模拟轨控单喷管点火试验推力情况；

c)姿控两点静态加载；模拟姿控两喷管点火试验推力情况；

d)轨控两点静态加载；模拟轨控两喷管点火试验推力情况；

e)姿控两点、轨控单点静态加载；模拟姿控两喷管，轨控两喷管点火试验推力情况；

f)轨控两点、姿控单点静态加载；模拟轨控两喷管，姿控单喷管点火试验推力情况；

g)姿控两点、轨控两点静态加载。模拟姿控两喷管、轨控两喷管点火试验推力情况；

动态多点协同加载装置与静态多点协同加载装置架构一致，在静态力源位置安装可加载瞬时力值的动态力源。主要由动态多点加载轨控施力架、姿控施力架、转接板、动态力源、多通道协同信号控制器、动态力传感器等组成，其中轨控施力架、姿控施力架与静态多点协同加载装置共用。

多通道协同控制器按照校准工作流程，协同控制器输出单路或两路瞬态激振信号、连续瞬态激振等信号，瞬态激振信号通过功率放大器进行放大，推动激振器和动态力传感器对固体燃气姿轨控发动机进行激振。动态力传感器动态输出信号反馈回多通道协同控制器进行采集分析，激振信号通过产品和工装将动态力施加到多分力组合传感器，数据采集分析系统对其输出信号进行采集分析，并与多通道协同控制器的采集分析数据进行比对分析，验证试验系统的动态特性及传递函数的正确性。

动态多点协同加载对测试系统校准的作用主要是验证动态传递函数及推力矢量合成算法的正确性。其校准工作方法如下：

a)姿控单点动态激振；

b)轨控单点动态激振；

c)姿控两点动态激振；

d)轨控两点动态激振；

e)姿控单点、轨控单点动态激振。

通过施加稳态正弦激振力信号，对测试传感器输出信号进行动态特性的分析，并按照分析计算方法给出传感器的动态特性，主要包括：试验台动架固有频率和阻尼比，最终实现系统的验证。

现结合实例，仅以姿控两点、轨控两点静态协同加载和姿控单点、轨控单点动态协同加载为例对本发明做进一步描述。

静态多点协同加载：

静态多点协同加载校准装置包含轨控施力机构、姿控施力机构及静态协同控制器。具体姿控施力机构如图2包含C型支架、可拆卸标准力源装置、机械辅助精准移位机构等。轨控施力机构如图3包含O型支架、可拆卸标准力源装置、机械辅助精准移位机构等。

静态加载过程及分析：

1)将模拟试验产品或试验产品通过推力转接装置固定在多分力试验台的安装台面上，确保连接刚度满足要求；

2)将轨控施力机构、姿控施力机构通过定位导轨分别移动到施加位置，按照姿控两喷管呈90°，轨控两喷管呈90°方向或者具体试验姿轨喷管工作要求，通过C型/O型两种施力机构上机械辅助精准移位机构将标准力源装置移至到规定方向上；其加载方向示意图和加载力值曲线如图5、图6所示。

3)将专用施力工装分别同两个轨控和两个姿轨标准力源加载机构刚性连接，分别同轨控喷管和姿轨喷管平行、对中；

4)在静态协同控制器上设置好轨控和姿轨加载力值、加载时间后完成力值加载；

5)在加载过程中数据采集系统实时对静态协同装置四路标准力源施加的力值信号及电荷放大器输出信号进行采集记录；

6)采用解析算法软件，对四路标准力源施加的力值信号和电荷放大器输出信号进行矢量合成的解算，并分析出矢量合成的准确性，包括：力值大小、矢量方向等参数，验证多分力试验台各个环节的刚度及解析算法正确性。

动态多点加载：

进行动态协同加载时，在静态标准力源位置安装可加载瞬时力值的动态力源，进行姿控单点、轨控单点瞬态脉冲力值加载。

本实例中选用VR4022动态激振器，1051V3动态力传感器。动态协同控制器包含硬件和软件。硬件由一个PXI机箱，一个PXI控制器，1个输出模块(每个模块4个输出)，4个输入模块(每个模块4个输入)组成。四通道模拟输入模块包含4个高性能模拟输入采集通道，采用24位分辨率的ADC，内置32位浮点高速DSP处理器，负责数据分析和实时处理，通过PXI总线实现与系统的数据通讯及采样的同步。四通道模拟输出模块包含4个高性能模拟输出采集通道，采用24位分辨率的DAC，内置32位浮点高速DSP处理器，负责数据实时处理和控制信号的生成，通过PXI总线实现与系统的数据通讯及采样的同步。软件上采用了多输入多输出传递函数矩阵进行估计的控制算法来实现系统闭环控制。在传递函数矩阵进行估计的过程中，解耦计算出每个响应点和每个激励点之间独立的传递函数，形成传递函数矩阵。试验时，2个激振器同时进行控制，经过前期的迭代调整控制，使得每个激振器的控制谱与目标谱基本吻合。然后后续可以完全按照迭代好的驱动，直接进行输出控制。

动态加载过程及分析：

1)在静态协同加载校准完成后，在原来安装标准静态力源位置通过转接板安装标准动态力源，确保激振连接工装与姿轨控喷管端面紧密配合，消除间隙；

2)动态协同控制器分别设置激振信号的脉宽和力值大小，如图7所示，进行姿控单点、轨控单点力值加载；

3)开启功率放大器；

4)启动激振程序，按照设定的脉宽和峰值开始激振；

5)在瞬态加载过程中协同控制器采集模块实时对两路动态力传感器的输出信号、电荷放大器输出信号进行采集记录；

6)利用协同控制器软件对激振信号和响应信号(电荷放大器输出信号)进行传递函数分析，验证传递函数的准确性；

7)再将同样的激振信号和响应信号(电荷放大器输出信号)送到数据采集系统，采用解析分析算法软件对两路动态标准力源施加的力值信号和电荷放大器输出信号分别进行矢量合成的解算，并分析出矢量合成的准确性，包括：力值大小、矢量方向等参数，验证解析算法正确性。

Claims (8)

1.一种姿轨控发动机多点协同加载校准装置，包括姿控施力机构、轨控施力机构及协同控制器，其特征在于，所述的姿控施力机构和轨控施力机构均包括支架、力源装置和移位机构，所述的支架在龙门结构上安装同轴环绕姿轨控发动机的轨道，若干个力源装置通过移位机构安装在轨道上，并能够沿轨道运动和定位；所述的力源装置包括伺服机构、力源顶杆和力传感器，伺服机构的输出通过力源顶杆施加到姿轨控发动机上，所述的力传感器安装在力源顶杆一端，测量施加力的大小；所述的协同控制器接收力传感器的输出信号，控制各个伺服机构按照设定的工作顺序以及加载力值幅度、加载速率、加载上升时间和保持加载力值持续时间进行动作。

2.根据权利要求1所述的姿轨控发动机多点协同加载校准装置，其特征在于，所述的姿控施力机构采用C型轨道，轨道开口朝下；所述的轨控施力机构采用O型轨道。

3.根据权利要求1所述的姿轨控发动机多点协同加载校准装置，其特征在于，所述的轨道通过高低调节机构安装在支架上。

4.根据权利要求1所述的姿轨控发动机多点协同加载校准装置，其特征在于，所述的支架下端设置底座，底座底部设置导轨槽，与铸铁基础平台上的定位导轨相匹配。

5.根据权利要求1所述的姿轨控发动机多点协同加载校准装置，其特征在于，所述的力源顶杆根据发动机直径不同，设计不同长度。

6.根据权利要求1所述的姿轨控发动机多点协同加载校准装置，其特征在于，所述的移位机构通过手轮实现在轨道上移动，通过固定螺栓固定位置。

7.根据权利要求1所述的姿轨控发动机多点协同加载校准装置，其特征在于，所述的协同控制器对加载力值幅度、加载速率、加载上升时间和保持加载力值持续时间进行设定，根据模拟加载工况要求输出任意组合控制信号，经过驱动控制器进行放大，驱动力源装置完成静力加载；协同控制器输出单路瞬态激振信号、两路瞬态激振信号或连续瞬态激振信号，瞬态激振信号通过功率放大器进行放大，推动力源装置对姿轨控发动机进行激振。

8.一种利用权利要求1所述装置的姿轨控发动机多点协同加载校准方法，其特征在于，包括静态多点协同加载校准和动态多点协同加载校准，所述的静态多点协同加载校准包括姿控单点静态加载，模拟姿控单喷管点火试验推力情况；轨控单点静态加载；模拟轨控单喷管点火试验推力情况；姿控两点静态加载；模拟姿控两喷管点火试验推力情况；轨控两点静态加载；模拟轨控两喷管点火试验推力情况；姿控两点、轨控单点静态加载；模拟姿控两喷管，轨控两喷管点火试验推力情况；轨控两点、姿控单点静态加载；模拟轨控两喷管，姿控单喷管点火试验推力情况；姿控两点、轨控两点静态加载； 模拟姿控两喷管、轨控两喷管点火试验推力情况；所述的动态多点协同加载校准包括姿控单点动态激振；轨控单点动态激振；姿控两点动态激振；轨控两点动态激振；姿控单点、轨控单点动态激振。

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