CN112857817A - 一种运载火箭发动机喷管摆角和摆角加速度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种运载火箭发动机喷管摆角和摆角加速度测量系统及方法。属于运载火箭发动机摆角测量技术领域。所述系统包括：线位移传感器，用于测量发动机喷管侧壁上第一预设测试点的线位移；加速度传感器，用于测量发动机喷管侧壁上第二预设测试点的加速度；数据采集终端，采集线位移传感器输出的线位移信息，发送至数据显示处理终端；采集加速度传感器输出的加速度信息，发送至数据显示处理终端；数据显示处理终端，同步接收线位移以及加速度信息，将线位移信息代入发动机摆角的数学模型，计算得到发动机摆角；将加速度传感器输出的加速度信息代入发动机摆角加速度的数学模型，计算得到发动机摆角加速度。本发明提高了发动机摆角加速度准确性。

Description

一种运载火箭发动机喷管摆角和摆角加速度测量系统及方法

技术领域

本发明涉及运载火箭发动机喷管摆角和摆角加速度测量系统及方法，实现发动机摆角以及摆角加速度的同步输出,属于运载火箭发动机摆角测量技术领域。

背景技术

现有运载火箭控制系统半实物仿真系统中，需要测量发动机摆角以及摆角加速度用于半实物闭环仿真。通常采用线位移传感器测量，计算得到发动机摆角，而发动机摆角加速度采用发动机摆角差分计算得到，并将两者信号反馈到半实物仿真闭环回路中。由于线位移传感器存在一定的测量误差，因此利用该测量信号进行差分计算，会带来发动机摆角加速度计算误差，将不能实际反映发动机摆角加速度。利用差分得到的摆角加速度信号进行运载火箭控制系统半实物闭环仿真时，可能会降低运载火箭控制系统半实物仿真的可靠性。因此，在半实物仿真试验过程中，亟需一种可以实时测量计算发动机喷管摆角加速度的方法，以得到较为准确的发动机摆角加速度信号用于半实物仿真试验，提高运载火箭控制系统半实物仿真的可靠性。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种运载火箭发动机喷管摆角和摆角加速度测量系统及方法，以解决不能准确获得发动机摆角加速度信息的问题，可以用于运载火箭控制系统半实物仿真试验。

本发明解决技术的方案是：运载火箭发动机喷管摆角和摆角加速度测量系统，该方法包括线位移传感器、加速度传感器、数据采集终端、数据显示处理终端；

线位移传感器，用于测量发动机喷管侧壁上第一预设测试点的线位移；

加速度传感器，用于测量发动机喷管侧壁上第二预设测试点的加速度；

数据采集终端，采集线位移传感器输出的线位移信息，发送至数据显示处理终端；采集加速度传感器输出的加速度信息，发送至数据显示处理终端；

数据显示处理终端，同步接收线位移以及加速度信息，将线位移信息代入发动机摆角的数学模型，计算得到发动机摆角；将加速度传感器输出的加速度信息代入发动机摆角加速度的数学模型，计算得到发动机摆角加速度。

所述线位移传感器的安装方式为：线位移传感器自由伸缩端A与发动机喷管上的第一预设测试点采用关节轴承链接，固定端B与线位移支座采用关节轴承链接，线位移支座与地基固定连接，所述线位移传感器自由伸缩端A、固定端B、发动机摆心O，构成一个平面，安装完成后，该平面过发动机喷管中心轴线，为发动机喷管的对称平面。

所述线位移传感器位移输出信号与发动机摆角的数学模型为：

其中：

a为线位移传感器固定端B到发动机摆心O的几何长度；

b为线位移传感器自由伸缩端A到发动机摆心O的几何长度；

l为线位移传感器的实时长度，l₀为线位移传感器的零位长度；

θ为发动机摆心O与线位移传感器自由端A连线与发动机摆心O与线位移传感器固定端B连线之间的夹角；

θ₀为发动机摆心O与线位移传感器自由伸缩端A连线与发动机摆心O与线位移传感器固定端B连线之间的夹角的初始值；

dl为线位移传感器输出线位移值变化量；

Δδ为发动机摆角。

所述加速度传感器的安装方式为：加速度传感器粘贴于发动机喷管外壁上，位置为位移传感器自由伸缩端A关于喷管中心轴线对称点正上方喷管口处。

所述发动机摆角加速度的数学模型为：

其中：

r为加速度传感器距离发动机中轴线距离半径；

h为加速度传感器距离发动机摆心中轴线方向的距离；

为加速度传感器坐标系下y轴加速度传感器输出值；

为发动机静态时加速度传感器坐标系下x轴加速度传感器输出值；

为发动机静态时加速度传感器坐标系下y轴加速度传感器输出值；

β为加速度传感器坐标系x轴与重力方向夹角；所述的加速度传感器坐标系以传感器粘贴固定面的几何中心D为原点，以ABO平面与喷管曲面相交曲线D点的切线为X轴，以ABO平面与喷管曲面相交曲线D点的法线为Y轴；

φ为加速度传感器与摆心连线与重力方向夹角；

为发动机加速度摆角；

Δδ为发动机摆角；

g为重力加速度。

本发明的另一个技术方案是：运载火箭发动机喷管摆角和摆角加速度测量方法，该方法包括如下步骤：

s1、安装线位移传感器，具体安装方式为：线位移传感器自由伸缩端与发动机喷管上的位移传感器上支点采用关节轴承链接，固定端与线位移支座采用关节轴承链接，线位移支座与地基固结；所述线位移传感器自由伸缩端A、固定端B、发动机摆心O，构成一个平面，安装完成后，该平面为发动机喷管的对称平面；

s2、安装加速度传感器，具体安装方式为：加速度传感器粘贴于发动机喷管外壁上，位置为位移传感器自由伸缩端关于喷管中轴线对称点正上方喷管口处；

s3、根据线位移传感器位移输出量dl与发动机摆角Δδ数学模型，计算发动机摆角；

s4、依据建立的加速度传感器输出量

与发动机摆角

数学模型，计算发动机摆角加速度。

所述线位移传感器位移输出量dl与发动机摆角Δδ数学模型为：

其中：

a为线位移传感器固定端B到发动机摆心O的几何长度；

b为线位移传感器自由伸缩端A到发动机摆心O的几何长度；

l为线位移传感器的实时长度，l₀为线位移传感器的零位长度；

θ为发动机摆心O与线位移传感器自由端A连线与发动机摆心O与线位移传感器固定端B连线之间的夹角；

θ₀为发动机摆心O与线位移传感器自由伸缩端A连线与发动机摆心O与线位移传感器固定端B连线之间的夹角的初始值；

dl为线位移传感器输出线位移值变化量；

Δδ为发动机摆角。

所述加速度传感器输出量

与发动机摆角

数学模型为：

其中：

r为加速度传感器距离发动机中轴线距离半径；

h为加速度传感器距离发动机摆心中轴线方向的距离；

为加速度传感器坐标系下y轴加速度传感器输出值；

为发动机静态时加速度传感器坐标系下x轴加速度传感器输出值；

为发动机静态时加速度传感器坐标系下y轴加速度传感器输出值；

β为加速度传感器坐标系x轴与重力方向夹角；所述的加速度传感器坐标系以传感器粘贴固定面的几何中心D为原点，以ABO平面与喷管曲面相交曲线D点的切线为X轴，以ABO平面与喷管曲面相交曲线D点的法线为Y轴；

φ为加速度传感器与摆心连线与重力方向夹角；

为发动机加速度摆角；

Δδ为发动机摆角；

g为重力加速度。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明采用加速度传感器测量发动机喷管摆角加速度的方法，实现了发动机摆角加速度测量，相比现有技术中的利用摆角进行差分运算得到摆角加速度的方法，保证了发动机摆角加速度测量计算精度，提高运载火箭控制系统半实物仿真的可靠性；

(2)、本发明数据显示处理终端同步接收线位移以及加速度信息，依据相应的发动机摆角及摆角加速度数学模型，可实现发动机摆角及摆角加速度同步计算和输出。

附图说明

图1为本发明实施例运载火箭发动机摆角测量系统框图；

图2为本发明实施例运载火箭发动机摆角测量空间布置图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提出了一种运载火箭发动机喷管摆角和摆角加速度测量系统及方法，该系统由位移传感器、加速度传感器、数据采集终端、数据显示处理终端搭建而成；依据线位移传感器输出信号与发动机摆角数学模型，以及测量加速度与发动机摆角加速度的数学模型，利用同步采集的线位移以及加速度数据，计算输出发动机摆角、摆角加速度。

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述：

如图1、图2所示，本发明运载火箭发动机喷管摆角和摆角加速度测量系统，其特征在于包括线位移传感器、加速度传感器、数据采集终端、数据显示处理终端；

线位移传感器，用于测量发动机喷管侧壁上第一预设测试点的线位移；

数据采集终端，将线位移传感器输出的线位移信息，发送至数据显示处理终端；

加速度传感器，用于测量发动机喷管侧壁上第二预设测试点的加速度；

数据采集终端，采集加速度传感器输出的加速度信息，发送至数据显示处理终端；

数据显示处理终端，同步接收线位移以及加速度信息，将线位移信息代入发动机摆角的数学模型，计算得到发动机摆角；将加速度传感器输出的加速度信息代入发动机摆角加速度的数学模型，计算得到发动机摆角加速度。

运载火箭摆角测量系统通常只依据图2的线位移传感器获取发动机摆角、摆角加速度用于半实物闭环仿真。线位移传感器、伺服机构、发动机、加速度传感器空间位置和几何尺寸信息如图2所示。具体的线位移传感器的安装方式为：线位移传感器自由伸缩端与发动机喷管上的第一预设测试点采用关节轴承链接，固定端与线位移支座采用关节轴承链接，线位移支座与地基固定连接，所述线位移传感器自由伸缩端A、固定端B、发动机摆心O，构成一个平面，安装完成后，该平面为发动机喷管的对称平面。

所述线位移传感器位移输出信号与发动机摆角的数学模型为：

其中：

a为线位移传感器固定端B到发动机摆心O的几何长度；

b为线位移传感器自由伸缩端A到发动机摆心O的几何长度；

l为线位移传感器的实时长度，l₀为线位移传感器的零位长度；

θ为发动机摆心O与线位移传感器自由伸缩端A连线与发动机摆心O与线位移传感器固定端B连线之间的夹角；

θ₀为发动机摆心O与线位移传感器自由伸缩端A连线与发动机摆心O与线位移传感器固定端B连线之间的夹角的初始值；dl为线位移传感器输出线位移值变化量；

Δδ为发动机摆角。

依据线位移传感器输出值，通过数据显示处理终端对试验数据进行处理可得到发动机摆角。

所述加速度传感器的安装方式为：加速度传感器粘贴于发动机喷管外壁上，位置为位移传感器自由伸缩端B关于喷管中轴线对称点正上方喷管口处，即发动机喷管外壁D上，其空间几何位置如图2所示，

所述发动机摆角加速度的数学模型为：

其中：

r为加速度传感器距离发动机中轴线距离半径；

h为加速度传感器距离发动机摆心中轴线方向的距离；

为图示坐标系下y轴加速度传感器输出值；

为发动机静态时加速度传感器坐标系下x轴加速度传感器输出值；

为发动机静态时加速度传感器坐标系下y轴加速度传感器输出值；

β为加速度传感器坐标系x轴与重力方向夹角；所述的加速度传感器坐标系以传感器粘贴固定面的几何中心D为原点，以ABO平面与喷管曲面相交曲线D点的切线为X轴，以ABO平面与喷管曲面相交曲线D点的法线为Y轴；

φ为加速度传感器与摆心连线与重力方向夹角；

为发动机加速度摆角；

Δδ为发动机摆角；

g为重力加速度。

基于上述系统，本发明还提供了运载火箭发动机喷管摆角和摆角加速度测量方法，该方法包括如下步骤：

(1)、安装线位移传感器，具体安装方式为：线位移传感器自由伸缩端与发动机喷管上的位移传感器上支点采用关节轴承链接，固定端与线位移支座采用关节轴承链接，线位移支座与地基固结；所述线位移传感器自由伸缩端A、固定端B、发动机摆心O，构成一个平面，安装完成后，该平面为发动机喷管的对称平面；

(2)、安装加速度传感器，具体安装方式为：加速度传感器粘贴于发动机喷管外壁上，位置为位移传感器自由伸缩端关于喷管中轴线对称点正上方喷管口处；

(3)、根据线位移传感器位移输出量dl与发动机摆角数学模型，计算发动机摆角；所述线位移传感器位移输出量dl与发动机摆角数学模型与上述线位移传感器位移输出信号与发动机摆角的数学模型相同。

(4)、根据加速度传感器输出量

与发动机摆角加速度数学模型，计算发动机摆角加速度。所述发动机摆角加速度数学模型见与上述发动机摆角加速度数学模型相同。

数据显示处理终端依据线位移传感器输出信号与发动机摆角数学模型，以及测量加速度与发动机摆角加速度的数学模型，利用同步采集的线位移以及加速度数据，可计算输出发动机摆角、摆角加速度。

本发明采用加速度传感器测量发动机喷管摆角加速度的方法，实现了对发动机摆角、摆角加速度测量的实时测量。相比现有技术中的利用摆角进行差分运算得到摆角加速度的方法，保证了发动机摆角加速度的测量计算精度，提高了运载火箭控制系统半实物仿真的可靠性。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，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、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.运载火箭发动机喷管摆角和摆角加速度测量系统，其特征在于包括线位移传感器、加速度传感器、数据采集终端、数据显示处理终端；

线位移传感器，用于测量发动机喷管侧壁上第一预设测试点的线位移；

加速度传感器，用于测量发动机喷管侧壁上第二预设测试点的加速度；

数据采集终端，采集线位移传感器输出的线位移信息，发送至数据显示处理终端；采集加速度传感器输出的加速度信息，发送至数据显示处理终端；

数据显示处理终端，同步接收线位移以及加速度信息，将线位移信息代入发动机摆角的数学模型，计算得到发动机摆角；将加速度传感器输出的加速度信息代入发动机摆角加速度的数学模型，计算得到发动机摆角加速度。

2.根据权利要求1所述的运载火箭发动机喷管摆角和摆角加速度测量系统，其特征在于所述线位移传感器的安装方式为：线位移传感器自由伸缩端A与发动机喷管上的第一预设测试点采用关节轴承链接，固定端B与线位移支座采用关节轴承链接，线位移支座与地基固定连接，所述线位移传感器自由伸缩端A、固定端B、发动机摆心O，构成一个平面，安装完成后，该平面过发动机喷管中心轴线，为发动机喷管的对称平面。

3.根据权利要求2所述的运载火箭发动机喷管摆角和摆角加速度测量系统，其特征在于所述线位移传感器位移输出信号与发动机摆角的数学模型为：

其中：

a为线位移传感器固定端B到发动机摆心O的几何长度；

b为线位移传感器自由伸缩端A到发动机摆心O的几何长度；

l为线位移传感器的实时长度，l₀为线位移传感器的零位长度；

θ为发动机摆心O与线位移传感器自由端A连线与发动机摆心O与线位移传感器固定端B连线之间的夹角；

θ₀为发动机摆心O与线位移传感器自由伸缩端A连线与发动机摆心O与线位移传感器固定端B连线之间的夹角的初始值；

dl为线位移传感器输出线位移值变化量；

Δδ为发动机摆角。

4.根据权利要求1所述的运载火箭发动机喷管摆角和摆角加速度测量系统，其特征在于所述加速度传感器的安装方式为：加速度传感器粘贴于发动机喷管外壁上，位置为位移传感器自由伸缩端A关于喷管中心轴线对称点正上方喷管口处。

5.根据权利要求4所述的运载火箭发动机喷管摆角和摆角加速度测量系统，其特征在于所述发动机摆角加速度的数学模型为：

其中：

r为加速度传感器距离发动机中轴线距离半径；

h为加速度传感器距离发动机摆心中轴线方向的距离；

为加速度传感器坐标系下y轴加速度传感器输出值；

为发动机静态时加速度传感器坐标系下x轴加速度传感器输出值；

为发动机静态时加速度传感器坐标系下y轴加速度传感器输出值；

β为加速度传感器坐标系x轴与重力方向夹角；所述的加速度传感器坐标系以传感器粘贴固定面的几何中心D为原点，以ABO平面与喷管曲面相交曲线D点的切线为X轴，以ABO平面与喷管曲面相交曲线D点的法线为Y轴；

φ为加速度传感器与摆心连线与重力方向夹角；

为发动机加速度摆角；

Δδ为发动机摆角；

g为重力加速度。

6.运载火箭发动机喷管摆角和摆角加速度测量方法，其特征在于包括如下步骤：

s1、安装线位移传感器，具体安装方式为：线位移传感器自由伸缩端与发动机喷管上的位移传感器上支点采用关节轴承链接，固定端与线位移支座采用关节轴承链接，线位移支座与地基固结；所述线位移传感器自由伸缩端A、固定端B、发动机摆心O，构成一个平面，安装完成后，该平面为发动机喷管的对称平面；

s2、安装加速度传感器，具体安装方式为：加速度传感器粘贴于发动机喷管外壁上，位置为位移传感器自由伸缩端关于喷管中轴线对称点正上方喷管口处；

s3、根据线位移传感器位移输出量dl与发动机摆角Δδ数学模型，计算发动机摆角；

s4、依据建立的加速度传感器输出量

与发动机摆角

数学模型，计算发动机摆角加速度。

7.根据权利要求6所述的运载火箭发动机喷管摆角和摆角加速度测量方法，其特征在于线位移传感器位移输出量dl与发动机摆角Δδ数学模型为：

其中：

a为线位移传感器固定端B到发动机摆心O的几何长度；

b为线位移传感器自由伸缩端A到发动机摆心O的几何长度；

l为线位移传感器的实时长度，l₀为线位移传感器的零位长度；

θ为发动机摆心O与线位移传感器自由端A连线与发动机摆心O与线位移传感器固定端B连线之间的夹角；

θ₀为发动机摆心O与线位移传感器自由伸缩端A连线与发动机摆心O与线位移传感器固定端B连线之间的夹角的初始值；

dl为线位移传感器输出线位移值变化量；

Δδ为发动机摆角。

8.根据权利要求6所述的运载火箭发动机喷管摆角和摆角加速度测量方法，其特征在于：所述加速度传感器输出量

与发动机摆角

数学模型为：

其中：

r为加速度传感器距离发动机中轴线距离半径；

h为加速度传感器距离发动机摆心中轴线方向的距离；

为加速度传感器坐标系下y轴加速度传感器输出值；

为发动机静态时加速度传感器坐标系下x轴加速度传感器输出值；

为发动机静态时加速度传感器坐标系下y轴加速度传感器输出值；

β为加速度传感器坐标系x轴与重力方向夹角；所述的加速度传感器坐标系以传感器粘贴固定面的几何中心D为原点，以ABO平面与喷管曲面相交曲线D点的切线为X轴，以ABO平面与喷管曲面相交曲线D点的法线为Y轴；

φ为加速度传感器与摆心连线与重力方向夹角；

为发动机加速度摆角；

Δδ为发动机摆角；

g为重力加速度。

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