CN114112413A - 一种固体火箭发动机柔性喷管摆角及摆心漂移测试方法 - Google Patents

一种固体火箭发动机柔性喷管摆角及摆心漂移测试方法 Download PDF

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孟浩
毕浩然
钟织富
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Abstract

本发明公开一种固体火箭发动机柔性喷管摆角及摆心漂移测试方法，其特征在于，包括：靶标，粘贴在柔性喷管外壁；高速摄像机，帧率可调，对靶标进行拍照捕捉；光源，提供充足的照明环境；靶标上设有两个直径相等的圆，且圆心的连线水平，圆心距为a，直径为R；根据高速摄像机拍摄的画面，计算每一帧图像中靶标两圆心连线中点相对于初始位置的位移，计算出摆角、摆心漂移。本发明为非接触式测试，避免了设备繁琐的安装、调试，且测试精度高。

Description

一种固体火箭发动机柔性喷管摆角及摆心漂移测试方法
技术领域
本发明属于固体火箭发动机柔性喷管的性能参数的测试领域，更具体的涉及到一种柔性喷管的摆角、摆心的测量测试方法。
背景技术
火箭发动机由固定姿态控制向矢量控制发展，固体火箭发动机矢量喷管包括柔性喷管和轴承喷管，在实际工作中，为达到较好的控制要求，需要在试验中测试出冷零位、热零位，摆角及工作中(含不同内压工作状态)作动器推力与摆角、控制摆角与实际摆角、不同摆角与摆心之间的关系，此外还需考虑单摆与双摆耦合等因素的影响，来验证考察细节设计的合理性。
现行的固体火箭发动机柔性喷管摆角及摆心的测量方法为通过在柔性喷管的各个特征位置布置位移传感器以获取各个特征点的位移数据变化来计算出柔性喷管的摆角及摆心数据。但由于位移传感器布置位置受限且位移传感器在柔性喷管高频摆动试验中数据采集存在延时且位移传感器布置过程繁琐精度较低，不能有效的满足对柔性喷管矢量特性的测试，因此亟待寻找一钟新型的柔性喷管的摆心及摆角的测量方法。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明提供一种测试精度高、测试效率高的固体火箭发动机柔性喷管摆角及摆心漂移测试方法。
为达到上述目的，本发明设计的固体火箭发动机柔性喷管摆角及摆心漂移测试方法，其特征在于，包括：
靶标，粘贴在柔性喷管外壁；
高速摄像机，帧率可调，对靶标进行拍照捕捉；
光源，提供充足的照明环境；
靶标上设有两个直径相等的圆，且圆心的连线水平，圆心距为a，直径为R；
根据高速摄像机拍摄的画面，计算每一帧图像中靶标两圆心连线中点相对于初始位置的位移，计算出摆角、摆心漂移。
优选的，每一帧图像中靶标两圆心的距离为L、两圆心连线中点相对于初始位置在X轴上的位移为△x，靶标相对于初始位置在X轴上的实际位移为△X＝△x·a/L；每一帧图像中靶标两圆心的距离为L、两圆心连线中点相对于初始位置在Y轴上的位移为△y，靶标相对于初始位置在Y轴上的实际位移为△Y＝△y·a/L。
优选的，靶标两圆心连线中点相对于初始位置的坐标为(△X，△Y)，靶标两圆心连线中点相对于初始位置的摆角为a＝arctan(△x/△y)。
优选的，记录每一帧靶标两圆心连线中点的实际位置，若干离散位置点则形成靶标的运动轨迹，作运动轨迹任意两点连线的中垂线，若干中垂线的交点为摆心漂移的分布区间。
优选的，所述圆心距a的范围为30mm～50mm。
优选的，所述直径R的范围为10mm～20mm。
本发明的有益效果是：本发明为非接触式测试，避免了设备繁琐的安装、调试，且测试精度高。
附图说明
图1为0.2MPa压力下三角波摆心漂移分布图
图2为6.89MPa压力下三角波摆心漂移分布图
具体实施方式
下面通过图1～图2以及列举本发明的一些可选实施例的方式，对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
按照固体火箭发动机柔性喷管摆动试验要求对柔性喷管进行装配，并采用传统的位移传感器测试方法和本发明的测试方法同时对柔性喷管进行摆角、摆心漂移等矢量数据测试，通过对比试验验证本发明的可行性和有效性。
传统的位移传感器测量方式是在柔性喷管不同位置布置位移传感器，通过布置传感器位置的数据变化计算柔性喷管的摆心和摆角。而本发明是通过在柔性喷管上粘贴靶标，利用高速摄像机对靶标成像后，通过高速摄像机对靶标运动状态进行捕捉，进而推算出柔性喷管的摆动状态从而对柔性喷管的摆心和摆角进行计算。
本发明设计的固体火箭发动机柔性喷管摆角及摆心漂移测试方法，包括：靶标，粘贴在柔性喷管外壁；高速摄像机，帧率可调，对靶标进行拍照捕捉；光源，提供充足的照明环境；靶标上设有两个直径相等的圆，且圆心的连线水平，圆心距为40mm，直径为20mm；根据高速摄像机拍摄的画面，计算每一帧图像中靶标两圆心连线中点相对于初始位置的位移，计算出摆角、摆心漂移。
每一帧图像中靶标两圆心的距离为L、两圆心连线中点相对于初始位置在X轴上的位移为△x，靶标相对于初始位置在X轴上的实际位移为△X＝△x·40/L；每一帧图像中靶标两圆心的距离为L、两圆心连线中点相对于初始位置在Y轴上的位移为△y，靶标相对于初始位置在Y轴上的实际位移为△Y＝△y·40/L；靶标两圆心连线中点相对于初始位置的坐标为(△X，△Y)，靶标两圆心连线中点相对于初始位置的摆角为a＝arctan(△x/△y)。以上长度单位均为毫米。
记录每一帧靶标两圆心连线中点的实际位置，若干离散位置点则形成靶标的运动轨迹，作运动轨迹任意两点连线的中垂线，若干中垂线的交点为摆心漂移的分布区间。
单向摆动试验
单向摆动试验是指X、Y两个方向分别以0.2Hz的频率摆动5个周期，摆角为6°，摆动波形有正弦波、矩形波、三角波三种波形，分别在0.2MPa和6.89MPa压力下分别进行摆动，对柔性喷管摆角和摆心数据进行测量。
通过对柔性喷管在不同波形下进行摆动试验得出以下结果：
表1单项摆动位移传感器测试方法测试数据
Figure BDA0003325818500000031
表2单项摆动本发明的测试数据
Figure BDA0003325818500000032
观察试验结果，两种测试方法所得出的摆角有一定偏差，偏差范围是0.06°～0.27°，偏差为1％～4.5％；此外两种测试方法测得的摆心漂移数据相差较大，其中本发明测得的摆心轴向漂移和径向漂移均较小，通过观察本发明测得的摆心漂移图，如图1和图2所示，图中摆心漂移规律性比较强，更符合实际摆心分布规律，因此单项摆动试验中可以得出本发明测得的数据更加准确。
因此，本发明能够满足柔性喷管的测试需求，各项测试数据和传统位移传感器测试数据相近，相比于位移传感器测试方法，该方法具有更高的测试精度和测试效率，更能满足实际生产的需要。
本领域技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不以限制本发明，凡在本发明的精神和原则下所做的任何修改、组合、替换、改进等均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种固体火箭发动机柔性喷管摆角及摆心漂移测试方法，其特征在于，包括：
靶标，粘贴在柔性喷管外壁；
高速摄像机，帧率可调，对靶标进行拍照捕捉；
光源，提供充足的照明环境；
靶标上设有两个直径相等的圆，且圆心的连线水平，圆心距为a，直径为R；
根据高速摄像机拍摄的画面，计算每一帧图像中靶标两圆心连线中点相对于初始位置的位移，计算出摆角、摆心漂移。
2.根据权利要求1所述的固体火箭发动机柔性喷管摆角及摆心漂移测试方法，其特征在于：每一帧图像中靶标两圆心的距离为L、两圆心连线中点相对于初始位置在X轴上的位移为△x，靶标相对于初始位置在X轴上的实际位移为△X＝△x·a/L；每一帧图像中靶标两圆心的距离为L、两圆心连线中点相对于初始位置在Y轴上的位移为△y，靶标相对于初始位置在Y轴上的实际位移为△Y＝△y·a/L。
3.根据权利要求2所述的固体火箭发动机柔性喷管摆角及摆心漂移测试方法，其特征在于：靶标两圆心连线中点相对于初始位置的坐标为(△X，△Y)，靶标两圆心连线中点相对于初始位置的摆角为a＝arctan(△x/△y)。
4.根据权利要求1或2或3所述的固体火箭发动机柔性喷管摆角及摆心漂移测试方法，其特征在于：记录每一帧靶标两圆心连线中点的实际位置，若干离散位置点则形成靶标的运动轨迹，作运动轨迹任意两点连线的中垂线，若干中垂线的交点为摆心漂移的分布区间。
5.根据权利要求1所述的固体火箭发动机柔性喷管摆角及摆心漂移测试方法，其特征在于：所述圆心距a的范围为30mm～50mm。
6.根据权利要求1或5所述的固体火箭发动机柔性喷管摆角及摆心漂移测试方法，其特征在于：所述直径R的范围为10mm～20mm。
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Title
林新东 等: "基于机器视觉的固体发动机摆动喷管空间位姿的实时测量技术", 《固体火箭技术》, 11 May 2021 (2021-05-11), pages 1 - 8 *

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