CN115752897B - 姿态控制发动机的动态质心测量方法 - Google Patents

Abstract

姿态控制发动机的动态质心测量方法，涉及发动机质心测量技术领域。本发明是为了在发动机点火过程中对发动机的质心进行实时测量。本发明所述的姿态控制发动机的动态质心测量方法，将被测的姿态控制发动机以两种工作姿态放置在测量工装上，先用静态方式测量静态质心，然后用迭代的方式分别正序和倒序测量动态质心，最终求出平均值。本发明克服了燃料燃烧产生作用力，给动态质心测量带来的困难，能够在发动机点火过程中实现动态质心的测量。

Description

姿态控制发动机的动态质心测量方法

技术领域

本发明属于发动机质心测量技术领域。

背景技术

快速机动拦截是各种空天防御制导装置实现反导功能的技术关键。以固体脉冲发动机和姿态控制发动机为代表的固体动力系统可以通过产生直接力，为装置提供除传统的气动力控制以外更为丰富的控制方式选择。

姿态控制发动机工作时间短、最大瞬态推力建立时间快。其控制火箭弹姿态的原理是根据脉冲宽度调制控制信号，在互相垂直的两个通道形成横向燃气喷流控制力，该力构成相对于弹体质心的力矩，阻止火箭弹纵轴偏离初始段给定射向，从而达到减小落点散布、提高目标命中率的目的。

姿态控制发动机利用燃气发生器内固体推进剂产生燃气，通过调制阀门占空比控制喷管排出的燃气量来实现推力控制。当推力作用于质心平面时，产生轨控效果；当推力偏离质心平面时，产生姿控效果。

静态的质量质心测量过程中，发动机质量是不变的，质心位置也是不变的。但在点火期间，发动机内燃料消耗，因此发动机的质量是变化的，发动机的质心位置也是变化的，同时，燃料燃烧产生作用力，都给测量带来困难。而目前没有成熟技术能够测量点火过程的动态质心。

发明内容

本发明的目的是为了在发动机点火过程中对发动机的质心进行实时测量，现提供姿态控制发动机的动态质心测量方法。

姿态控制发动机的动态质心测量方法，该方法基于测量装置实现，所述测量装置包括测量工装、三个称重传感器和两个力矩传感器，测量工装用于承载被测姿态控制发动机，三个称重传感器均用于采集测量工装的重量，两个力矩传感器分别用于采集被测姿态控制发动机X轴和Y轴方向的受力力矩，所述X轴和Y轴分别为传感器坐标系中的X轴和Y轴，所述被测姿态控制发动机在测量工装上有两种工作姿态，所述两种工作姿态分别为立式和卧式，所述传感器坐标系是根据三个称重传感器在客观坐标系下的位置建立的空间直角坐标系，

所述动态质心测量方法包括以下步骤：

步骤一：将被测姿态控制发动机分别以两种工作姿态放置在测量工装上，利用三点称重法计算静止状态下被测姿态控制发动机在传感器坐标系下的初始质心坐标(L_x0,L_y0,L_z0)和被测姿态控制发动机所受的初始动态力F₀₀，动态力为被测姿态控制发动机在传感器坐标系下Z轴方向所受合力；

步骤二：点火启动两种工作姿态下的被测姿态控制发动机，并实时采集点火过程中三个称重传感器和两个力矩传感器的读数，在点火结束后，利用三点称重法计算静止状态下被测姿态控制发动机在传感器坐标系下的终止质心坐标(L_xN,L_yN,L_zN)和被测姿态控制发动机所受的终止动态力F_0N；

步骤三：根据公式一计算正序质心坐标，所述正序质心坐标为：按照从点火开始至点火结束的顺序依次计算获得的点火过程中各时刻被测姿态控制发动机在传感器坐标系下R轴的质心坐标，

根据公式二计算倒序质心坐标，所述倒序质心坐标为：按照从点火结束至点火开始的顺序依次计算获得的点火过程中各时刻被测姿态控制发动机在传感器坐标系下R轴的质心坐标，

其中，k＝1,2,3,...,K，N＝K+1，K为点火结束时刻且为正整数，R表示X、Y或Z，

L_Rk和L'_Rk分别为k时刻被测姿态控制发动机在传感器坐标系下的R轴正序和倒序质心坐标，L_Rm为R轴方向力矩传感器在传感器坐标系下的R轴坐标，M_Rk为k时刻R轴方向力矩传感器的读数，G_k为k时刻三个称重传感器读数之和，m_a为测量工装质量，g为重力加速度，L_Rf为被测姿态控制发动机所受动态力在传感器坐标系下的R轴坐标值，F_0k-1和F_0k+1分别为被测姿态控制发动机k-1和k+1时刻所受动态力；

步骤四：取L_Rk和L'_Rk的平均值，将该平均值变换至发动机坐标系下，获得点火过程中被测姿态控制发动机的动态质心坐标。

进一步的，上述计算正序质心坐标时，通过下式获得被测姿态控制发动机k时刻所受动态力F_0k：

L_Rk-1为k-1时刻被测姿态控制发动机在传感器坐标系下的R轴质心坐标，

计算倒序质心坐标时，通过下式获得被测姿态控制发动机k时刻所受动态力F_0k：

L'_Rk+1为k+1时刻被测姿态控制发动机在传感器坐标系下的R轴质心坐标。

进一步的，上述传感器坐标系的建立方法为：

分别采集三个称重传感器在客观坐标系下的位置坐标：

计算三个称重传感器的几何中心坐标：

将几何中心坐标点作为传感器坐标系的原点，选择任一称重传感器的位置坐标与该原点相连获得线段，该线段所在直线作为传感器坐标系的X轴，从而建立空间直角坐标系，获得传感器坐标系。

本发明所述的姿态控制发动机的动态质心测量方法，克服了燃料燃烧产生作用力，给动态质心测量带来的困难，能够在发动机点火过程中实现动态质心的测量。

附图说明

图1为测量台外形示意图；

图2为测量台内部结构示意图；

图3为卧式测量姿态示意图；

图4为立式测量姿态示意图；

图5为动态质心测量原理图；

图6为理想推力曲线与实际补偿后的推力曲线图。

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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实施方式所述的姿态控制发动机的动态质心测量方法，测量过程中需要采用测量装置，设备结构如图1所示，整体外形为圆柱体结构，直径约1350mm，高度约680mm。本实施方式研制的动态质心测量装置，可以达到如下技术指标如表1所示。

表1动态质心测量系统技术指标

项目	指标
		质量测量精度	0.05％
轴向质心测量不确定度	±0.5mm
		径向质心测量不确定度	±0.5mm
动态测试频率	>250Hz

测量装置内部机构如图2所示，主要由力矩传感器、联轴器、高精度称重传感器、电机、自动升降系统、换向器和底层支架等部件组成。其中力矩传感器的主要作用是测量被测发动机所受推力的力矩，包括单管和多管的推力随时间的变化时的力矩，且力矩传感器的精度优于0.05％。底层支架可调节，用来实现测量台的调平。自动升降系统替代了传统的千斤顶支撑的方法，测量过程全自动。被测发动机的形状为圆柱形，被测发动机的直径约为300mm，长度约为500mm，质量约为40kg，其中火药约为18kg，点火持续时间约为4s，采样频率为250Hz。三个高精度称重传感器分布在测量工装下方，主要作用是测量工装的质量，其精度优于0.05％(满量程)。并采用球窝-柱窝-平面的支撑结构，可以实现自动对心，避免侧向力的影响，从而保证测量精度。依据现有静态质心测量的方式，在测量装置上建立空间直角坐标系作为传感器坐标系。具体的，分别采集三个称重传感器在客观坐标系下的位置坐标：

计算三个称重传感器的几何中心坐标：

将几何中心坐标点作为传感器坐标系的原点，选择任一称重传感器的位置坐标与该原点相连获得线段，该线段所在直线作为传感器坐标系的X轴，从而建立空间直角坐标系，获得传感器坐标系。本实施方式中，传感器坐标系的XOY平面与测量工装平行，两个力矩传感器的主轴分别与X轴和Y轴重合。

本实施方式中所述姿态控制发动机的动态质心测量方法过程如下：

第一，标定：测量前用标准样件对测量装置进行标定。

第二，静态质量质心测量。

(1)静态质量测量。

由于质量是被测姿态控制发动机所固有的，和位于哪个坐标系无关，所以直接通过三个称重传感器所获得的数值累加即可。所以静态质量质心的测量是基于三点称重法来实现的。质心计算则需要根据静力矩平衡，建立整个系统的力矩方程来解算。

工装空载状态下，三个高精度称重传感器输出的重力值分别为G₁₀、G₂₀、G₃₀，则利用质量测量用公式就能够获得空载状态下测量工装的质量m₀：

其中，G_i0为工装空载状态下第i个称重传感器输出的重力值，g为重力加速度。

测量工装上加载了被测发动机后，高精度称重传感器输出的重力值分别为G₁₁、G₂₁、G₃₁，加载状态下测量工装的质量m₁：

其中，G_i1为工装加载了被测发动机后第i个称重传感器输出的重力值。

那么被测发动机实际质量m如下：

m＝m₁-m₀。

(2)静态质心测量，首先以卧式姿态将被测姿态控制发动机放置于测量工装上，如图3所示。所述卧式姿态为被测姿态控制发动机的主轴与传感器坐标系的X轴平行。静止状态下重力方向的合力矩为0。推导出静止状态下被测发动机在传感器坐标系下X轴的质心坐标L_x：

其中，x_i为第i个称重传感器在传感器坐标系下的X轴坐标。

同理Y轴的质心坐标L_y：

其中，y_i为第i个称重传感器在传感器坐标系下的Y轴坐标。

如上就可以计算出被测发动机质心的X轴坐标和Y轴坐标，但还需要质心的Z轴坐标。因此，要改变被测发动机的姿态变为立式姿态，如图4所示，即发动机的主轴与传感器坐标系的Z轴平行，且实际应用时要注意，由于发动自的姿态进行了变换，容易出现轴重复的问题，因此，为了避免Z轴与卧式姿态测量时轴的重复，记录好卧式姿态中发动机的Y轴，然后在变为立式姿态时，还将标记的Y轴与传感器坐标系的Y轴对应。此时传感器坐标系的X轴测得的坐标就是传感器坐标系下被测发动机的Z轴，同理获得Y轴的质心坐标。

即静止状态下被测姿态控制发动机在传感器坐标系下的初始质心坐标(L_x0,L_y0,L_z0)。同时还有被测姿态控制发动机所受的初始动态力F₀₀(F₀₀＝0)，动态力为被测姿态控制发动机在传感器坐标系下Z轴方向所受合力(重力方向所受合力)。

第三，动态质量质心测量。

还是以卧式姿态将被测姿态控制发动机置于测量工装上，确认被测发动机卧式装卡完成后，进行点火操作，并实时采集点火过程中三个称重传感器和两个力矩传感器的读数。

在测量过程中，点火开始时刻的质心坐标能够看做是静态的，所以可以当做已知量。

所以计算第一时刻(k＝1)被测姿态控制发动机在传感器坐标系下X轴的质心坐标：

L_xm为X轴方向力矩传感器在传感器坐标系下的X轴坐标，M_x1为第一时刻X轴方向力矩传感器的读数，G₁为第一时刻三个称重传感器读数之和，m_a为测量工装质量，g为重力加速度，L_xf为被测姿态控制发动机所受动态力在传感器坐标系下的X轴坐标值。

当k＝2时，被测姿态控制发动机在传感器坐标系下X轴的质心坐标：

此时，第一时刻被测姿态控制发动机所受的动态力F₀₁：

以此类推，这样进行从前往后的迭代计算，就可以得到动态力和质心随时间变化的曲线。因为采样的频率很高，所以采样数据的连续性很好，每个时刻计算数据是将前一时刻的计算结果代入，可以近似的认为前一时刻的计算结果就是这一时刻的实际值。这样就可以实时的进行动态质量质心的测量了。

因为发动机喷火时产生的作用力一开始的变化比较大，如前面所述的计算会引入一定的误差，为减小计算产生的误差，可从后往前再进行一次迭代，然后将两次迭代得到的曲线取平均值，作为最后得到的结果，从而减小误差。

从后往前迭代计算的过程：

在点火结束时也是静止状态，因此终止质心坐标可用三点称重法获得(L_xN,L_yN,L_zN)。同时还有被测姿态控制发动机所受的终止动态力F_0N(F_0N＝0)。

则首先获得k＝K时，K为点火结束时刻且为正整数，被测姿态控制发动机在传感器坐标系下X轴的质心坐标：

k＝K-1时，被测姿态控制发动机在传感器坐标系下X轴的质心坐标：

以此类推，这样进行从后往前的迭代计算，就可以得到另一条动态力和质心随时间变化的曲线。

将从前往后迭代得到的曲线和从后往前得到的曲线取平均值，作为最终得到的曲线。同理，Y轴也如上计算。然后变换被测姿态控制发动机为立式姿态，然后同理获得Z轴的质心坐标。

由于以上都是在传感器坐标系下计算获得的，因此将传感器坐标系下的质心坐标转换到客观坐标系下，再由客观坐标系转换至发动机坐标系下，最终获得完整动态质心坐标。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (3)

1.姿态控制发动机的动态质心测量方法，该方法基于测量装置实现，所述测量装置包括测量工装、三个称重传感器和两个力矩传感器，测量工装用于承载被测姿态控制发动机，三个称重传感器均用于采集测量工装的重量，两个力矩传感器分别用于采集被测姿态控制发动机X轴和Y轴方向的受力力矩，所述X轴和Y轴分别为传感器坐标系中的X轴和Y轴，所述被测姿态控制发动机在测量工装上有两种工作姿态，所述两种工作姿态分别为立式和卧式，所述传感器坐标系是根据三个称重传感器在客观坐标系下的位置建立的空间直角坐标系，

其特征在于，所述动态质心测量方法包括以下步骤：

步骤一：将被测姿态控制发动机分别以两种工作姿态放置在测量工装上，利用三点称重法计算静止状态下被测姿态控制发动机在传感器坐标系下的初始质心坐标(L_x0,L_y0,L_z0)和被测姿态控制发动机所受的初始动态力F₀₀，动态力为被测姿态控制发动机在传感器坐标系下Z轴方向所受合力；

步骤二：点火启动两种工作姿态下的被测姿态控制发动机，并实时采集点火过程中三个称重传感器和两个力矩传感器的读数，在点火结束后，利用三点称重法计算静止状态下被测姿态控制发动机在传感器坐标系下的终止质心坐标(L_xN,L_yN,L_zN)和被测姿态控制发动机所受的终止动态力F_0N；

步骤三：根据公式一计算正序质心坐标，所述正序质心坐标为：按照从点火开始至点火结束的顺序依次计算获得的点火过程中各时刻被测姿态控制发动机在传感器坐标系下R轴的质心坐标，

根据公式二计算倒序质心坐标，所述倒序质心坐标为：按照从点火结束至点火开始的顺序依次计算获得的点火过程中各时刻被测姿态控制发动机在传感器坐标系下R轴的质心坐标，

其中，k＝1,2,3,...,K，N＝K+1，K为点火结束时刻且为正整数，R表示X、Y或Z，

L_Rk和L'_Rk分别为k时刻被测姿态控制发动机在传感器坐标系下的R轴正序和倒序质心坐标，L_Rm为R轴方向力矩传感器在传感器坐标系下的R轴坐标，M_Rk为k时刻R轴方向力矩传感器的读数，G_k为k时刻三个称重传感器读数之和，m_a为测量工装质量，g为重力加速度，L_Rf为被测姿态控制发动机所受动态力在传感器坐标系下的R轴坐标值，F_0k-1和F_0k+1分别为被测姿态控制发动机k-1和k+1时刻所受动态力；

步骤四：取L_Rk和L'_Rk的平均值，将该平均值变换至发动机坐标系下，获得点火过程中被测姿态控制发动机的动态质心坐标。

2.根据权利要求1所述的姿态控制发动机的动态质心测量方法，其特征在于，计算正序质心坐标时，通过下式获得被测姿态控制发动机k时刻所受动态力F_0k：

L_Rk-1为k-1时刻被测姿态控制发动机在传感器坐标系下的R轴质心坐标，

计算倒序质心坐标时，通过下式获得被测姿态控制发动机k时刻所受动态力F_0k：

L'_Rk+1为k+1时刻被测姿态控制发动机在传感器坐标系下的R轴质心坐标。

3.根据权利要求2所述的姿态控制发动机的动态质心测量方法，其特征在于，传感器坐标系的建立方法为：

分别采集三个称重传感器在客观坐标系下的位置坐标：

S₁:(x_s1,y_s1,z_s1)

S₂:(x_s2,y_s2,z_s2)，

S₃:(x_s3,y_s3,z_s3)

计算三个称重传感器的几何中心坐标：

将几何中心坐标点作为传感器坐标系的原点，选择任一称重传感器的位置坐标与该原点相连获得线段，该线段所在直线作为传感器坐标系的X轴，从而建立空间直角坐标系，获得传感器坐标系。