KR100408093B1 - Measurement Method of Horizontal Six-Component Thrust - Google Patents
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Abstract
본 발명은 로켓 엔진으로부터 배출되는 연소 가스에 반하여 발생하는 추력의 6분력을 측정할 수 있는 방법에 관한 것으로 액체로켓엔진 지상시험에서의 성능 시험시 추진제의 연소로 발생하는 연소가스가 노즐을 통해 대기 중에 분사될 때 엔진 상단에 설치된 엔진 어댑터를 통해 반력으로 전달되는 6분력 수평형 추력 측정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for measuring the six-component of the thrust generated against the combustion gas discharged from the rocket engine, the combustion gas generated by the combustion of the propellant during the performance test in the liquid rocket engine ground test through the nozzle It relates to a six-component horizontal type thrust measurement method that is transmitted to the reaction force through the engine adapter installed on the top of the engine when injected during.
종래 로드 셀 들이 상호간의 간섭에 의해 설치된 로드 셀의 방향이외의 하중 성분들에 의해 원치 않는 추력값이 측정되는 결점이 있었다.Conventional load cells have the drawback that unwanted thrust values are measured by load components other than the direction of the load cells provided by mutual interference.
따라서 본 발명은 액체로켓엔진 지상시험에서 추력을 측정함에 있어서, 6분력에 대해 교정용 로드 셀 및 측정용 로드 셀이 설치되며 상기 교정용 로드 셀에 힘을 인가하여 추력 측정장치 자체의 교정상수와 엔진이 장착된 경우의 교정상수를 구하는 제1 스텝과, 상기 제1 스텝에서 구해진 교정상수를 근거로 교정을 수행하는 제2 스텝과, 상기 제2 스텝에서 인가된 교정상수의 행렬은 두 개 이상의 교정력을 동시에 가하여 검증하는 제3 스텝으로 구성되어 추력 측정장치 자체의 구조물뿐만 아니라 엔진이 실제로 장착된 경우에 있어서 교정 상수를 직접 구함으로써 측정의 정밀도를 높이는 것이다.Therefore, in the present invention, in the measurement of thrust in the liquid rocket engine ground test, a calibration load cell and a measurement load cell are installed for 6 components and a force applied to the calibration load cell is applied to the calibration constant of the thrust measuring device itself. The first step of obtaining the calibration constant when the engine is mounted, the second step of performing the calibration based on the calibration constant obtained in the first step, and the matrix of calibration constants applied in the second step are two or more. It consists of a third step of applying and verifying the calibration force at the same time to improve the accuracy of the measurement by directly obtaining the calibration constants when the engine as well as the structure of the thrust measuring device itself is actually mounted.
Description
본 발명은 로켓 엔진으로부터 배출되는 연소 가스에 반하여 발생하는 추력의 6분력을 측정할 수 있는 방법에 관한 것으로 액체로켓엔진 지상시험에서의 성능 시험시 추진제의 연소로 발생하는 연소가스가 노즐을 통해 대기 중에 분사될 때 엔진 상단에 설치된 엔진 어댑터를 통해 반력으로 전달되는 6분력 수평 추력 검증방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for measuring the six-component of the thrust generated against the combustion gas discharged from the rocket engine, the combustion gas generated by the combustion of the propellant during the performance test in the liquid rocket engine ground test through the nozzle It is related to a six-component horizontal thrust verification method that is transmitted to the reaction force through the engine adapter installed on the top of the engine when injected during.
로켓연소시험을 수행하는데 추력의 미스얼라인먼트 및 스터링 특성을 구하는 경우, 각방향의 힘을 아주 정밀하게 측정하는 것이 필요하며, 이를 위해 우선 측정정도 및 시험대의 특성을 파악하는 것이 필요하다.When performing rocket combustion test, if misalignment and stirling characteristics of thrust are obtained, it is necessary to measure the force in each direction very precisely.
다성분의 측정에서는 측정 분력을 증폭하면 각 계측계 간의 간섭, 로켓의 취부 오차에 대한 각 측정분력의 영향 등으로 복잡성이 배가된다.In multi-component measurements, amplifying the measured component multiplies the complexity due to the interference between the measuring systems and the effect of each component on the mounting error of the rocket.
각 측정계간의 간섭은 로켓을 지지하는 플렉셔의 특성, 로드셀 특성, 로켓의 지지기구에 의해 영향을 받는다.Interference between each measurement system is affected by the characteristics of the flexure supporting the rocket, the load cell characteristics, and the rocket's support mechanism.
또한 로켓의 설치정밀도는 시험대의 수평도, 부착부의 정밀도, 로켓부착 설치 오차 등 작업원의 작업 숙련도에 의해 영향을 받는다.In addition, the installation accuracy of the rocket is influenced by the operator's work proficiency such as the level of the test bench, the precision of the attachment part, and the installation error of the rocket attachment.
또한 실제 연소 시험에서는 각 방향의 로드 셀들이 상호간의 간섭에 의해 설치된 로드 셀의 방향이외의 하중 성분들에 의해 원치 않는 추력값들이 측정되기도 한다.Also, in the actual combustion test, unwanted thrust values are measured by load components other than the direction of the load cell in which load cells in each direction are installed due to mutual interference.
그리고 엔진 장착 및 구조물 자체에 대한 교정을 수행할 수 없었으며, 2개 이상의 교정을 가할 수 없고 검증 또한 불가능한 것이었다.It was not possible to carry out the calibration of the engine mounting and the structure itself, no two or more calibrations were possible, and no verification was possible.
본 발명은 액체로켓엔진 지상시험에서의 성능 시험시 연소로 발생하는 연소가스가 노즐을 통해 대기 중에 분사될 때 엔진 상단에 설치된 엔진 어댑터를 통해 반력으로 전달되는 수평형 6분력의 추력 성분을 측정하도록 한다.The present invention is to measure the thrust component of the horizontal six-component force transmitted to the reaction force through the engine adapter installed on the top of the engine when the combustion gas generated by the combustion is injected into the atmosphere through the nozzle during the performance test in the liquid rocket engine ground test do.
본 발명은 6분력에 대해 각각 교정용 및 측정용 로드셀이 설치되어 있는 경우에 교정용 로드 셀에 힘을 인가하여 추력 측정 장치 자체의 구조물뿐만이 아니라 엔진이 실제로 장착된 경우에 있어서 교정 상수를 직접 구함으로써 측정의 정밀도를 높인 추력 측정방법을 제공한다.The present invention applies a force to the calibration load cell when the calibration and measurement load cells are installed for each of the six components, respectively, and directly calculates the calibration constants when the engine is actually mounted as well as the structure of the thrust measurement device itself. The present invention provides a thrust measurement method that increases the accuracy of the measurement.
본 발명은 교정을 통한 6분력 교정 행렬을 구함으로써 엔진 장착 및 구조물 자체에 대한 교정을 수행할 수 있으며 교정 상수로 구성된 행렬을 두 개 이상의 교정을 동시에 가하여 검증이 가능하도록 함을 특징으로 하는 것이다.The present invention is characterized in that it is possible to perform calibration on the engine mounting and the structure itself by obtaining a six-component calibration matrix through calibration, and to verify by applying two or more calibrations simultaneously to a matrix composed of calibration constants.
도 1 은 본 발명의 6분력 수평형 추력 측정 개략도1 is a schematic diagram of a six-component horizontal thrust measurement of the present invention
도 2 는 본 발명의 추력 벡터의 정의도도 3 은 본 발명의 교정용과 측정용 로드셀의 결합관계도도 4 는 본 발명의 측정용 로드스트링의 설치상태도도 5 는 본 발명의 교정용 로드스트링의 설치상태도Figure 2 is a definition of the thrust vector of the present invention Figure 3 is a coupling relationship diagram between the calibration and measurement load cell of the present invention Figure 4 is a state diagram of the installation of the measurement load string of the present invention Figure 5 State diagram
본 발명은 도 1 에서와 같이 6분력 수평형 추력 측정 개략도에 관한 것으로 좌표의 원점은 라이브 베드(live bed)의 중심에 놓이고 추력은 엔진의 노즐구멍(nozzle throat)에서 평가된다.The present invention relates to a schematic diagram of a six-component horizontal thrust measurement as shown in FIG. 1 wherein the origin of the coordinates is at the center of the live bed and the thrust is evaluated at the nozzle throat of the engine.
본 발명은 액체로켓엔진 지상시험에서 추력을 측정함에 있어서, 6 분력에 대해 교정용 로드셀 및 측정용 로드셀이 설치되며 상기 교정용 로드 셀에 힘을 인가하여 추력 측정 장치 자체의 교정상수와 엔진이 장착된 경우의 교정상수를 구하는 제1 스텝과,In the present invention, in the measurement of the thrust in the liquid rocket engine ground test, a calibration load cell and a measurement load cell are installed for 6 components and a force is applied to the calibration load cell so that the calibration constant and the engine of the thrust measuring device are mounted. The first step of obtaining a correction constant when
상기 제1 스텝에서 구해진 교정상수를 근거로 교정을 수행하는 제2 스텝과,A second step of performing calibration based on the calibration constants obtained in the first step;
상기 제2 스텝에서 인가된 교정상수의 행렬은 두 개 이상의 교정력을 동시에 가하여 검증하는 제3 스텝으로 이루어지는 것으로,도 1 과 같이는 실제 측정을 위한 측정용 로드셀이며,가 교정력을 가하기 위한 엑추에이터와 교정력을 측정하기 위한 교정용 로드셀 조합이다.각각의 측정용 로드셀에 대하여 이상적인 교정력을 가하기 위해 동일 평면상에 대칭적으로 교정력을 가하기 위한 엑추에이터와 교정력을 측정하기 위한 교정용 로드셀 조합을 도 3 과 같이 배치한다.상기 로드셀 조합은 라이브 베드(2)의 4방향 중 양방향에는 측정용 로드스트링(1)이 나머지 양방향에는 교정용 로드스트링(10)이 설치된다.교정용 로드셀과 측정용 로드셀의 결합관계는, 로드스트링(Load String)은 로드셀과 유니버셜 플렉셔(Universal Flexure)로 구성되어져 string의 중심축 방향의 힘만을 전달할 수 있는 메커니즘을 갖고 있다.측정용 로드스트링(1)은 도 4 와 같이 측정용 로드셀(5)과 그 양단에 축 방향의 힘을 전달할 수 있는 기구장치인 유니버셜 플렉셔(4, 4' )를 연결한 조립체를 말한다.측정용 로드스트링(1)은 라이브 베드(2)와 고정 베드(3) 사이에 장착되어 측정대상물(엔진)과 결합된 라이브 베드(2)를 3차원 공간상에 띄워주며 2개의 유니버셜 플렉셔(4, 4' )가 지니고 있는 기구 특성으로 인하여 추력 하중으로 인한 라이브 베드(2) 및 기타 구조물에 변형이 발생하였을 시 이 기구장치가 지니고 있는 변형 한계 내에서 로드셀(5)을 인가되는 하중의 축상에 일치하게 직각으로 위치할 수 있도록 하여 기구장치나 구조물의 어긋남 또는 추력의 어긋남으로부터 발생되는 에러를 감소시켜 측정의 정확성을 보장한다.교정 로드스트링(10)은 도 5 와 같이 라이브 베드(2)와 고정 베드(3) 사이에 설치된 기구장치의 상호 간섭 및 외부 하중인가 시 발생하는 구조물의 변형으로 인한 오차 등을 보정하기 위해 교정 작업 시 기준 힘(force)에 대한 정보를 제공하는 기구 장치이다.측정용과는 달리 로드셀(5) 한쪽에는 유니버셜 플렉셔(4)와 교정력을 가하기 위한 엑추에이터(12)가 장착되어 있으며 다른 한쪽에는 교정력을 라이브 베드(2)에 전달하기 위한 로드 아이(11)를 장착하였다.로드 아이(11)는 일종의 조인트로 핀과 고리형태로 구성되어 있고 그 사이에 간격이 있어 평소 라이브 베드(2)와 기구적으로 분리되어 실제 연소시험시 정밀한 추력 측정에 방해가 되지 않는 메카니즘을 가지고 있다.교정 작업 시는 엑추에이터(12)에 의해 로드아이(11)의 고리가 전ㆍ후진하면서 고리와 핀이 접촉하게 되어 라이브 베드(2)에 엑추에이터(12)에서 발생한 인장 및 압축의 교정력을 인가할 수 있는 구조로 되어있다.유압 엑추에이터는 컴퓨터와 전용 소프트웨어를 통한 제어 및 별도의 패널을 통한 수동조작도 가능하다.여기서 수평형이라 함은 추력 측정 장치의 측정방향(엔진 설치 방식)에 대한 분류의 의미로 사용되고 있다.같은 형태의 측정 장치라 하더라도 수평형과 수직형은 중력의 영향, 엔진의 추효과 등을 고려하여 서로 다른 해석 방법을 사용하여야 한다.The matrix of calibration constants applied in the second step is composed of a third step of verifying by applying two or more calibration forces simultaneously, as shown in FIG. Is the measurement load cell for the actual measurement, Is a combination of an actuator for applying calibration force and a calibration load cell for measuring calibration force, an actuator for applying calibration force symmetrically on the same plane to apply an ideal calibration force for each measurement load cell, and a calibration force for measuring calibration force The load cell combination is arranged as shown in FIG. 3. In the load cell combination, a measurement load string 1 is installed in two directions of the live bed 2, and a calibration load string 10 is installed in the other directions. The load string is composed of a load cell and a universal flexure, and has a mechanism for transmitting only the force in the central axis direction of the string. ) Is a universal flexure (4, 4 ') which is a mechanical device capable of transmitting an axial force to the load cell (5) for measurement and its both ends as shown in FIG. The load rod 1 for measurement is mounted between the live bed 2 and the fixed bed 3 so that the live bed 2 coupled with the measurement object (engine) is placed on a three-dimensional space. When the deformation occurs in the live bed (2) and other structures due to thrust loads due to the mechanical characteristics of the two universal flexures (4, 4 '), 5) can be positioned at right angles to the axis of the applied load to reduce the error caused by the deviation of the mechanism or structure or the thrust deviation to ensure the accuracy of the measurement. During the calibration operation to correct the errors caused by the deformation of the structure that occurs when the external interference and the external load of the mechanism installed between the live bed (2) and the fixed bed (3), such as 5 Unlike the measurement, the load cell 5 is equipped with a universal flexure 4 and an actuator 12 for applying the calibration force, and the other side of the load cell 5 is used to provide the information about the force. A rod eye 11 for transferring to the bed 2 is mounted. The rod eye 11 is a kind of joint, which is formed in the form of a pin and a ring, and there is a gap therebetween, so It is separated and has a mechanism that does not interfere with accurate thrust measurement in actual combustion test. During the calibration operation, the ring 12 of the rod eye 11 is moved forward and backward by the actuator 12, so that the ring and the pin come into contact with the live bed. (2) has a structure that can apply the corrective force of the tension and compression generated in the actuator 12. The hydraulic actuator is a control panel and a separate panel through a computer and dedicated software In this case, the horizontal type is used to classify the direction of measurement of the thrust measuring device (engine installation method). Even in the same type of measuring device, the horizontal type and the vertical type have the effect of gravity, Different analysis methods should be used in consideration of the engine weight effect.
이상적인 힘의 균형 방정식은The ideal force balance equation is
이를 행렬식으로 표시하면 수학식 3과 같다.This is expressed as a determinant.
제로는 각 방향의 로드셀들이 상호간에 간섭을 미치므로 설치된 로드 셀의 방향 성분 이외의 하중 성분들에 의해 원치 않는 추력값이 측정된다.Since zero load cells in each direction interfere with each other, unwanted thrust values are measured by load components other than the direction components of the installed load cells.
따라서, 실제 연소 시험에서는 정확한 추력값 측정을 위한 데이터(data reduction equation)를 새로이 고려할 필요가 있다.Therefore, in the actual combustion test, it is necessary to newly consider the data reduction equation for accurate thrust value measurement.
이상적인 힘의 균형에 의해 하나의 교정용 로드셀(예)과 그에 부착된 엑추에이터를 사용하여 교정력을 가하면 그와 대응하는 위치의 측정용 로드셀( 예)에서만 힘이 검출되어야한다.그러나. 실제의 경우 모든 측정용 로드셀은 라이브 베드와 연결되어 있어 6분력 수평형 추력 측정 장치 자체의 특성과 간섭에 의해 모든 측정용 로드셀에서 힘이 검출된다.즉, 하나의 교정력에 의해 측정용 로드셀 6개에 힘이 측정되게 되며 이때 측정용 로드셀에서 측정되는 힘은 로드셀 간의 간섭, 6분력 수평형 추력 측정 장치 자체의 특성 및 각종 오차요인이 모두 포함된 신호가 된다.도 3 에서와 같이 6개의 교정용 로드셀 ( 각각의 교정용 로드셀에는 교정력을 가할 수 있는 유압실린더가 설치됨 )과 6개의 측정용 로드셀은 이상적으로 수학식1과 같은 힘의 균형 방정식이 적용되나 실제로 기구적 간섭에 의해 서로간에 영향을 받게 됩니다. 따라서 이러한 상관관계를 밝혀내어 교정할 필요가 있다.도 3 에서와 같이 설치된 6개의 교정용 로드셀 ( 각각의 교정용 로드셀에는 교정력을 가할 수 있는 유압실린더가 설치됨 ) 중 하나를 사용하여 교정력(Fi])을 측정대상물인 엔진과 연결되는 구조물에 인가한 후 그 구조물에 설치된 6개의 측정용 로드셀(Li])에서 계측된 신호를 통해엔진과 연결되는 구조물이 서로 어떻게 영향을 미치는가에 대한 특성을 수학식으로 표현하면 수학식 4와 같이 되며 이를 통해 교정상수를 구할 수 있다.이를 식으로 나타내면 아래의 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.Ideal calibration of load cells due to the ideal balance of forces ) And a load cell for measuring the position of the corresponding load when the corrective force is applied using the actuator attached to it. Only the force should be detected, however. In practice, all measurement load cells are connected to a live bed so that forces are detected in all measurement load cells by the characteristics and interference of the six-component horizontal thrust measurement device itself, i.e. one calibration force. The force is measured on the six load cells for measurement, and the force measured at the load cell becomes a signal including all the interference between the load cells, the characteristics of the six-component horizontal thrust measuring device itself, and various error factors. As shown in Figure 6, each calibration load cell (each calibration load cell is equipped with a hydraulic cylinder capable of applying calibration force) and six measurement load cells are ideally subjected to a force balancing equation such as Will be affected by each other. Therefore, this correlation needs to be identified and corrected. As shown in FIG. 3, the calibration force (F i ) is used by using one of the six calibration load cells (each calibration load cell is equipped with a hydraulic cylinder capable of applying calibration force). ] ) Is applied to the structure connected to the engine to be measured, and the characteristics of how the structures connected to the engine affect each other through the signals measured by the six measurement load cells (L i] ) installed on the structure. If the equation is expressed as Equation 4, the correction constant can be obtained through this Equation 4. If this is expressed as Equation 4, it can be expressed as Equation 4 below.
여기서 시험대상물인 엔진이 장착되는 구조물과 6개의 측정용 로드셀과의 결합에 의한 영향을 구하는 과정이므로 측정대상물인 엔진의 장착여부는 문제가 되지 않는다이와 같은 과정을 독립적으로 교정력 F의 6성분에 대해 수행하면 교정하중 벡터 F와 측정용 로드셀 신호 벡터 L은 다음의 수학식5와 같은 관계를 갖게 된다.In this case, it is not a problem to install the engine to be measured because it is a process of determining the effect of the structure on which the engine to be tested is mounted and the six load cells for measurement. When performed, the calibration load vector F and the measurement load cell signal vector L have a relationship as shown in Equation 5 below.
따라서, 다음과 같은 수학식6을 얻을 수 있다.Therefore, the following equation (6) can be obtained.
여기서,T는 추력 벡터,F는 교정을 위해 인가된 힘벡터,L은 로드 셀로부터 실제 신호 벡터,J는 힘의 균형을 묘사하는 이상적인 자코비안 행렬, 그리고A는 교정 행렬이다.Where T is the thrust vector, F is the force vector applied for calibration, L is the actual signal vector from the load cell, J is the ideal Jacobian matrix describing the force balance, and A is the calibration matrix.
이러한 교정 행렬을 통하여 교정수행방법은 다음과 같다.The calibration method is as follows through this calibration matrix.
교정(calibration)을 수행한다는 것은 구조물 전체적인 오차 요인을 고려하여 시험 시 발생한 추력에 대해 측정 추력값을 가장 유사하게 만들기 위한 절차를 의미한다.시험 전에 교정작업을 수행하여 6분력 수평형 추력 측정 장치의 오차특성을 파악하여 보정한 후 실제 시험을 수행하여 보다 신뢰도 높은 측정을 수행할 수 있도록 하는 것이다.Performing calibration refers to a procedure for making the measured thrust value most similar to the thrust generated during the test, taking into account the error factors of the structure as a whole. After identifying and correcting the error characteristic, the actual test can be performed to make more reliable measurement.
따라서, desired load value를 PC에서 입력하면 비례값(Proportional value)을 제어하여 엑추에이터를 구동하여 교정을 위한 로드셀에 하중이 인가된다.Therefore, when the desired load value is input from the PC, a proportional value is controlled to drive the actuator to apply a load to the load cell for calibration.
이때 6분력의 측정용 로드 셀로부터의 출력(output)으로부터 수학식4와 같은 교정 상수로 구성되는 로우 벡터를 구성할 수 있다.In this case, a row vector composed of a calibration constant as shown in Equation 4 may be configured from an output from the load cell for measuring the six-component.
따라서, 6분력에 대한 반복된 절차를 통해 6X6의 교정 상수의 행렬A를 구성할 수 있고,는 구조물 내에서의 로드셀 특성, 구조물의 제작상의 오차 등을 포괄적으로 포함하게 된다.Thus, the iterative procedure for six components can construct a matrix A of calibration constants of 6 × 6, Comprehensively includes the load cell characteristics in the structure, manufacturing errors of the structure.
상기에서 독립적으로 인가된 교정력에 대한 교정을 수행하는 방법에 대해 설명하였으나 실제 추력은 2개 이상이 복합적으로 가해지는 상황으로 볼 수 있으므로 위에서 구한 교정 상수의 행렬은 두 개 이상의 교정력을 동시에 가하여 검증하는 것이 필요하다.Although the above-described method of performing calibration for independently applied calibration force has been described, the actual thrust can be regarded as a situation in which two or more are applied in combination, so the matrix of calibration constants obtained above can be verified by applying two or more calibration forces simultaneously. It is necessary.
이때, 가해진 교정력을F'이라 하면 수학식 7과 같은 관계로부터 에러(E)를 평가할 수 있다.At this time, if the applied correction force is F ' , the error E can be evaluated from the relationship as shown in Equation (7).
Data reduction equation을 통하여 추력 특성 값은 계산될 수 있다.Thrust characteristics can be calculated using the data reduction equation.
- Magnitude of Thrust VectorMagnitude of Thrust Vector
- Location of Thrust Vector-Location of Thrust Vector
- Angle of Thrust Vector 도 2 의 추력 벡터의 정의도에 의하여 수학식 10을 얻을 수 있는 것이다.Angle of Thrust Vector Equation 10 can be obtained by defining the thrust vector of FIG. 2.
본 발명은 액체로켓엔진 지상시험에서의 성능 시험 시 추진제의 연소로 발생하는 연소가스가 노즐을 통해 대기 중에 분사될 때 엔진 상단에 설치된 엔진 어댑터를 통해 반력으로 전달되는 수평형 6분력의 추력 성분을 측정할 수 있는 것이다.The present invention provides a horizontal component of the six-component thrust component that is transmitted to the reaction force through the engine adapter installed on the engine when the combustion gas generated by the combustion of the propellant is injected into the atmosphere through the nozzle during the performance test in the liquid rocket engine ground test. It can be measured.
본 발명은 교정을 통한 6분력 교정 행렬을 구함으로써 엔진 장착 및 구조물자체에 대한 교정을 수행할 수 있도록 하며, 교정 상수로 구성된 행렬을 두 개 이상의 교정을 동시에 가하여 검증이 가능하도록 하는 것이다.The present invention is to enable the calibration of the engine mounting and the structure itself by obtaining a six-component calibration matrix through calibration, and to enable verification by applying two or more calibrations simultaneously to a matrix composed of calibration constants.
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KR20020007049A (en) | 2002-01-26 |
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