（机械电子工程专业论文）发动机推力矢量测试系统动态标定装置的研制.pdf

捅矍轨控发动机是x x x 动力系统的重要组成部分。轨控发动机实际推力偏斜和偏移会直接影响x x x 飞行试验控制精度和目标命中精度，并可能导致试验失败。为提高x x x目标命中精度，必须严格控制其轨控发动机的推力偏心。因此，尽快研制开发出该动力系统轨控发动机推力矢量测试系统具有非常重要的意义。本文介绍了正在研制中的轨控发动机推力矢量测试系统，设计开发出测试系统动态标定所需的两种标准梯形动态力发生装置激振器方案和比例电磁铁方案。推力矢量测试系统由4 个三维压电力传感器构成，利用每个力传感器获得的各分力信号，通过推导得到的求解公式即可获得各推力矢量偏心参数。测试系统动态标定所需的两种动态力发生装置均是基于通电线圈在磁场中受到电磁力作用的原理设计的。激振器方案利用激振器作为执行器并配以相应信号发生电路和功率放大器来实现梯形动态力，其中信号发生器是以a t 8 9 c 5 1 为核心，通过c 5 1 语言编程实现所需相关激励信号的。针对测试系统侧向标定时动态力幅值小以及在测试系统进行发动机高空模拟试验时真空舱空间有限等特点，研制了比例电磁铁方案。由于比例电磁铁线圈电感大的特点，通过m u l t i s i m 2 0 0 1 进行电路仿真分析，从理论上得到实现梯形动态力所需的激励信号阶梯电压信号，并设计出由光耦组成的开关电路来实现该激励信号，驱动比例电磁铁以产生侧向小力值梯形动态力。实验结果表明，发动机推力矢量测试系统动态标定所需的梯形动态力发生装置设计原理切实可行，实验得到的梯形动态力达到了预期设计目标，为轨控发动机推力矢量测试系统的动态标定工作奠定了基础。关键词：发动机推力；动态标定；激振器：比例电磁铁：标准梯形动态力a b s t r a c tt h et r a j e c t o r y c o n t r o l l e de n g i n ei sa ni m p o r t a n tp a r to fax x xp o w e re n g i n e e r i n gs y s t e m t h ei n c l i n a t i o na n do f f s e to ft h ea c t u a le n g i n et h r u s tw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h ep r e c i s i o no ft h ef l y i n gc o n t r o la n dt h et a r g e th i ti nf l y i n ge x p e r i m e n t ，e v e nm a yl e a dt of a i l u r e t oo v e r c o m i n gt h o s ep r o b l e m s ，t h ee c c e n t r i c i t yo ft h et r a j e c t o r y c o n t r o l l e de n g i n et h r u s tm u s tb ec o n t r o l l e ds t r i c t l y a c c o r d i n g l yi ti sv e r ys i g n i f i c a n tt od e v e l o pac o r r e s p o n d i n gt h r u s tv e c t o rm e a s u r e m e n ts y s t e mo f t h et r a j e c t o r y - c o n t r o l l e de n g i n e i nt h i st h e s i s ，t h eu n d e r g o i n ge n g i n et h r u s tv e c t o rm e a s u r e m e n ts y s t e mi si n t r o d u c e d ，a n dt w ot r a p e z o i d a ld y n a m i cf o r c eg e n e r a t o r s ，w h i c hi st h ev i b r a t i o ne x c i t e rm e t h o dm a dt h ep r o p o r t i o n a le l e c t r o m a g n e tm e t h o dr e s p e c t i v e l y , a r es i m u l t a n e o u s l yd e v e l o p e d ，i no r d e rt oc a r r yo u tt h et h r u s tv e c t o rm e a s u r e m e n ts y s t e m sd y n a m i cc a l i b r a t i o n t h et h r u s tv e c t o rm e a s u r e m e n ts y s t e mi sm a d eu po f4t h r e e c o m p o n e n tp i e z o e l e c t r i cf o r c et r a n s d u c e r s u s e dt h eo u t p u to f e a c hf o r c et r a n s d u c e r , t h et h r u s tv e c t o re c c e n t r i c i t yp a r a m e t e r sc a nb ec a l c u l a t e db ys o m ed e d u c e de x p r e s s i o n s n l ed y n a m i cf o r c eg e n e r a t o r sa r eb a s e do nas r m _ ep r i n c i p l et h a ta l le l e c t r i f i e di n d u c t o rw i l lb ea f f e c t e db yi n d u c e df o r c ei nam a g n e t i cf i e l d t h ev i b r a t i o ne x c i t e ri su s e da st h ee x e c u t o ri nt h ev i b r a t i o ne x c i t e rm e t h o dt og e tt h en e e d e dd y n a m i cf o r c ew i t ht h ec o r r e s p o n d i n gs i g n a lg e n e r a t o ra n dp o w e ra m p l i f i e r t h es i g n a lg e n e r a t o ri sm a d eu po ft h es i n g l ec h i pa t 8 9 c 51a n dc a l lg e ts o m ek i n d so fs i g n a lw i t ht h ec 51p r o g r a ml a n g u a g e m o r e o v e r , c o n s i d e r i n gt h en e e d e di a t e r a ld y n a m i cf o r c ei ss m a l la n dt h ev a c u u mm o d u l er o o mi sl i m i t e dw h e nt h em e a s u r e m e n ts y s t e mi su s e di nt h ee n g i n ea l t i t u d es i m u l a t i o nt e s t s ot h ep r o p o r t i o n a le l e c t r o m a g n e tm e t h o di sg i v e n d u et ot h ep r o p o r t i o n a le l e c t r o m a g n e t sl a r g ei n d u c t a n c e ，t h es i m u l a t es o f t w a r em u l t i s i m 2 0 0 ti sa p p l i e dt oa c q u i r et h et h e o r e t i cd r i v es i g n a l ，t h a ti sas t e pv o l t a g es i g n a l w 油t h es t e pv o l t a g es i g n a l ，t h et r a p e z o i d a ld y n a m i cf o r c ec a nr e a l i z eb yt h ep r o p o r t i o n a le l e c t r o m a g n e t t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ep r i n c i 口l ef o rt h es t a n d a r dd y n a m i cf o r c eg e n e r a t o ri sc o r r e c t ，a n dt h ea c t u a l l ya c q u i r e dt r a p e z o i d a ld y n a m i cf o r c ei nt h ee x p e r i m e n th a sa t t a i n e dt h ea n t i c i p a n tg o a l s ，a n dt h ef o r c eg e n e r a t o r sb u i l dt h ef o u n d a t i o nf o rt h e 缸 t h e rd y n a m i cc a l i b r a t i o ns t u d y0 nt h et h r u s tv e c t o rm e a s u r e m e n ts y s t e mo f t h et r a j e c t o r y c o n t r o l l e de n g i n e k e y w o r d s ：e n g i n et h r u s t ；d y n a m i ee a li br a t i o n ：v i b r a t i o ne x c i t e r ：p r o p o r t io n ae i o c t r o m a g n e t ：s t a n d a r dtr a p e z o i d a id y n a m i ef o r c e独创性说明作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者签名：趁崖熊日期：点堕：；：1 2发动机推力矢量测试系统动态标定装置的研制1 绪论1 1 论文背景随着社会的发展和科学的进步，人们涉足的领域越来越广，对计量测试技术也越来越多地提出新的要求。动态力值计量问题越来越引起人们的重视。人们对力值计量在相当长的一段时间里仅局限于静态力值的计量，随着近代高精度测试仪器的发展，力值静态计量的手段与方法已日趋完善，计量精度也在不断提高。而对于动态力值则往往是“静标动用”的方法进行，即仅依据计量器具静态校准时的数据结果作为动态测试时的依据”j 。其结果是，在静态校准中精度很高的测试装置，在动态测试中却可能出现极大的误差，而致使整个测试装置在动态情形下失去其预定的功能，且极易造成人们的错误判断。例如某军工单位在进行一项动力工程测量时，涉及到多点的动态力测量，测量力值范围为5 0 8 0 k n ，频率范围为3 0 0 1 5 0 0 h z ，所选用的力传感器精度较高，静态性能良好。但测试结果表明，测量的重复性较差，某些测量点的测量数据显然不正确，甚至莫明其妙。通过对其测试所用的力传感器进行动态标定，发现有以下问题：( 1 ) 个别力传感器出现所谓“双共振峰”；( 2 ) 有的传感器在受力较小时动态性能尚好，受力大时动态性能则变差；( 3 ) 在对某一只力传感器进行动态标定时发现其内部接头松动，这种松动在静态标定时往往检查不出来等等。因此，在测量动态力的场合，对传感器进行动态标定是十分必要的【。火箭推进技术广泛应用于空间科学实验与国防建设中，发动机推力的精确控制对控制飞行器运行姿态、提高目标命中精度等具有重要意义。轨控发动机与一般的推进发动机不同，轨控发动机为断续工作状态，每次发动机点火的时间可能只持续几毫秒到几十毫秒，尽可能短的点火调整时间对保证飞行器运行轨道十分必要。所以准确了解火箭发动机的推力状况是提高控制精度、减少发动机工作时间的必要前提。目前国内由于缺乏必要的动态测试装置，对轨控发动机推力的测试缺乏足够的精度，难以满足高精度、高机动性的动态运行轨道控制要求，迫切需要研制出相关的轨控发动机推力矢量动态测试装置。综上所述，动态力值计量具有广泛而深远的意义，尤其在确保国家的航空航天工业向高、精、尖迈进，确保军事工业向现代化方向发展，乃至确保综合国力的增强均有着举足轻重的作用。而在对测试系统进行动态标定时，首先需要解决的就是如何得到动态标定所需的标准动态力试验信号。用以产生标准动态力试验信号的标准动态力发生装置的研究状况充分地反映了一个国家在动态力值计量技术中的地位。所以动态力发生装置的研制在动态力值测量中具有非常重要的意义。1 2 国内外研究现状每一种测试系统研制完成之后，都要对其进行一系列实验，用实验获得的数据确定系统的性能指标，而且系统使用一个时期或经过修改之后，必须对其技术性能指标再次进行测定，以重新确定其性能指标。这种用实验方法确定系统性能指标的过程称为标定或校准【3 1 0发动机推力矢量测试系统动态标定装置的珂f 制系统的标定分为静态标定和动态标定。静态标定的目的是确定其静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后、重复性、精确度、漂移等等，总之是确定系统的准确度。在对测试系统进行静态标定时就要用到力标准机。力标准机是产生标准力值的装置。所谓标准力值指的是力值准确度，力值变动性均符合国家检定规程的力值【4 】。力标准机主要用于力值传递。按工作原理力标准机可分为静重式、杠杆式、液压式、叠加式四大类。系统的动态标定是调整与确定其动态特性与性能指标。在测量静态参数时，由于被测参数不随时间变化，测量和记录过程不受时间限制，测试系统的输出与输入二者之间有一一对应的关系。而在实际测试工作中，大量被测量是动态参数，这种被测信号是随时间变化而变化的。测试系统对动态信号测量的任务不仅是精确地测量被测信号幅值的大小，还包括测量动态信号随时间变化过程的波形，这就要求测试系统能够迅速、准确、无失真地再现被测信号随时间变化的波形，也就是要求测试系统具有良好的动态特性。测试系统的动态特性如何，般用能反映其动态性能的指标进行评价。一个系统的动态特性指标主要有：微分方程，脉冲响应特性和瞬态特性，传递函数以及幅频特性和相频特性等”j 。在动态标定中，试验信号是动态特性确定方法的一个重要组成部分，并且在对识别结果给定要求时，信号性质取决于所选择的方法。为了便于比较与评价，常常采用标准试验信号，如阶跃信号、脉冲信号、谐波信号等。用阶跃信号作为系统输入量，可获得系统对阶跃响应的过渡过程曲线与在时域中描述系统动态特性的指标，如上升时间，响应时间，超调量等：采用正弦信号作为系统输入量，获得系统的频率响应特性与在频域中描述系统动态特性的指标，如幅频特性，相频特性。在对动态力值测试装置进行动态标定时，首先要做的是要如何产生标定用的标准动态力。目前，标准动态力发生装置的研究状况充分地反映了一个国家在动态力傻计量技术中的地位。根据标准动态力发生装置输出力信号的形式，目前国内外的标准动态力发生装置( 力源) 主要有：1 、稳态正弦激振力源该力源的特点是输出穗态正弦激励信号，可通过扫频的方法得出力传感器的动态特性。力源一般由电动力式激振器振动台产生，其基本原理是通电线圈( 动圈) 在磁场中将受到电磁力。即：式中f ( t ) = n i ( t ) l bf ( t ) 磁场中动圈所受力n 动圈的匝数，( r ) 动圈中的电流l 动圈每匝长度b 动圈所在磁场的磁感应强度发动机推力矢量测试系统动态标定装簧的研制图1 - 1p t b 实验室稳态正弦激振力源装置示意图f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fs e t u pf o rs t a b l es i n u s o i d a lf o r c ea tp t b图1 - 1 所示为德 p t b 实验室( p h y s i k a l i s c h t e c h n i s c h eb u n d e s a n s t a l t ) 中的振动台力源示意图 6 】 7 1 。它为一种典型的稳态正弦激振力源。信号分析仪中信号源产生一定频率的正弦周期信号，经功率放大器推动振动台工作，振动台台面上安装着待标力传感器，力传感器上连着负载质量块，负载质量块上安装着测量其加速度大小的加速度计，则力传感器上感受到力f 的大小为：f = ( m l o a d + m 。“) 口式中m 。负载质量块的质量( 1 2 )聊。力传感器的等效质量口负载质量块的加速度大小( 加速度计输出)由式( 1 2 ) 可知，通过改变负载质量块的质量，即可改变力值。设力传感器输出由二次仪表测得为u s ，力传感器在该频率点下的灵敏度为町，则结合式( 1 2 ) 可得：生：s s ( 聊m + m “)口( 1 3 )改变力值大小( 改变r e l o a d ) ，由式( 1 3 ) 得出一组方程之后，可由最小二乘法得到该频率点下的s ，与m 。( 假设力传感器的动态特性与所加力值无关) 。发动机推力矢量测试系统动态标定装置的研制图1 2 所示为德 p t b 实验室利用稳态f 弦激振力源通过扫频法对应变式多向力传感器进行动态标定的装置示意图哆1 1 9 1 。通过对装置上传感器固定方式的变化，可以对多向力传感器的各个力和力矩分别进行动态标定工作。图中示出了在p t b 实验室对六向力传感器中的f z 和m ：进行动态标定的装置示意图。通过改变激振器的频率就可以得到本传感器的动态特性曲线图。( a ) 对f z 动态标定( b ) 对m ：动态标定图1 - 2 六向力传感器动态标定装置示意图f i g 1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f c a l i b r a t i o ns e t u pf o rs i x - c o m p o n e n tf o r c e - m o m e n ts e n s o r所以采用稳态正弦激振力源在一定频率范围内改变信号源输出信号的频率，可得不同频率点下的传感器灵敏度，即可得传感器的动态特性指标灵敏度频率响应。采用该种力源校准力传感器的动态特性，优点是结构简单明了，数据处理容易，且易得到较高的校准精度，但它的缺点是：( 1 ) 很难达到较宽的测试频带。在低频端，由于振动台横向振动加剧，加速度计输出将含有较多的横向灵敏度成分，从而导致测试出现较大的误差。这往往需要在测试中不断改变加速度计的安装方向，然后将测试值取平均以实现较高的测试精度；在高频端，由于各安装部件间的耦合关系有所削弱，从而使各部件振动加速度不再相等，从而使用式( 1 2 ) 得到的力值并非等于实际作用于力传感器上的力，而导致测试误差。通常通过对振动台台面上加速度的直接测量( 如图1 - 1 ) 来检验各部件间的耦台情况，p t b 系统的可信分析频率范围为2 0 h z l k h z 。( 2 ) 很难实现大力值、宽频带的动态力。当激励信号频率增高时，由于振动台动圈绕组阻抗的加大，将使得绕组中电流下降，由式( 1 1 ) 确定的输出力值将变小，即振动台法存在输出力值与输出力频带之间的矛盾，p t b 系统产生最大力为l k n 。最近，由世界著名的英国l d s 公司生产的v 8 7 5 型振动台可输出最大稳态正弦力幅为3 6 k n ，而可用频率范围为3 k h z o j 。值得一提的是，对于电液式振动台，虽然可得到较大的力值，但频率范围相当低，一般最高仅几十赫兹。( 3 ) 方法误差的存在。如在通过式( 1 3 ) 经最小二乘法得到力时，假设力传感器的动态特性与所加力值无关，而这一假设没有充分的理论依据。4发动机推力矢量测试系统动态标定装置的碜 制稳态正弦激振力源除以p t b 实验室为典型代表的装置以外，还有其他形式的力发生装置。图1 3 所示是由日本学者y u s a k uf u j i i 提出的正弦力源发生装置【1 l 】。在这种装置中，传感器与底座牢固相连，并通过弹簧与一质量块相连，这样，在人为用一锤子击打质量块时，就能使待标定的传感器承受到正弦力作用。装置用气隙导轨来实现小摩擦直线运动。利用激光干涉仪测量作用于质量块上的惯性力以此对传感器进行动态标定。图1 - 3y u s a k uf u j i i 提出的正弦力源装置示意图f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f s e t u pf o rs i n u s o i d a lf o r c eg e n e r a t o rb yy u s a k uf u j i i2 、脉冲式力源脉冲式力源有各种脉冲类力信号，最典型的有半正弦信号、矩形信号等，其校准力传感器动态特性的原理是利用脉冲信号宽的幅频特性，激发出力传感器的动态特性，从而达到校准力传感器的目的。1 立柱2 提升释放机构3 标准冲击加速度计4 导向器5 重锤6 被检力传感器7 砧子图1 - 41 0 0 0 k n 落锤式动态力标准装置结构示意图f i g 1 4s c h e m a t i cd i a g r a m o f l 0 0 0 k n i m p u l s e f o r c e g e n e r a t o r b y f a l l i n g m a s s图1 - 4 所示为中国计量科学研究院等单位研制的基于脉冲式力源的“1 0 0 0 k n 冲击力校准装置系统”结构示意图。装置利用落锤自高处下落冲击力传感器，给力传感器输入发动机推力矢量测试系统动态标定装置的研制一个类半正弦脉冲力信号，通过安装于落锤之上的加速度传感器测量落锤的冲击加速度日( f ) ，再结合落锤的质量m ，由牛顿第二定律得到该冲击力值为：f ( t ) = m 口( f )由传感器输出信号可得力传感器频率特性为：h ( j c o ) = 器( 1 4 )( 1 5 )式中h ( ，) 力传感器频率特性u ( c o ) 力传感器输出u ( t ) 频率特性f ( j c o ) 力源信号f ( r ) 频率特性采用脉冲式力源与前面的正弦式力源相比，所需设备较少，操作简便，所以被广泛应用【l 。尤其是采用脉冲式力源可得到较宽频带及较大力值的动态力信号。由图1 4 所示装置可产生最大冲击力幅值为1 0 0 0 k n ，且上升时间只为0 5 1 0 m s 。然而，采用这种方法产生的脉冲式力源也存在缺点，尤其是在大力值动态校准中可以说是致命的( 】。主要表现在以下几个方面：( 1 ) 落锤绝对刚体的条件在高速冲击条件下不成立。在高速冲击的情况下，在落锤的撞击端产生局部应力与局部变形，并伴随着产生应力波的传播，在讨论该瞬间冲击力的大小时，不能以落锤上某一点的加速度来作为落锤整体加速度进行分析，而要得到落锤上每一点的加速度值又存在着困难，所以采用式( 1 4 ) 得到冲击力时，存在着明显的方法误差。同时，落锤在高速冲击过程中必伴随着较强的塑性变形，哪怕只是局部，这将给冲击力的大小分析带来巨大的障碍：f 2 ) 垫块质量的影响。为了保护力传感器，落锤并非直接冲在力传感器之上，而是通过一块垫块作用于力传感器，为了使力传感器所受力均匀，通常将垫块的质量取成与传感器的质量为同一个数量级。在高速冲击时，由于加速度很大，垫块的惯性力也将和锤的作用力一样施加到力传感器上，从而导致输入力值的测量误差；f 3 ) 波形畸变引起误差。在高速冲击情况下，宽频带的冲击力将激发出落锤的固有频率，从而使冲击力波形发生畸变。畸变的波形将给力值的精确测量带来困难，同时，也给传感器动态分析带来困难；f 4 ) 基座变形引起误差。支承力传感器的基座并非刚性基座，在承受大力值动态力作用时，将产生变形，从而对力传感器的响应造成影响。图1 5 所示为p t b 实验室正在研制的利用质量块冲击来实现脉冲力的动态力发生装置。在所谓的质量冲击舱( m a s si m p a c tm o d u l e ) 中，有两个质量块m 1 、m 2 ，m 1为正方形，m 2 与待测传感器相连接。m 1 的质量为1 0 k g ，m s 与传感器的质量和也为1 0 k g 。在初始加速和撞击的整个过程中，气隙导轨被用来作为质量块移动导向并减小摩擦。气隙导轨可产生平均厚度为1 5 “m 的气膜，在工作压力为5 1 0 5 p a 时，气膜的硬度可达3 0 0 n l lm 。空气由分布在冲击舱壁表面的许多个表面积为4 0 0 m m 2 的气孔块进入导轨，每个气孔块有1 2 8 个平均孔径为81 1m 的多孔烧结金属构成。m 1 在液压活塞作用下产生撞击初始速度v o ，在活塞停止时，m 1 还未发生撞击，以此来消除活塞与传感器间的发动帆推力矢量洌f 试系统动态标定装置的研制耦合作用。质量块的速度通过激光多普勒干涉仪来测量。利用所测得的速度通过相应公式就可阱得到作用在待标定传感器上的实际动态力。这种新型标定装置最大可产生2 0 k n 的力值，脉宽小于l m s 。但实验装置非常昂贵和精密，同时对待标定的传感器本身也存有不少限制条件。图1 5p t b 实验室研制的脉冲式力源装置示意图f i g 1 - 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f a ni m p u l s ef o r c ea t p t b图1 - 6 所示为日本的y u s a k u f u j i i 设计的脉冲式力发生装置f 1 6 】 1 7 】。其基本原理也同样是利用重物对力传感器进行冲击，给传感器施加个脉冲动态力。与p t b 实验室的质量冲击装置相类似，通过气隙导轨减小质量块移动过程中所受的摩擦力，并利用质量块前端的一个无阻尼撞击头使传感器受到理想的脉冲动态力作用。通过质量块撞击前后的速度来计算出实际的动态力并以此对传感器进行动态标定。图1 - 6y u s a k uf u j i i 提出的脉冲式力源装置示意图f i g 1 - 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f s e t u pf o ri m p u l s ef o r c eg e n e r a t o rb yy t l s a k uf u j i3 、阶跃式力源测量系统的时域响应特性是以阶跃响应睦线的某些特性值来表示的。若对输入和输出信号都进行傅立叶变换，则不难得到系统的频响函数，和脉冲类力信号类似，由于阶跃信号具有相当宽的有效频带，因而可以对高频响的传感器进行试验，并在试验中激发发动机推力矢量钡试系统动态标定装置的研制传感器的固有振动 i ”。而更重要的是该力源易于实现，尤其是负阶跃力，所以在传感器的动态标定中得到广泛的应用。图1 - 7 ( a ) 所示为一种激波管阶跃力发生装置 19 1 ，高压气源经减压器通向高压段，调节减压器使它的出口压力逐渐增高。当高压段压力升高到一定值时，膜片受压破裂，从而在低压段形成激波，它以很高的速度沿低压段方向传播，并在激波前后形成很理想的压力阶跃，被校准的力传感器安装在低压段的尾部端面上，受到正阶跃力的作用。采用这种方案在小力值时可实现较陡峭时延的正阶跃信号，但很难实现大力值。据航空工业总公司第三零四研究所提供的资料知，产生的力值一般小于1 0 k n ；同时在实现大力值时，由于安装机架的剧烈振动使正阶跃力的上升沿不能保持单调。高压供气杠杆意图1 7 三种阶跃力发生装置示意图f i g ，l - 7s c h e m a t i cd i a g r a mo f 3k i n do f s t e pf o r c es e t u p s图1 - 7 ( b ) 所示为一种较经典的负阶跃力发生装置l lj 。传感器通过杠杆、金属丝和砝码而受到一个固定的载荷( 砝码重量乘以杠杆的放大系数) ，然后用电或机械的办法突然切断挂着砝码的金属丝，使传感器突然卸载。这样，传感器上便作用到了一个负阶跃力。采用这种方法的关键问题在于必须在极短的时间内切断金属丝，以得到接近于理想的负阶跃。其中一种可行的方法是采用电切断金属丝的方法，即采用充了电的大容量电容器在短时间里大电流放电的方法快速熔断金属丝，当金属丝为直径1 0 6 r a m ，的钨丝时，切断时间小于1 0 i xs 。由于当金属丝较粗时，快速切断存在可行性的问题，所以这种方法仅适合于小力值的情形。图1 - 7 ( c ) 所示为北京航空航天大学研制成功的1 9 6 k n 动态力校准装置示意图，油压千斤顶经托板、脆性材料与压块等向上给力传感器施加静态力，压力表通过测量油压千斤项内的压力测出给力传感器施加的力值，当力值继续加大到脆性材料片断裂后，力传感器所受的力突然变为零，即力传感器感受到负阶跃力的作用。负阶跃力的力幅取决于脆性材料的承载能力，而下沿时间和其断裂时间密切相关，通常承载能力越大，则脆性材料的尺寸越大，而这又使得材料断裂时间加长，因此设计选择合适结构外形尺寸及材料特性的脆性材料是关键。航空工业总公司第三零四研究所于1 9 9 4 年研制出一台具有相同工作原理的实用的“1 0 0 k n 力传感器动态校准装置”，并采用高纯度的s i c 陶瓷作为脆性材料，经测试其断裂时间在2 2 0hs 。它存在的问题是：发动机摊力矢量测试系统动态标定装置的研制( 1 ) 负阶跃力静态力值由脆性材料断裂时承受的载荷确定，分散性大目不可控；( 2 ) 当力幅较大时，受到脆性材料尺寸的限制，很难保证短的下降时沿；( 3 ) 由于附加质量的作用，实际作用在传感器上的力下降沿时间大于材料断裂时间。落锤2 、冲杆3 、支座4 、待测力传感器5 、垫块6 、卸荷部件7 、施力部件图1 8 落锤冲击卸荷装置示意图f i g1 - 8s c h e m a t i cd i a g r a mo f a ns t e pf o r c eb yf a l l i n gm a s sa n du n l o a d i n g图1 8 所示为浙江大学研制成功的“1 2 0 0 k n 标准负阶跃力源系统”，采用落锤冲击卸荷的方法产生负阶跃力1 2 。首先由施力部件产生力f o ，通过卸荷部件、垫块等施加在力传感器上，使传感器承受所需的静载。落锤自高处自由落下与冲杆发生碰撞，撞击力通过冲杆传至垫块，垫块因此而受到与静载f o 相反的作用力。一方面，它将向下运动并与传感器脱离，使传感器受力变小直至为零；另一方面，将使卸荷部件动作，使垫块受到向上的作用力逐渐减小，甚至变为零，从而加速自身向下的运动。该方案有如下特点：( 1 ) 由于静载f o 事先加好，所以产生负阶跃力的静态力值即为f o ；( 2 ) 由于卸荷方式采用落锤冲击，所以产生负阶跃力的下降沿时间不光取决于脆性材料的尺寸( 若卸荷部件采用脆性材料) ，而且还取决于落锤的冲击能量，所以适当提高落锤，冲击能量可望实现大力值宽频带的负阶跃力；( 3 ) 由于采用落锤冲击垫块的方法实现卸荷，所以可减弱附加质量的作用，进一步缩短产生负阶跃力的下降沿时间。采用该方法可使力传感器感受到的负阶跃力，在5 0 k n时下降沿时间达2 5us 。n 1 9 1 标n y u s a k uf u j i i 提出的阶跃式力源装置川。重物被一根不锈钢丝悬挂在传感器的正上方。重物与传感器之间的高度可调整。为使重物能在极小摩擦下垂直向下运动，使用了空气轴承。质量块的速度由干涉仪精确测得。测量过程如下：首先，将重物用钢丝悬挂在传感器的正上方，然后用将钢丝剪断以使重物下落。一个橡胶阻尼器安装在重物下方以缓和阶跃力的极值。通过重物的速度可得到作用在传感器上力。9发动帆推力矢量测试系统动态标定装置的研制图1 - 9y u s a k uf u j i i 提出的阶跃式力源装置示意图f i g 】一9s c h e m a t i cd i a g r a mo f a ns t e pf o r c ed e s i g n e db yy u s a k uf u j i i1 3 论文的主要工作及体系结构本论文的研究课题是大连理工大学机械学院传感测控研究所与中国航天科技集团1 0 1 所合作项目。研究内容主要是研制某动力系统轨控发动机推力矢量测试系统。课题对测试系统的动态标定提出了明确要求，即：推力测量系统的动态校准，必须靠施加一个等于实际发动机试验所期望的额定动态力来进行。具体要求如下：f 1 ) 主推力f 。向动态标定：要求对铡试平台加载如图i i o 所示的动态主推力( 在本论文中，将称其为标准梯形动态力) ，在0 - 3 m s 时段推力由o 上升到1 2 0 0 n ，在3 m s - t i n s时段内保持力值稳定，而后在7 m s - 1 0 m s 时段下降为o ，在l o m s - 2 0 m s 时段内保持为0 ，如此2 0 m s 为一周期并连续施加。用此标准梯形动态力来模拟x x x 轨控发动机在脉冲点火o r g o f f ，1 0 m s 1 0 m s 时的受力特性，并以此动态力对推力矢量测试装簧进行动态响应特性的评定，以满足其测试技术要求。图l 一1 0 动态标定用主推力r 向( f y ，f 2 向) 的标准梯形动态力f i g ，1 - 1 0 d i a g r a mo f t h es t a n d a r d t r a p e z o i d a l d y n a m i c f o r c e o n f x ( f v ，f z )( 2 ) 侧向推力f ”f ：向的动态标定：与动态主推力f x 向类似，亦见图1 - 1 0 所示，唯一的区别是力的幅值为i o n 。i o发动机推力矢量测试系统动态标定装最的研制本论文的主要研究工作就是要研制轨控发动机推力矢量测试系统动态标定所需的标准梯形动态力发生装置，实现如上要求的一个与实际发动机试验过程中所期望的额定动态力相一致的标准梯形动态力，为进行推力矢量测试系统的动态标定工作打下基础。本论文的主要研究工作如下：( 1 ) 标准梯形动态力发生装置方案的最终选定：激振器方案以及用以产生小力值标准梯形动态力的比例电磁铁方案；( 2 ) 激振器方案的研究：包括产生激励信号所需的数字信号发生器的硬件设计、软件设计与调试；激振器安装方式等；( 3 ) 采用比例电磁铁实现小力值梯形动态力方案的研究：包括m u t t i s i m 2 0 0 1 仿真分析，信号电路设计，功率放大器电路设计，安装方式等；( 4 ) 进行了两种方案的实验验证，并对实验结果进行了相应分析。本文的体系结构如图1 1 l 所示。图1 - 1 1 本文的体系结构f i g 1 - 1 1s t r u c t u r eo f t h et h e s i s发动机推力矢量测试系统动态标定装置的研制2 总体方案设计轨控发动机是x x x 动力系统研制核心，研制总体对其推力最大偏心要求极为严格，若轨控发动机实际推力的偏斜角和偏移( 偏心距) 过大，则会直接影响x x x 飞行试验控制精度和目标命中精度，并可能最终导致试验失败。为提高x x x 目标命中精度，必须严格控制其轨控发动机的推力偏心。因此，从工程应用角度出发，尽快研制开发出相应的推力矢量测试系统，以此获取x x x 动力系统轨控发动机推力矢量测试数据，以正确评判发动机性能，并最终为实现x x x 的总装纠偏提供依据，是非常迫切而必要的。2 1 课题总体设计思路本课题最终需实现的总体功能是：能够精确地测试出x x x 动力系统轨控发动机所产生的推力矢量。测试系统除了须满足相应的基本性能要求外，应具有快速的动态响应特性以满足发动机在脉冲点火o n o f r 1 0 m s l o m s 时的性能测试技术要求，所以特别提出以一个与实际发动机试验过程中所期望的额定动态力相一致的标准梯形动态力来对测试系统进行动态标定的要求。课题总体设计思路是：利用四个三维压电石英力传感器组成推力矢量测试系统的核心，通过在每个传感器上所测得的各个力信号分量，采用反向求解方法来获取发动机的实际推力矢量。测试系统的静态标定采用液压机构实现逐级加载。测试系统动态标定所需的梯形动态力发生装置利用通电线圈在磁场中受到电磁力的原理来实现，采用以激振器为执行元件，同时配以相应的信号发生电路和功率放大器来获取所需的梯形动态力。同时针对测试系统侧向动态标定时动态力幅值小以及在测试系统进行发动机的模拟高空试验时真空舱空间有限的特点，同样基于通电线圈在磁场中受到电磁力的原理，选用比例电磁铁作为执行器，并考虑到比例电磁铁电感大等特点，通过m u l t i s i m 2 0 0 1 进行电路仿真，得到以阶梯电压激励信号来实现侧向小力值梯形动态力的发生装置。2 2 推力偏心定义与几伺p 一4 4 - 述轨控发动机在点火工作过程中，由于推进剂燃烧的不均匀性或喷管的几何不对称性，使喷管中的燃气流动为非对称流动。这种流动造成轨控发动机工作过程中实际推力大小和方向是不断改变的空间向量，其推力实际作用线一般偏离发动机喷管几何理论轴线，这就是通常所说的发动机推力偏心。造成发动机推力偏心的原因除此之外，还有很多，如点火时初温以及外流场的影响等忙“。推力偏心可用推力偏斜角( 推力偏心角) 、推力偏移( 推力偏心距) 、推力偏移方位角( 推力偏心距方位角) 等来描述，参见图2 - 1 所示。1 2发动机推力矢量测试系统动态标定装置的研制图2 - 1 推力偏心定义示意图f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h r u s te c c e n t r i c i t yd e f i n i t i o n在x y o z 空间右手直角坐标系内，假定y o z 平面为发动机的对接安装定位法兰平面，x 轴为发动机喷管几何理论轴线，0 为发动机喷管几何理论中心( y o z 平面坐标原点) ，a 为发动对接安装法兰平面内推力实际作用点。则发动机推力偏心描述有关参数约定如下：推力偏斜角：空间推力f 与推力理论轴线x 轴的夹角；推力偏移方位角口：o a 与y 轴之间夹角；侧向力方位角，：侧向推力f ，：与y 轴之间的夹角；推力偏移巧：空间推力f 与发动机安装定位法兰面y o z 的交点a 到发动机喷管几何理论中心线与y o z 平面交点o 的距离；主推力f x ：空间推力f 在x 轴上的投影；侧向力f ，：空间推力f 在y o z 平面上的投影；侧向推力f ，f 。：侧向力f ，：分别在y 轴与z 轴上的投影。2 3 推力矢量测试装置的研究依据待研制的推力矢量测试系统的性能要求，本轨控发动机推力矢量测试系统采用压电石英测力系统。发动机点火喷发形成的推力矢量通过发动机法兰平面，作用到压电测力平台上，平台通过过渡板支撑在支座上，构成支反力。设置在测试平台内的4 个3维力( 每个传感器可测3 个方向) 压电石英传感器。将力进行分解后，分别以电荷量输出，经电荷放大器变成相应的电压信号，经过a d 数据采集卡将模拟信号变成计算机接受的数字信号，输入计算机，经计算机采集、处理、运算后得出推力矢量各主要参数，最后由终端显示、存储、分析、记录、打印等。2 。4 动态标定用标准梯形动态力发生装置的研究有资料指出2 列，火箭发动机推力测量系统的动态标定，须靠施加一个等于实际发动机试验所期望的额定动态力来进行。在对所研制的轨控发动机推力矢量测试系统进行动发动机推力矢量测试系统动态标定装置的研制态标定时，也要进行相同要求的动态标定试验，同时还要求此动态力连续加载以模拟发动机在连续脉冲点火o n o f f 一1 0 m s 1 0 m s 时的工作状态。2 4 1 可行性方案选定在第一章绪论中已论述了目前国内外常用的标准力发生装置，主要有稳态正弦式力源，脉冲式力源和阶跃式力源等典型试验信号。但是对于本课题中的推力矢量测试系统，由于其需求一个与实际发动机试验所期望的额定动态力来进行动态标定且需连续加载，所以都不能够满足本课题的要求。利用凸轮或曲柄连杆等机构产生作用力，或利用偏心质量旋转时产生离心力等是机械式力机构常用的方式。若用这种机械类设备来实现所需的标准梯形动态力发生装置，则其可以产生的动态力频率较低，一般为5 0 h z 以下，同时机械摩擦、振动大，机构复杂，而且不论是凸轮、曲柄，还是离心式，通常均是在作用力方向上有位移量的。由于本推力矢量测试系统采用的是微位移的压电式传感测试系统，所以如何利用凸轮、曲柄或偏心质量离心力来实现所需标准梯形动态力，以及如何传递给测试系统，都有一定的难度。若用压电晶体片来实现标准梯形动态力，在其产生动态力的频率以及如何将动态力作用到测试平台等方面都应可以满足所需要求。但是利用压电晶体片可以实现的力值较小，无法满足所需标准梯形动态力的幅值要求。若用电气液压式设备，通过伺服阀等使交变电流变化为油路中油压的变化，通过油缸加载来实现所需的标准梯形动态力，则在所需的标准梯形动态力幅值以及与测试系统的力传递环节上不会有任何问题，而且在方案初期也曾试图利用这种方法来实现。但是对于液压系统存在的致命缺点就是其滞后性大，要实现如此高频率的作用力存在一定难度，更不用说如何实现3 m s 标准动态力的上升下降沿了。目前油路系统中的换向阀所能达到的换向频率也就在5 0 h z 左右，对于滞后大的液压系统要实现高频率变化的力值就更难了。与液压式类似，气压式也难以实现所需的标准动态力。在排除了机械式，液压式，压电式，气压式等方案后，利用电流信号输入到处于磁场中的线圈中而使线圈产生电磁力来实现标准梯形动态