姿控发动机矢量推力测量系统及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及航天发动机试验，具体地说涉及姿控发动机工作过程中，矢量推力测 量、数据传输及处理的试验方法。
【背景技术】
[0002] 火箭发动机在工作过程中，由于燃烧室、矢量喷管等内流场存在不对称流动，必然 产生相对主推力矢量而言然微小的侧向力。由于对飞行器的控制精度要求越来越高，这种 微小的侧向力对飞行器的控制带来的影响作用需引起足够重视。
[0003] 现阶段所采用的发动机地面推力测量装置是仅仅能够测量发动机的轴向主推力， 无法测量垂直于中心轴线的侧向载荷及力矩。因此要评估发动机的工作效果，需要在高空 模拟试验台上，研制一套矢量推力测量系统，获取发动机工作的矢量推力。
【发明内容】
[0004]为了实现姿控发动机矢量推力测量要求，本发明提高一种姿控发动机矢量推力测 量系统及测量方法。
[0005] 本发明的技术解决方案：
[0006] 姿控发动机矢量推力测量系统，其特殊之处在于:包括5芯连接器、61芯连接器、测 量模块以及原位推力计算模块，
[0007] 所述矢量力传感器输出7路电压信号，通过7个5芯连接器进入61芯连接器，所述61 芯连接器的输出端接测量模块；
[0008] 所述测量模块包括电源、电压信号采集模块、激励回测模块以及转接接口，
[0009] 所述电源用于通过5芯连接器和61芯连接器向矢量力传感器提供激励；
[0010]所述电压采集信号用于通过5芯连接器和61芯连接器采集矢量力传感器的 [0011]电压信号，所述激励回测模块用于测量矢量力传感器反馈的激励信号，所述转接 接口与原位推力计算模块连接，
[0012] 所述原位推力计算模块包括解耦计算模块、校准系数存储模块以及坐标转换模 块，
[0013] 所述校准系数存储模块用于存储校准系数矩阵；
[0014]所述解耦计算模块用于从电压信号采集模块得到当前的测量电压值，后从校准系 数存储模块读取校准系统矩阵进行解耦计算得到相对矢量力传感器校准中心的载荷；
[0015] 所述坐标转换模块用于将相对矢量力传感器校准中心的载荷变换到发动机法兰 面给定的坐标系，从而得到施加在发动机法兰面的力。
[00?6]姿控发动机矢量推力测量方法，包括以下步骤：
[0017] 1)测量前将矢量力传感器置零；
[0018] 2)存储校准系统矩阵K;
[0019] 3)采集矢量力传感器的电压变化量：
[0020] U=[AUi,AU2,AU3,Δυ4,AUs,AU6),AUy]
[0021 ] 4)发动机评估数据计算：
[0022] 采用隐式载荷的计算公式，进行迭代计算，求出矢量力传感器的载荷
[0023]
[0024] Mz = f( AUMz,Y,Mz,Mx,X,Z,My)
[0025] Mx = f( AUMx,Y,Mz,Mx,X,Z,My)
[0026] X=f(AUx,Y,Mz,Mx,X,Z,My)
[0027] Z=f(AUz,Y,Mz,Mx,X,Z,My)
[0028] My = f( AUMy,Y,Mz,Mx,X,Z,My)........................(2)
[0029] 写成矩阵的形式：
[0030]
[0031] 其中:A为校准系数矩阵，A=(Aij)，i=l，2,3. . . .27,j=l，2,3.，4,5,6对应于传感 器校准结果中令六^ = 0(1 = 1，2,3,4,5,6)的校准系数矩阵。
[0032] B为载荷向量：
[0033] BT=(Y,Mz,Mx,Z,My,Y,Mz,Mx,X,Z,My,Y.Y,Mz.Mz,Mx.Mx,X.X,Z.Z,My.My,Y.Mz, Y.Mx,Y.X,Y.Z,Y.My,Mz.Mx,Mz.X,Mz.Z,Mz.My,Mx.X,Mx.Z,Mx.My,X.Z,X.My,Z.My)
[0034] 具体迭代过程：
[0035] 4.1)给出初始值
[0036] Υ〇 =Κγ·ΔUy
[0037] Mzo=Kmz·Δ Umz
[0038] Μχο = Κμχ·Δ Umx
[0039] Χ〇 =Κχ·ΔUx
[0040] Zo=Kz·AUz
[0041] My〇= KMy · Δ UMy
[0042] 4.2)第一次迭代
[0043] Yi = f( Δυγ,Υο,Μζο,Μχο,Χο,Ζο,Μγο)
[0044] Mzi = f( AUMz,Yo,Mzo,Mxo,Xo,Zo,Myo)
[0045] Mxi = f ( Δ UMx,Yo,Mzo,Mxo,Xo,Zo,Myo)
[0046] Xi = f( AUx,Yo,Mzo,Mxo,Xo,Zo,Myo)
[0047] Zi = f( AUz,Yo,Mzo,Mxo,Xo,Zo,Myo) Myi = f ( Δ UMy,Yo,Mzo,Mxo,Xo,Zo,Myo)
[0048] ……
[0049] Yi+i= f(Δυγ,Υ?,Μζι,Μχ?,Χ?,Ζ?,Μγ?)
[0050] Mzi+i= f ( ΔUMz,Yi,Mzi,Mxi,Xi,Zi,Myi)
[0051] Mxi+i= f(AUMx,Yi,Mzi,Mxi,Xi,Zi,Myi)
[0052] Xi+i= f(AUx,Yi,Mzi,Mxi,Xi,Zi,Myi)
[0053] Zi+i= f(AUz,Yi,Mzi,Mxi,Xi,Zi,Myi) Myi+i= f(Δ UMy,Yi,Μζι,Μχι,Xi,Zi,Myi)
[0054]当相对误差ε小于给定误差时，收敛，即：
[0055]
[0056]这样就得到了相对矢量力传感器校准中心的载荷；
[0057] 5)用于将相对矢量力传感器校准中心的载荷变换到发动机法兰面给定的坐标系， 从而得到用户需要的发动机评估数据。
[0058] ε〇取10-6。
[0059]本发明所具有的优点：
[0060]本发明采用矢量推力测量参数互扰解耦等关键技术，研发了测量数据分析处理系 统，实现了矢量推力、推力偏斜角、推力偏移方位角、侧向力方位角、推力偏移作用点坐标等 参数的测量及计算。
【附图说明】
[0061]图1为姿控发动机矢量推力测量系统的原理示意图；
[0062]图2为本发明测量模块和原位推力计算模块的原理示意图；
[0063]图3为力与力矩的分解示意图。
【具体实施方式】
[0064]下面结合附图对本发明进行进一步说明：
[0065]被测矢量力传感器：
[0066]矢量力传感器的材料选择高强度马氏体时效钢F141，这是一种含有18%镍的超高 强度的铁基合金，与其它材料相比，它的突出特点是:在具有高强度的同时，仍有良好的韧 性与延伸性能;抗腐蚀性能好;在固熔状态下易于机械加工和锻造成形;焊接性能好;热处 理畸变很小;线膨胀系数低。
[0067]矢量力传感器采用一体加工而成，结构如图3所示。传感器由7个双圆弧形双向弹 性铰链和7个应变梁构成，双圆弧形双向弹性铰链的优点是抗干扰能力强，灵敏度高，可以 提供小的角位移，轴向刚度大，没有间隙和摩擦、滞后的问题，有极长的寿命。由弹性铰链所 实现的机械分解，使各测力元件只受到欲测力的作用，因而各分量间干扰小，有利于提高精 度。M1、M2、M3、M4-用于响应X向载荷的应变片，其输出的电压值分别为U1、U2、U3、U4;M5、M6-用于响应Y向载荷的应变片，其输出的电压值分别为U5、U6;M7-用于响应Z向载荷的应变片， 其输出的电压值为U7。
[0068]力与力矩的分解关系如下：
[0069] Fx=Ml+M2+M3+M4..............................(1)
[0070] Fz=M7.......................................(2)
[0071] Fy=M5+M6.................................(3)
[0072] My = (Ml+M2)-(M3+M4).....................(4)
[0073] Mx=M6-M5.................................(5)
[0074] Mz = (Ml+M3)-(M2+M4).....................(6)
[0075]如图1所示，姿控发动机矢量推力测量系统，包括5芯连接器、61芯连接器、测量模 块以及原位推力计算模块，
[0076] 矢量力传感器输出7路电压信号，通过7个5芯连接器进入61芯连接器，所述61芯连 接器的输出端接测量模块；
[0077]测量模块包括电源、电压信号采集模块、激励回测模块以及转接接口，
[0078]电源用于通过5芯连接器和61芯连接器向矢量力传感器提供激励；
[0079]电压采集信号用于接收61芯连接器发送的电压信号，所述激励回测模块用于测量 矢量力传感器反馈的激励信号，所述转接接口与原位推力计算模块连接，
[0080]如图2所示，原位推力计算模块包括解耦计算模块、校准系数存储模块以及坐标转 换模块，
[0081]校准系数存储模块用于存储校准系数矩阵；
[0082]解耦计算模块用于从电压信号采集模块得到当前的测量电压值，后从校准系数存 储模块读取校准系统矩阵进行解耦计算得到相对矢量力传感器校准中心的载荷；
[0083]坐标转换模块用于将相对矢量力传感器校准中心的载荷变换到发动机法兰面给 定的坐标系，从而得到施加在发动机法兰面的力。