一种基于位移测量的发动机径向力测量系统及方法与流程

本发明属于航天发动机试验技术领域，具体涉及一种基于位移测量的发动机径向力测量系统及方法。

背景技术：

推力作为液体火箭发动机地面试验和火箭飞行的关键性能参数，具有非常重要的研究价值。发动机工作过程易产生因介质燃烧不充分带来喷管口燃气流出的不均匀性,这样不可避免地造成喷管偏摆现象的发生，从而产生发动机瞬时径向力。若瞬时径向力达到一定程度，将会影响火箭箭体飞行控制精度。因此，亟待进行地面试验发动机径向推力测量，将有助于估算出发动机瞬时径向推力对主推力的影响程度，为火箭总体设计提供参考依据。

但现有技术中缺少对地面试验发动机的径向推力测量技术。

技术实现要素：

为了填补现有技术缺少试验发动机径向推力测量技术的空白，本发明提供一种基于位移测量的发动机径向力测量系统及方法，本发明采用位移传感器测量喷口圆面偏移量后计算发动机质心空间偏移量，通过偏移量计算偏移角度，再根据主推力得出径向推力大小。

本发明的技术解决方案：

本发明提供了一种基于位移测量的发动机侧向力测量系统，包括1#位移传感器、2#位移传感器、3#位移传感器、4#位移传感器、支撑架以及引线、四个位移传感器固定在支撑架上，四个位移传感器圆周均布在发动机的上方，并分别通过引线与发动机的喷管连接。

基于位移测量的发动机径向力测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)建立模型：

模型的坐标系为原始坐标系向Z轴正半轴位移后形成的偏移坐标系，原始坐标系的原点O为试验前的喷管口截面的圆心；偏移坐标系的原点O′为发动机试验时喷管口截面向Z轴正半轴位移后形成的偏摆截面的圆心；Z轴为发动机的轴向中心线，其正向为喷管口朝向的反方向；

步骤2)按照下列公式计算偏移坐标系的原点O′在原始坐标系中的坐标值(Δx,Δy,Δz)

其中，a₁为支撑架上1#位移传感器在Y轴正半轴上的投影点；b1支撑架上1#位移传感器安装起始点所在平面距喷管口初始平面的高度；c₁为支撑架上1#位移传感器与喷管口之间的引线长度；

a₂为支撑架上2#位移传感器在X轴负半轴上的投影点；b2支撑架上2#位移传感器安装起始点所在平面距喷管口初始平面的高度；c₂为支撑架上2#位移传感器与喷管口之间的引线长度；

a₃为支撑架上3#位移传感器在Y轴负半轴上的投影点；b3支撑架上3# 位移传感器安装起始点所在平面距喷管口初始平面的高度；c₃为支撑架上1#位移传感器与喷管口之间的引线长度；

a₄为支撑架上4#位移传感器在X轴正半轴上的投影点；b4支撑架上4#位移传感器安装起始点所在平面距喷管口初始平面的高度；c₄为支撑架上4#位移传感器与喷管口之间的引线长度；

步骤3)夹角计算：

利用任意三角形的边角定理计算发动机质心偏移角度θ：

其中，L＝(b₁+b₂+b₃+b₄)/4；

$L^{\′}=\sqrt{{(L-{\mathrm{\Δz}}_1)}^2+{{\mathrm{\Δy}}_1}^2};$

$\left|{\mathrm{OO}}^{\′}\right|=\sqrt{{{\mathrm{\Δx}}_1}^2+{{\mathrm{\Δy}}_1}^2+{{\mathrm{\Δz}}_1}^2};$

步骤4)径向推力R_径计算：

径向推力为R_径＝R_轴*tanθ，其中，R_轴为施加的推力值。

本发明所具有的优点：

本发明通过建模，算法设计，传感器选型，位移测量最终得到发动机喷口截面中心位移数据。根据位移数据计算发动机偏移角度，最终获得径向推力。通过位移测量数据可看出，试车中发动机轴线相对试车台动架偏移至象限位置，发动机轴线产生角度为θ的偏移角，在试车中瞬时推力被削减量。为分析发动机偏心原因提供有力数据，为发动机设计以及今后高精度测量提供参考数据。

附图说明

图1为建立的模型一；

图2为建立的模型二；

图3为发动机偏移角度模型。

具体实施方式

基于位移测量的发动机侧向力测量系统，在发动机上方的试车台圆环动架四等分处焊接位移传感器固定架，并将4个位移传感器通过弹性材料分别固定在传感器固定架上。传感器连线端与发动机喷口截面四等分连线处通过不锈钢丝引线连接。确保引线绷直，同时传感器支撑架方向与引线方向平行。因此，通过支撑架，安装传感器，连接引线，建立偏移量测量系统。

基于位移测量的发动机径向力测量方法，包括以下步骤：

步骤1)建立模型：

根据发动机侧向情况建立两种模型，如图1所示的模型一和如图2所示的模型二。模型一为发动机试验时喷口截面向Z轴正半轴位移后形成的以O′为圆心的偏摆截面，与试验前以O为圆心的截面不平行，模型二为发动机试验时喷口截面向Z轴正半轴位移后形成的以O′为圆心)的偏摆截面，与试验前以o为圆心的截面平行。

步骤2)按照下列公式计算偏移坐标系的原点O′在原始坐标系中的坐标值(Δx,Δy,Δz)

其中：a₁为支撑架上1#位移传感器在Y轴正半轴上的投影点；b1支撑架上1#位移传感器安装起始点所在平面距喷管口初始平面的高度；c₁为支撑架上1#位移传感器与喷管口之间的引线长度；a₂～a₄为支撑架上2#～4#位移传感器安装起始点在X负半轴、Y负半轴、X正半轴投影点与对应喷口处引线的连接点距离，b₂～b₄为支撑架上2#～4#位移传感器安装起始点所在平面与喷管口初始平面的高度，c₂'-c₄'为2#～4#位移传感器所在支撑架固定点位移量，试验时测得的数值。

依据模型二，假定动架平面不发生位移。将获得含有三个未知数的方程，可以求解。发动机初始喷管口中心O坐标为(0,0,0)，喷管口圆心偏移后新坐标O′为(Δx,Δy,Δz)。首先计算喷口圆心偏移后Y轴正半轴测点位置偏移量，即Δy。见图2，Rt△ABC为C点传感器与A(喷口连接点)、B(C点在Y轴上投影点)构成的直角三角形，Rt△CE.D'为C点传感器与D'(试验时喷口连接点A点偏移后位置)与E(D'点在上投影点)构成的直角三角形，为 在I象限水平面的投影，线段D'E与FB平行且相等，与构成矩形D'EBF。Rt△FDB为点F(D'点在I象限的投影点)与D(F点在Y轴投影点)、B构成的直角三角形。Rt△ABC中，均为已知测量值，长度假定为a₁、b₁、c₁。

c₁'为1#位移传感器所在动架固定点位移量，为试验时测得的数值。通过Rt△ABC、Rt△FDB和Rt△CED'可以列出方程式①，同理在II、III、IV象限中可得出方程②、③、④。

因此，a₁～a₄、b₁～b₄、c₁～c₄、c₁'-c₄'均为已知量，代入方程式①、②、③、④简化降次获得关于△y的一元二次方程。通过求解方程可得到△y的解，同理可得到△x、△z的数值。偏移后的位移、角度即可求解，再根据发动机主推力可求出径向推力。a₁～a₄、b₁～b₄、c₁～c₄为安装传感器后直接测量获得，c₁'-c₄'发动机试验时采集获得数值。因此，在上述方程组中a₁～a₄、b₁～b₄、c₁～c₄、c₁'-c₄'均为已知量。

步骤3)求解计算

3.1)偏移量计算

计算关于△y的一元二次方程，根据一元二次方程ax²+bx+c＝0(a≠0)求根公式求解方程，得两组方程解，一个为(△x₁，△y₁，△z₁)，另一个为(△x₂，△y₂，△z₂)。根据实际发动机工作状态及其数据的物理意义，经过计算仅有一组解符合真实试车状态，假定为(△x₁，△y₁，△z₁)，根据结果可知O’坐标(△x₁，△y₁，△z₁)。

3.2)夹角计算

发动机偏移角度模型见图3。通过计算偏移角度，即偏移后的夹角。通过实际推力数值计算侧向力值。

利用任意三角形的边角定理计算获得偏移夹角θ。其中，

θ为发动机质心偏移角度；

L为发动机喷口高度，L＝(b₁+b₂+b₃+b₄)/4。b₁～b₄为实际测量的动架上1#～4#位移传感器安装起始点距喷口初始平面(水平投影平面)高度，为了减少误差求4个高度的平均值；

L'为试验时发动机喷口高度：

OO′为该线段长度，通过已知△x₁，△y₁，△z₁计算。即

3.3)径向推力计算

径向推力为R_径＝R_轴*tanθ。由(R_径/R)知推力被削减2.4‰，数据表明，径向推力几乎可以忽略。其中，R_轴为推力测量值，R_径为径向推力，R为实际发动机推力。