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    液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)多維力測(cè)量裝置原位校準(zhǔn)技術(shù)研究

    2019-01-07 06:28:40李志勛王宏亮趙印明陳柯行
    計(jì)測(cè)技術(shù) 2018年5期
    關(guān)鍵詞:力源原位管路

    李志勛,王宏亮,趙印明,陳柯行

    (1.西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所,陜西 西安 710100;2.航空工業(yè)北京長城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所,北京 100095)

    0 引言

    火箭發(fā)動(dòng)機(jī)多維力測(cè)量技術(shù)一直以來是發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試領(lǐng)域所關(guān)注的重點(diǎn)[1]。近年來,六分力測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)和六分力天平已成為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域廣為采用的多維力測(cè)量方式,發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中也已逐步將真空多維力測(cè)量列為常態(tài)化試驗(yàn)需求。其中文獻(xiàn)[2-3]采用了六分力測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的測(cè)試方案,文獻(xiàn)[4-5]采用了六分力天平的測(cè)試方案。受傳感器安裝狀態(tài)、推進(jìn)劑供應(yīng)管路約束、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度變化等影響,多維力傳感器出廠時(shí)的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)系數(shù),已不適用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試使用。

    目前,關(guān)于如何測(cè)準(zhǔn)和測(cè)全發(fā)動(dòng)機(jī)多維力已成為試驗(yàn)過程高度關(guān)注的問題。為提高多維力測(cè)量精度,針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)多維力測(cè)量裝置開展試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)技術(shù)研究,建立了一套多維力測(cè)量與現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)一體化裝置,重點(diǎn)解決真空環(huán)境遠(yuǎn)程控制、精確自動(dòng)校準(zhǔn)問題,通過分析真空、溫度、管路約束等對(duì)多維力測(cè)量的影響,提出相應(yīng)的解決措施,降低試驗(yàn)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)多維力測(cè)量所造成的不利影響,為發(fā)動(dòng)機(jī)多維力測(cè)量提供了保障條件。

    1 多維力測(cè)量與校準(zhǔn)系統(tǒng)原理與組成

    發(fā)動(dòng)機(jī)多維力測(cè)量與校準(zhǔn)一體化裝置主要由推力測(cè)量系統(tǒng)、推力原位校準(zhǔn)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)組成,系統(tǒng)原理如圖1所示。多維力傳感器作為被校準(zhǔn)對(duì)象,標(biāo)準(zhǔn)力傳感器用于溯源;力源加載裝置用于提供標(biāo)準(zhǔn)力源,采用伺服電機(jī)與電動(dòng)缸方式加載標(biāo)準(zhǔn)力源。

    圖1 校準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖

    多維力測(cè)量系統(tǒng)由定架、推進(jìn)劑供應(yīng)管路、控制氣管路、測(cè)量線纜、力源加載轉(zhuǎn)換器、多維力傳感器、采集系統(tǒng)、采集計(jì)算機(jī)及解耦軟件構(gòu)成。力源加載轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)為圓盤形式,用于連接標(biāo)準(zhǔn)力源加載電動(dòng)缸與多維力傳感器將標(biāo)準(zhǔn)力源加載力傳遞到多維力傳感器上。測(cè)量時(shí),力源加載轉(zhuǎn)換器則用于連接發(fā)動(dòng)機(jī)與多維力傳感器,其實(shí)物如圖2所示。校準(zhǔn)軟件用于實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)過程的自動(dòng)化控制以及校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)處理,實(shí)現(xiàn)X向、Y向、Z向、X軸扭矩、Y軸扭矩、Z軸扭矩的校準(zhǔn),測(cè)量與現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置。

    圖2 多維力測(cè)量與現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)一體化系統(tǒng)

    多維力原位校準(zhǔn)裝置用于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火前推進(jìn)劑供應(yīng)管路、控制氣管路、測(cè)量線纜約束下的校準(zhǔn);多維力傳感器是四柱式高精度電阻應(yīng)變式力傳感器,為被校對(duì)象[6],如圖3所示。

    圖3 傳感器樣機(jī)及配套儀表樣機(jī)

    2 多維力測(cè)量裝置自動(dòng)快速精確校準(zhǔn)技術(shù)

    2.1 自動(dòng)快速精確校準(zhǔn)技術(shù)

    發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)在高空模擬試驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行,而真空艙為臥式結(jié)構(gòu),如圖4所示。進(jìn)行推力測(cè)量時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)安裝狀態(tài)為水平安裝。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行高空模擬試驗(yàn)時(shí)艙門封閉,擴(kuò)壓器后端蒸汽引射系統(tǒng)工作維持真空,由于蒸汽引射系統(tǒng)的工作時(shí)間有限,發(fā)動(dòng)機(jī)必須在有限的時(shí)間內(nèi)完成高空模擬試驗(yàn)的性能測(cè)量與校準(zhǔn)過程。試驗(yàn)時(shí)間緊、成本高是發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)的一個(gè)顯著特點(diǎn)[7],這要求多維力原位校準(zhǔn)系統(tǒng)具備真空環(huán)境下標(biāo)準(zhǔn)力源的精確加載、力源加載的快速、遠(yuǎn)程以及自動(dòng)控制的特點(diǎn)。

    圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)火箭試驗(yàn)系統(tǒng)

    采用基于電動(dòng)缸的力源加載方式,控制原理如圖5所示。為實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)力源的自動(dòng)快速加載功能,主要采取精確加載、快速加載及遠(yuǎn)程自動(dòng)控制技術(shù)。

    圖5 自動(dòng)快速校準(zhǔn)力加載控制原理

    1)精確加載技術(shù)

    標(biāo)準(zhǔn)力傳感器誤差優(yōu)于0.005%,DMP40測(cè)量誤差優(yōu)于0.003%,可確保標(biāo)準(zhǔn)力源的測(cè)量誤差優(yōu)于0.01%。標(biāo)準(zhǔn)力源加載通過對(duì)伺服電機(jī)的細(xì)分控制[8]來實(shí)現(xiàn),當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)力傳感器測(cè)量值與設(shè)定值的偏差小于0.3%時(shí),停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并維持不少于5 s的穩(wěn)定時(shí)間。

    2)快速加載技術(shù)

    采用模糊控制器技術(shù)對(duì)力源加載過程進(jìn)行快速調(diào)節(jié)。按照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量力值與設(shè)定值的偏差大小,將力源加載過程分為兩段:大偏差段和小偏差段[9],大偏差段大于等于80%,小偏差段小于等于20%。在大偏差段控制電動(dòng)缸以較高的位移速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)小超調(diào)的條件下到達(dá)小偏差區(qū)。在小偏差段控制電動(dòng)缸以低的位移速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng),消除擾動(dòng)及滯后的影響,實(shí)現(xiàn)對(duì)力源加載的高精度控制。

    3)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制技術(shù)

    真空環(huán)境下的推力現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)必須解決遠(yuǎn)程自動(dòng)加載力源的問題。主控計(jì)算機(jī)放置于遠(yuǎn)端測(cè)控中心,與DMP40數(shù)據(jù)采集器和控制器建立遠(yuǎn)程通訊連接,校準(zhǔn)軟件按照六檔三遍[10]的預(yù)定程序控制電動(dòng)缸進(jìn)行力源加載,如圖6所示,加載檔位不少于33檔,每檔駐點(diǎn)時(shí)間可調(diào)(最長10 s)。

    圖6 典型控制程序圖

    2.2 自動(dòng)加載性能測(cè)試

    在100 Pa真空環(huán)境下,采用自動(dòng)校準(zhǔn)軟件分別對(duì)Fx(水平),F(xiàn)y(垂直),F(xiàn)z(主推),Mx,My,Mz進(jìn)行力源加載輸出調(diào)試,其測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

    表1 標(biāo)準(zhǔn)力源輸出

    由表1知,F(xiàn)x,F(xiàn)y,F(xiàn)z標(biāo)準(zhǔn)力值的輸出誤差均優(yōu)于0.03%,Mx,My,Mz扭矩的輸出誤差均優(yōu)于0.05%。每一個(gè)方向按照三遍六檔的加載時(shí)間由手動(dòng)加載的40 min縮短為自動(dòng)加載的12 min,實(shí)現(xiàn)了快速校準(zhǔn)功能。

    3 多維力測(cè)量不確定度影響因素分析及解決措施

    3.1 溫度影響分析

    受發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過程中熱輻射及熱傳導(dǎo)的影響,多維力傳感器各個(gè)測(cè)力組件的彈性模量特性發(fā)生改變,導(dǎo)致推力測(cè)量的零位及靈敏度出現(xiàn)偏差。為分析發(fā)動(dòng)機(jī)多維力測(cè)量過程中的溫漂影響,將整套多維力測(cè)量系統(tǒng)放置于高低溫試驗(yàn)箱內(nèi),如圖7所示,對(duì)其進(jìn)行不同溫度環(huán)境下的推力原位校準(zhǔn)。

    圖7 高溫環(huán)境下的推力校準(zhǔn)

    采用高低溫試驗(yàn)箱分別建立0,20,40,60,80℃等溫度環(huán)境條件,開展多維力測(cè)量裝置的校準(zhǔn)工作,以獲取不同溫度條件下的多維力校準(zhǔn)數(shù)據(jù)(表2)。由表2知,隨著環(huán)境溫度變化對(duì)傳感器的系數(shù)有一定影響,最大影響量達(dá)到了0.5%。需要對(duì)多維力測(cè)量裝置采取必要的防隔熱措施,降低多維力傳感器和標(biāo)準(zhǔn)力傳感器受溫度變化的影響。采用帶水冷隔熱裝置后,再次對(duì)裝置進(jìn)行溫度環(huán)境變化校準(zhǔn)測(cè)試,結(jié)果顯示采取隔熱防護(hù)后(圖8),測(cè)量裝置受溫度的影響降低。

    圖8 傳感器水冷隔熱罩

    表2 不同溫度下的校準(zhǔn)測(cè)試

    3.2 管路安裝影響分析

    推進(jìn)劑供應(yīng)管路是影響發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量不確定度的重要因素之一。受管路增壓、高溫及振動(dòng)環(huán)境的影響,管路約束力呈非線性變化[11],在100 Pa,22℃環(huán)境下,分別對(duì)連接在測(cè)量裝置上的氧化劑管路增壓3 MPa、燃料管路增壓3 MPa,并對(duì)多維力測(cè)量裝置進(jìn)行原位校準(zhǔn),獲取相應(yīng)的系數(shù)(表3)。采用硬管連接測(cè)量裝置,因管路安裝狀態(tài)的影響,裝置各向系數(shù)在管路增壓后變化較大,尤其是在扭矩方向,需要對(duì)管路采取柔性設(shè)計(jì)以減低其安裝誤差造成的測(cè)量不確定度。

    目前推進(jìn)劑供應(yīng)管路通常采用纏繞式結(jié)構(gòu)來增加管路柔性、降低管路剛度,減小管路約束力。為滿足管路“柔性+剛性”的設(shè)計(jì)要求,將推進(jìn)劑供應(yīng)管路設(shè)計(jì)成“Z”字型,如圖9所示,在整體結(jié)構(gòu)上保證入口管路垂直于主推力方向,并使氧化劑和燃料管道對(duì)稱于主推力軸線。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)入口附近的管路,設(shè)計(jì)為“U”型結(jié)構(gòu)(近似為彈簧結(jié)構(gòu)原理)[12],可將發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火所產(chǎn)生的微小位移消耗掉,減少入口管路帶來的約束力。

    圖9 推進(jìn)劑供應(yīng)管路設(shè)計(jì)

    采取柔性設(shè)計(jì)后,管路在增壓后對(duì)Fx,F(xiàn)y,F(xiàn)z的系數(shù)影響明顯小,對(duì)Mx,My,Mz力矩的系數(shù)影響有一定程度的降低。

    表3 管路增壓前后校準(zhǔn)系數(shù)

    3.3 真空環(huán)境影響分析

    22℃條件下,分別在常壓、50 kPa,1 kPa,100 Pa環(huán)境下對(duì)多維力測(cè)量傳感器進(jìn)行原位校準(zhǔn),由表4知,真空環(huán)境對(duì)校準(zhǔn)系數(shù)影響較小。

    表4 不同真空環(huán)境下的校準(zhǔn)系數(shù)

    4 結(jié)論

    隨著多維力測(cè)試技術(shù)在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域的逐步應(yīng)用,真空環(huán)境下的原位校準(zhǔn)工作顯得尤為重要,已成為提高多維力測(cè)量精度的重要措施之一。針對(duì)某型號(hào)試驗(yàn)所用的多維力測(cè)量裝置,本文開展了現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)技術(shù)研究,分析了多維力測(cè)量裝置不確定度的影響因素。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明:

    1)快速自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)加載精度高,分力力值加載誤差均優(yōu)于0.03%,扭矩的輸出誤差均優(yōu)于0.05%。每一個(gè)方向按照三遍六檔的加載時(shí)間由手動(dòng)加載的40 min縮短為自動(dòng)加載的12 min,實(shí)現(xiàn)了快速校準(zhǔn)功能。

    2)真空氣壓環(huán)境對(duì)推力校準(zhǔn)系數(shù)影響較小,可忽略不計(jì)。而環(huán)境溫度對(duì)推力校準(zhǔn)系數(shù)影響明顯,最大影響量達(dá)到了0.5%,有必要對(duì)矢量力測(cè)量傳感器采用隔熱防護(hù)措施。

    3)試驗(yàn)管路增壓對(duì)Mx,My,Mz力矩的校準(zhǔn)系數(shù)影響明顯,最大影響量達(dá)到了4.5%,管路增壓下的原位校準(zhǔn)是有必要的。

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