某型固體火箭發動機試車臺推力測量分析及優化設計

徐正紅,劉子虛

(安徽省長江計量所，安徽 合肥 230088)

0 引言

推力是衡量火箭發動機性能的重要參數，推力的準確度及其時域變化規律，直接反映出火箭發動機的技術指標，影響火箭發動機的性能。在準確測量推力的基礎上，可以通過推力曲線算出發動機的其他參數，如平均推力、總沖、比沖等。在火箭制造和裝配過程中，不可避免地會出現非對稱結構偏差，導致火箭發動機在工作時會產生推力偏心，直接影響火箭飛行性能和發射精度。因此，火箭發動機試車臺主要性能參數為軸心推力和推力偏心。

1 試車臺結構設計

試車臺主要由試驗臺架、測試系統和輔助設備構成,結構如圖1所示。其中，定架作為試車臺位置調整基準，為其他部件提供安裝基礎；前、后龍門架安裝在定架上，龍門架上安裝調整裝置、動架和推力偏心測量單元，用以實現被測火箭的安裝、位置調整及推力偏心的測量；推力墩作為受力墻，當發動機工作時，發動機的推力通過傳力裝置、推力測量傳感器作用到推力墩上，通過推力測量傳感器即可測量發動機軸向推力。推力偏心測量采用六組測量單元進行測力，計算得到偏心矢量。

圖1 試車臺結構圖

2 軸向推力測量

通過結構設計盡可能地提高定架和動架的靜態和動態特性，減小臺架結構對測量準確度的影響。定架設計成剛性很強的結構，動架通過螺栓與定架相連接，在定架與動架之間裝有測力傳感器，實現動架與定架之間的唯一剛性連接，將發動機安裝于動架上。對于軸向推力測量，主要誤差來源包括測力傳感器與火箭發動機機體位置誤差、軸向推力作用下受力墻微小變形引起的傳感器與發動機機體軸心線偏離和測力系統本身的誤差。

為保證主推力測量的準確可靠，測力傳感器應盡可能與火箭發動機軸心共線，在實際試驗過程中通過微調裝置細微調節發動機機身的位置，保證測力傳感器與火箭發動機機體軸線的同軸度。在調節發動機體與軸向推力共線的條件下，隨著主推力的增加，傳感器受力逐漸增大，可能引起標準傳感器所在的受力墻發生微小形變，引起標準傳感器與火箭發動機軸心線偏離，如圖2所示。為減小受力墻變形引起的誤差，在受力墻背面設計加強筋結構，增大受力墻的強度，加強筋結構設計尺寸，如圖3所示。

圖2 主推力偏離軸心加載示意圖

圖3 加強筋推力墻設計尺寸圖

在火箭發動機推力測量時，推力的上升時間為幾十毫秒，為滿足軸向推力的動態測試要求，選用滿足測試準確度要求、高頻率響應特性好的應變式傳感器，使得測試系統具有較高固有頻率。火箭發動機工作時，受環境溫度的影響，要求傳感器的熱防護性能好，能很好地降低熱傳導和熱輻射對測量準確度的影響，盡量減小溫漂。

3 推力偏心測量

采用六分力法實現推力偏心的測量試車臺六分力測量測力傳感器模型如圖4所示。六分力測量誤差來源主要包括傳感器測量誤差、動架的安裝位置誤差、發動機質量變化與質心漂移、發動機安裝位置誤差、動架與傳感器連接方式影響等。

圖4 六分力測量模型圖

推力偏心加載控制,是在軸向推力加載的基礎上，通過調整主推力的加載姿態，使主推力作用線與模擬彈體軸線產生一微小偏角(不大于5°)，模擬火箭發動機產生的推力偏載，具體方法是，將主推力加載油缸前端的加載部分位置固定，通過調節油缸尾部位置，使主推力與模擬彈體軸線產生偏角，實現在不同象限、不同位置角度偏轉。加載長度838 mm時，不同方向調整加載油缸位置產生偏心角度值如表1所示。

表1 偏轉角度理論值對照表

利用各傳感器測得力值計算主推力偏心角度與理論偏轉角度的比對，實現推力偏心的測量。

為克服撓性連接動架固有頻率低、容易引起臺架振動的缺陷，針對小推力火箭發動機測試特點，在滿足測試時臺架結構穩定的前提下，采取增加動架的軸向剛度和減小橫向剛度設計，提高動架的固有頻率，消除發動機啟動時的動架的振動影響。采取6個側向分力傳感器剛性安裝在動架上，六分力測量傳感器安裝位置如圖5所示，在6個測力傳感器頂端各安裝一個沿彈體軸向的滾動軸承，以減小沿彈體方向的側向摩擦力，傳感器滾動軸承裝置如圖6所示。為保障滾動軸承運動方向與彈體平行，對傳感器連接軸的安裝采取導向槽的方法精確處理，通過控制導向槽、導向連接桿的結構尺寸、加工精度和材質，可有效降低發動機、動架位置誤差對于測量準確度的影響，導向連接桿設計尺寸如圖7所示。同時，由于發動機安裝時與動架之間近似于剛性約束，發動機工作過程中質量變化和質心漂移的影響也可忽略不計。剛性約束受力產生的微小變形會引起約束之間的相互干擾，降低分力的測量準確度，需要對約束互擾進行理論分析建立修正方程，再通過原位校準獲得互擾修正系數，從而消除互擾帶來的測量誤差。

圖5 六分力測量傳感器安裝示意圖

圖6 傳感器軸承裝置圖

圖7 導向連接桿設計尺寸圖

4 自動校準軟件設計

校準軟件采用VC進行開發，包括數據采集處理部分和生成檢測報告部分。前者包含對軸向推力、偏載力值等參數的采集與處理；后者主要提供試車臺檢測報告的信息輸入、數據提取，從而實現報表的自動生成；利用數據庫管理檢測報告，提供信息查詢、導出、打印等功能。軸向推力采集界面如圖8所示，主要包含軸向推力、六分力的采集，軸向主推力加載控制，偏心角的計算等。軸向力的采集曲線繪制如圖9所示，可根據測試條件的不同選取加載時間-力值、加載位移-力值、形變-力值等不同的曲線模式。

圖8 軸向推力采集界面

圖9 軸向推力采集曲線繪制區

5 結束語

本文所述試車臺裝置針對某型小推力固體火箭發動機測試，采用加強臺架剛度，提高臺架靜態、動態特性；設計位置細微調整裝置、采取六分力傳感器與動架剛性連接及精確設計，保證火箭發動機機體與測量傳感器之間的位置精度；采取增加動架的軸向剛度和減小橫向剛度設計，提高動架的固有頻率，消除發動機啟動時的振動對測量準確度的影響，實現了小推力火箭發動機試車臺推力的準確測量，滿足了某型小推力火箭發動機技術指標測試要求。