一種姿軌控發(fā)動機推力測試系統(tǒng)校準裝置設(shè)計

王春羽

摘? 要：本文提出了一種姿軌控發(fā)動機推力測試系統(tǒng)校準裝置設(shè)計，采用砝碼對推力測試系統(tǒng)施加力值，通過比較標準測力儀的示值與測試系統(tǒng)顯示的推力值實現(xiàn)姿軌控發(fā)動機推力測試系統(tǒng)力值的原位校準，避免了因測力傳感器拆卸送檢、安裝引入的不確定度，增大了測試數(shù)據(jù)的準確性。

關(guān)鍵詞：姿軌控發(fā)動機;推力測試;原位校準裝置

中圖分類號：TB931?????????? 文獻標識碼：A???????? 文章編號：

0引言

姿軌控發(fā)動機也稱姿態(tài)控制發(fā)動機，其工作原理是：從噴管排出高壓氣體產(chǎn)生推力，來實現(xiàn)運載火箭末級、衛(wèi)星和各類航天器的姿態(tài)控制、姿態(tài)穩(wěn)定和姿態(tài)機動，是航天器入軌、再入、降落以及發(fā)射等環(huán)節(jié)不可缺少的動力裝置，廣泛應(yīng)用于各類衛(wèi)星和飛船的飛行軌跡控制。其工作原理圖如圖1所示，高壓氮氣貯存于高壓氣瓶中，通過減壓閥后將壓力降低，并為燃料貯箱和氧化劑貯箱供壓，當電磁閥1和電磁閥2打開后，燃料和氧化劑被擠入發(fā)動機燃燒室，兩種物質(zhì)在發(fā)動機燃燒室接觸并燃燒，產(chǎn)生的高溫高壓氣體從發(fā)動機噴口噴出，從而產(chǎn)生驅(qū)動力。

隨著我國航天器技術(shù)小型化、集成化的戰(zhàn)略發(fā)展，小推力的姿軌控發(fā)動機在微小衛(wèi)星領(lǐng)域開始大量使用。衛(wèi)星攜帶小推力發(fā)動機在太空中通常以脈沖方式工作，產(chǎn)生的推力是一連串持續(xù)時間不等的脈沖力，用于對衛(wèi)星等航天器在出現(xiàn)姿態(tài)偏移時的及時準確修正，脈沖寬度從幾毫秒到幾十毫秒不等。姿軌控系統(tǒng)的有效工作的先決條件是保證推進劑有效合理地利用，燃料的配比決定了發(fā)動機瞬時推力的大小，燃料的供給時間決定了發(fā)動機對衛(wèi)星的作用力時間，推力大小與作用時間直接影響衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整的準確度，每一個微小失誤都可能造成不可估量的損失。

發(fā)動機的推力大小、響應(yīng)時間、壽命等參數(shù)是系統(tǒng)研制的關(guān)鍵參數(shù)，姿軌控發(fā)動機推力測試是姿軌控發(fā)動機研制過程中必不可少的環(huán)節(jié)。目前，推力測試裝置的校準工作，主要通過拆卸測力傳感器送檢的方式完成，且只進行靜態(tài)校準。由發(fā)動機推力測試原理可知，僅進行工作測力傳感器的校準，無法評估彈簧鋼片及連接機構(gòu)帶來的影響，且拆除、安裝和微調(diào)定位等工序，不可避免的改變了傳感器工作狀態(tài)，引入的較多的不確定性因素，增大了實測數(shù)據(jù)的不確定度。針對上述問題，本文提出一種姿軌控發(fā)動機推力測試系統(tǒng)校準裝置設(shè)計，通過原位比較的校準方式，實現(xiàn)推力測試裝置的力值校準。

1姿軌控發(fā)動機推力測試系統(tǒng)工作原理

推力測試裝置由試車架測試臺[1] 和控制系統(tǒng)組成，推力測試裝置架結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

參見圖2，發(fā)動機的推力測試臺主要由定架、動架、測力傳感器、簧片、預(yù)緊裝置和發(fā)動機安裝板組成，定架與動架通過彈簧鋼片柔性連接。進行推力測試前，先將發(fā)動機安裝在轉(zhuǎn)接架上，再將轉(zhuǎn)接架的另一端安裝于動架上，動架的另一端則與定架上的測力傳感器連接，通過微調(diào)發(fā)動機在轉(zhuǎn)接架上的安裝位置，實現(xiàn)其與測力傳感器的同軸安裝。

測試完成后，通過對各參數(shù)測試數(shù)據(jù)的計算分析，可得到發(fā)動機的激發(fā)開機響應(yīng)推力時間、燃燒室燃燒效率、比沖等重要技術(shù)指標，設(shè)計人員將根據(jù)測試結(jié)果，判斷發(fā)動機是否滿足設(shè)計、試驗要求，為發(fā)動機的整體性能做出客觀評價。

2校準原理分析

發(fā)動機點火前，通過擰動預(yù)緊螺栓給測力傳感器施加預(yù)緊力，前后兩個傳感器的受力分別為F1和F2，姿軌控發(fā)動機推力測試系統(tǒng)測力原理圖如圖3所示，從發(fā)動機端觀察，前置力傳感器的受力F1和后置力傳感器的受力F2均為拉力，發(fā)動機點火工作時，產(chǎn)生的反作用力F3通過轉(zhuǎn)接架傳遞至動架，兩測力傳感器的輸出值均減小，若測量系統(tǒng)測得前置力傳感器的輸出為F1o，后置力傳感器的輸出為F2o，則得到測量值F3，三者的關(guān)系為：

F₃=（F₁+F₂-F₁₀-F₂₀）

進行推力測試系統(tǒng)推力校準時，需要設(shè)計推力系統(tǒng)校準裝置模擬姿軌控發(fā)動機產(chǎn)生的推力，激勵裝置采用靜態(tài)力激勵，裝置按預(yù)設(shè)的力值穩(wěn)定加載，待力值穩(wěn)定后，由標準測力儀顯示的模擬推力值作為標準力值，與推力測試系統(tǒng)顯示的推力值完成推力校準。

3發(fā)動機推力測試系統(tǒng)校準裝置設(shè)計

由姿軌控發(fā)動機推力測試系統(tǒng)工作原理可知，進行推力測試系統(tǒng)靜態(tài)力校準時，需要模擬產(chǎn)生一個標準推力，目前復(fù)現(xiàn)標準力值最常用的方式是采用砝碼受到的重力來復(fù)現(xiàn)標準力值。但砝碼所受的重力方向為豎直向下的，由圖3發(fā)動機推力系統(tǒng)測試原理圖可以看出發(fā)動機產(chǎn)生的推力為水平向左的，因此需要設(shè)計相應(yīng)的裝置，將砝碼的重力轉(zhuǎn)化為水平向右的推力，因為存在機械摩擦力，砝碼的重力并不等于其轉(zhuǎn)化的推力，因此，在設(shè)計校準裝置時，產(chǎn)生的推力由標準測力儀測量，由標準測力儀的示值作為標準推力，然后比較推力測試系統(tǒng)與標準測力儀的示值，完成靜態(tài)推力校準。設(shè)計的姿軌控發(fā)動機推力測試系統(tǒng)校準裝置如下。

推力測試系統(tǒng)連接工裝與通過螺栓與弓形標準測力儀固定連接，弓形標準測力儀為拉壓雙向力傳感器，底部頂部均有螺孔，通過螺栓與齒輪導(dǎo)軌固定連接;在砝碼放置臺上放置砝碼，砝碼產(chǎn)生的垂直力通過大滑輪轉(zhuǎn)變?yōu)樗较蛴业牧Γ尚』喗M保持受力繩索的水平，繩索拉動下端齒輪導(dǎo)軌帶動齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪帶動上端齒輪導(dǎo)軌水平向左運動，形成水平向左的力，模擬發(fā)動機產(chǎn)生的推力。發(fā)動機推力測試系統(tǒng)校準裝置結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

推力測試系統(tǒng)連接工裝中部設(shè)計有螺孔，通過螺栓與標準測力儀左端固定連接，齒輪導(dǎo)軌的伸長端為外螺紋結(jié)構(gòu)，擰進標準測力儀的右端，在同一水平線上將標準測力儀固定。

齒輪與其上下導(dǎo)軌固定在平衡臺上，齒輪轉(zhuǎn)動時，齒輪導(dǎo)軌可在平衡臺內(nèi)的固定架上來回滑動，在其接觸面上涂有潤滑劑以減小摩擦力。

下端齒輪導(dǎo)軌通過抗拉性能好的尼龍繩與砝碼放置臺連接，繩子通過小滑輪組，保持受力方向不變，順著大滑輪外沿固定連接砝碼放置臺，繩子末端分成四個部分，分別與砝碼放置臺的四端連接。

4結(jié)束語

本文提出了一種姿軌控發(fā)動機推力測試系統(tǒng)校準裝置設(shè)計，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型通過設(shè)計校準裝置，實現(xiàn)推力測試系統(tǒng)的原位校準，有效避免了因推力測試系統(tǒng)上測力傳感器的拆除、安裝和微調(diào)定位等工序帶來的影響，減少了不確定性因素，增大了測試數(shù)據(jù)的準確性;同時大大減少了因拆卸送檢所產(chǎn)生的時間成本和人力成本，提高了測試效率。實現(xiàn)姿軌控發(fā)動機推力測試系統(tǒng)動態(tài)力原位校準仍需進一步研究完善。

參考文獻

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