基于拉線傳感器的噴管擺角測試技術研究

朱 力，趙建學，薛 斌，黎 明，霍 亮

(1.中國航天科工集團六院四十一所，內蒙古 呼和浩特 010010；2.國防科技大學 空天科學學院，湖南 長沙 410000；3.海軍裝備部，北京 100841)

1 概述

新一代高性能導彈武器裝備均配備推力矢量控制功能的固體火箭發動機。在發動機工作過程中，全軸擺動推力矢量噴管在伺服作動器的推、拉作用下進行擺動，實現發動機的推力矢量控制，為導彈提供俯仰、偏航的側向力。針對固體火箭發動機全軸擺動矢量噴管，在發動機地面熱試車過程中需要在伺服作動器的相對方向安裝擺角測量裝置，以測量噴管在工作過程中的實際擺角，用以校驗伺服作動器及噴管在工作過程中是否達到了彈總體對于擺角的要求，同時也為噴管附加擺角及預調角的確定提供參考數據。

在傳統的固體火箭發動機推力矢量噴管擺角測試技術中，一般采用線位移傳感器進行噴管擺角的測量，其基本原理如圖1所示。在伺服作動器的對側安裝線位移傳感器，當噴管在伺服作動器的推、拉作用下產生相對擺心的擺動時，對向的線位移傳感器隨之產生縮、伸長度的變化，并進一步轉化為電信號，傳至主控計算機，解析出噴管的實際擺角。

圖1 線位移傳感器擺角測試的基本原理

線位移傳感器的外形結構[1]如圖2所示，傳感器的拉桿在剛性的傳感器外殼內部產生滑動，內部的磁傳感器將拉桿的滑動轉化為電信號，實現對于其伸、縮位移的實時測量[2]。

圖2 線位移傳感器外形結構

隨著彈體結構的優化，傳統的基于線位移傳感器的噴管擺角測量方法已經無法滿足噴管擺角測量的結構協調要求，存在著嚴重的干涉。為此，本文提出并驗證了一種基于拉線傳感器的全軸擺動噴管擺角測量方法，同時兼顧了噴管擺角測量與結構協調的要求。

與上一代導彈武器裝備相比，新一代導彈武器對于發動機噴管伺服支架的安裝位置進行了調整。將上一代產品中安裝于兩支臂間45°象限線位置的4個伺服支架調整為安裝于工藝支臂位置的2個伺服支架。通過伺服支架安裝方式的變化，可以使伺服支架的可拆卸、維修性更強，但是給噴管地面熱試車中的擺角測量帶來了困難。

傳統的噴管擺角測量方法是在工藝支臂/工藝支耳位置安裝線位移傳感器，完成擺角測量。隨著伺服支架結構的變化，占用空間過大的線位移傳感器已無法滿足噴管擺角測量的需求，存在著嚴重的干涉，需要采用新的擺角測量方案，以同時滿足擺角測量與結構協調性的要求。

2 拉線傳感器的基本原理

拉線傳感器是一種利用高柔韌性的復合鋼絲把拉線的位移信號轉化為傳感器內部編碼器的電信號的接觸式測量傳感器。拉線式傳感器一般由柔性鋼絲繩、鎖扣、輪轂、彈簧和感應器等結構組成。柔性鋼絲繩纏繞在一個帶有螺紋的輪轂上，輪轂一面與恒定拉力彈簧連接，另一面與高精度旋轉感應器連接。拉線傳感器的內部結構[3]示意圖如圖3所示。

圖3 拉線傳感器內部結構示意圖

旋轉感應器實際上可以是編碼器、旋轉電位計等旋轉位移傳感器。當柔性鋼絲繩在外力作用下產生伸、縮等動作時，測試所輸出的電信號就可以得出運動物體的位移[4]。拉線傳感器由于其具有安裝方便、量程大、環境適應能力強、價格低廉等優點而被廣泛應用，且采用高精度的編碼器就可以實現拉線傳感器的高分辨率和重復性測量。

拉線傳感器是一種采用柔性拉線作為測量介質的位移傳感器。拉線傳感器的工作原理如圖4所示。在拉線傳感器內部，拉線位移的測量是通過專門設計的傳感器運動機構轉化為傳感器輪轂旋轉角度的測量[5]。通過基于磁敏角度測量原理所設計的傳感器測量電路，實現對于輪轂角位置的精確測量，然后角位置的測量信息再通過控制芯片的解算處理得到拉線的運動位移[6]。由于磁敏感應傳感器可以實現非接觸狀態下的角位置測量，因此，基于此原理所設計的拉線傳感器量程不受測量元件的限制。

圖4 拉線傳感器的工作原理圖

根據拉線傳感器的測試基本原理，傳感器的位移量可以表示為[7]：

(1)

式中，x為拉線拉伸或收縮的位移；l為單圈繞線長度；Δδ為拉線軸移補償；θ0為初始角度；θ為偏轉之后的角度。

通過拉線傳感器的工作原理圖可以看出，由于纏繞的過程中，拉線的排列產生了沿軸線方向的移動，所以式1中的單圈繞線的長度與半徑R、繞線排列寬度等參數均相關。單圈繞線的長度計算式可以表示為：

(2)

式中，R為滾輪的半徑；d為拉線的繩徑。

為了消除拉線沿軸向所引起的測量偏差，對于單圈繞線的長度進行補償校正，拉線的軸向補償可以表示為：

(3)

式中，h為滾輪下沿至導向孔的距離；w為繞線的排列寬度；Q為繞線的圈數。

綜合式1～式3即可確定拉線傳感器位移與旋轉角度的關系，通過磁敏傳感器所采集的旋轉角度數據，解算出拉線伸、縮長度數據，實現對于拉線傳感器位移的精確測量[8]。

3 基于拉線傳感器的噴管擺角測試方案

為同時滿足噴管擺角測量的需求和安裝空間協調性的要求，本文提出了一種基于拉線傳感器的噴管擺角測量方法。即通過在伺服支架位置安裝1個拉線傳感器，拉線經過安裝于噴管擴散段外壁的導向器連接于工藝支耳孔中心位置。在噴管擺動的過程中，隨著伺服作動器的伸、縮，相對方向的拉線傳感器的拉線同步進行縮、伸的運動，并將位移型號轉化為傳感器內部的電流信號，通過信號采集系統進行采集。基于拉線傳感器的噴管擺角測量設備示意圖如圖5所示。

圖5 基于拉線傳感器的噴管擺角測量技術示意圖

通過數據采集系統所采集的電流信號，可以計算出噴管擺動過程中拉線的長度變化量。基于余弦定理，根據拉線長度的變化，可以計算出對應的擺角數據，供試車分析使用。

4 測試方案的地面熱試車考核

在采用基于拉線傳感器的噴管擺角測量方法之前，噴管擺角測量方案無法滿足結構協調性的要求。

在采用基于拉線傳感器的噴管擺角測量方法之后，成功在發動機地面試車中對于噴管擺角進行了測試，測試精度滿足了總體要求。

發動機地面試車過程中采用拉線傳感器進行噴管擺角的方案。拉線傳感器共2臺，分別安裝在發動機Ⅰ-Ⅱ象限45°象限線及Ⅰ-Ⅳ象限45°象限線上，即與伺服作動器的安裝位置相對應。拉線傳感器通過支架安裝在噴管固定殼體上，拉線通過導向器連接至工藝支耳孔中心線處。地面熱試車照片如圖6所示。

圖6 地面熱試車照片

通過余弦定理，將試車過程中拉線長度的變化轉換為噴管擺角的變化，得到噴管擺動過程中拉線傳感器所測量的角度數據，曲線如圖7所示。擺角測量數據及精度滿足分析要求。

圖7 噴管俯仰方向擺角測量曲線

5 結語

通過對于基于拉線傳感器的噴管擺角測試技術研究，實現了通過拉線傳感器對于噴管擺角的實時準確測試，同時滿足了測試高精度與嚴苛空間協調性的要求，為新一代導彈武器裝備探索出了一種簡單高效的測試方案。