用于發(fā)動機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場的推力測量傳感器長期穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)

鄭 科 郭健鑫 朱 旺 王得志 張雪飛 劉 碩

用于發(fā)動機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場的推力測量傳感器長期穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)

鄭 科 郭健鑫 朱 旺 王得志 張雪飛 劉 碩

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074）

發(fā)動機(jī)高空模擬試驗(yàn)前需要進(jìn)行推力校準(zhǔn)，目的是確定傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)，如線性度、滯后性以及重復(fù)性等，關(guān)鍵工作是通過試驗(yàn)的方法來建立輸入量和輸出量之間的輸入-輸出實(shí)際特性曲線。推力校準(zhǔn)中使用的標(biāo)準(zhǔn)傳感器有效期為一年，實(shí)際使用中傳感器存在長期穩(wěn)定性不佳或突然損壞的現(xiàn)象，但在試驗(yàn)前準(zhǔn)備階段唯一不能確定問題的就是標(biāo)準(zhǔn)傳感器，因此，有必要對推力測量進(jìn)行長期穩(wěn)定性監(jiān)測，完善推力校準(zhǔn)操作規(guī)程，通過研制一套覆蓋常用量程的推力傳感器比對裝置，在推力架或者某個標(biāo)準(zhǔn)傳感器長時間沒使用時，試驗(yàn)前對標(biāo)準(zhǔn)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，與證書各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行比對，經(jīng)試驗(yàn)測試實(shí)現(xiàn)了對推力傳感器的快速校驗(yàn)，時間24min，誤差在千分之一內(nèi)，滿足了試驗(yàn)現(xiàn)場對傳感器的任務(wù)要求。

推力測量；火箭發(fā)動機(jī)試驗(yàn)；傳感器；推力校準(zhǔn)

1 引言

發(fā)動機(jī)常被用于衛(wèi)星、火箭等的精確軌道控制和姿態(tài)調(diào)整，姿軌控發(fā)動機(jī)推力矢量直接關(guān)系到衛(wèi)星能否入軌以及發(fā)射任務(wù)的成敗，準(zhǔn)確測出推力矢量參數(shù)，能夠?yàn)榘l(fā)動機(jī)的在軌工作狀態(tài)提供基本依據(jù)[1，2]。

目前推力矢量測量有多種方案，但在我國的發(fā)動機(jī)高空模擬熱標(biāo)定試驗(yàn)中，技術(shù)和工藝比較成熟且經(jīng)多次飛行驗(yàn)證效果顯著的是北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所投入使用的轉(zhuǎn)臺推力矢量測量方法[3，4]和該所總結(jié)提煉的基于壓電的動態(tài)矢量推力測量方法[5～7]。

無論采用何種推力測量方法，推力矢量參數(shù)都不是直接測得，而是基于一定的數(shù)學(xué)模型通過計算間接得出[8]。而計算推力矢量需要通過發(fā)動機(jī)高空模擬試驗(yàn)測得三向力，測三向力前都需要進(jìn)行推力校準(zhǔn)，目的是確定傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)，如線性度、靈敏度以及重復(fù)性等，建立推力測量傳感器輸入量和輸出量之間的輸入-輸出實(shí)際特性曲線[9]。

2 推力校準(zhǔn)

傳感器在裝配完畢后，需要對線性度、重復(fù)性、滯后性以及靈敏度等傳感器性能指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)，以評定傳感器性能的優(yōu)劣。同時由于系統(tǒng)其他因素的影響，不能只對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，需要將配套的測力板、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡等一起標(biāo)定，確定輸出及輸入關(guān)系[10，11]。

對于推力矢量校準(zhǔn)裝置，推力校準(zhǔn)是在試驗(yàn)現(xiàn)場通過實(shí)際測量建立推力測量系統(tǒng)輸入量和輸出量之間的關(guān)系，系統(tǒng)包括測力平臺、轉(zhuǎn)接架、臺架、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡以及管路等，如圖1所示。

圖1 推力矢量校準(zhǔn)裝置三維結(jié)構(gòu)圖[5]

推力校準(zhǔn)時，試驗(yàn)員通過液壓手動加載系統(tǒng)產(chǎn)生拉力，由連接件傳到測力平臺上，手動調(diào)節(jié)油缸，使標(biāo)準(zhǔn)傳感器二次儀表的指示值剛好達(dá)到標(biāo)定值，記錄此時測力平臺中工作傳感器的輸出，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)傳感器的檢定證書，計算逐級加載的力值，逐級加載完成推力校準(zhǔn)。

試驗(yàn)時，依據(jù)推力校準(zhǔn)得出的輸入量與輸出量關(guān)系，對得到的電壓值處理，即得出推力測量值[12]。

3 推力測量傳感器穩(wěn)定性監(jiān)測必要性

推力測量系統(tǒng)是復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，隨著對推力校準(zhǔn)精度的要求越來越高，為保證數(shù)據(jù)的一致性，需要對推力測量系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。影響推力校準(zhǔn)的因素有很多，包括電源的影響、推力架結(jié)構(gòu)本身的影響、有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)太平洋6000的影響、有標(biāo)準(zhǔn)傳感器的影響等等。

對于某次推力校準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)斜率和以往偏差0.3%，需要分析原因：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自身精度高，一般會定期送校；推力架本身結(jié)構(gòu)除去接線不會有大的變化；供電電源以及監(jiān)測儀表定期校檢；排查標(biāo)準(zhǔn)傳感器一般為最后一步，除去送校沒有自身的手段，但是在檢查標(biāo)準(zhǔn)傳感器時，已經(jīng)到了臨近試驗(yàn)的日期，如果送到計量所校準(zhǔn)則會耽誤進(jìn)度。

推力校準(zhǔn)中使用的標(biāo)準(zhǔn)傳感器有效期為一年，實(shí)際使用中傳感器存在長期穩(wěn)定性不佳或突然損壞的現(xiàn)象，但在試驗(yàn)前準(zhǔn)備階段唯一不能確定問題的就是標(biāo)準(zhǔn)傳感器。

推力架標(biāo)準(zhǔn)傳感器長期穩(wěn)定性不佳帶來的可靠性問題：

a. 試驗(yàn)前推力校準(zhǔn)時發(fā)現(xiàn)對工作傳感器標(biāo)定的斜率和之前試驗(yàn)的斜率存在偏差時，就需要在每個傳遞環(huán)節(jié)查找問題，花費(fèi)時間，耽誤進(jìn)度；

b. 在不能確定是標(biāo)準(zhǔn)傳感器出現(xiàn)不穩(wěn)定時，由于時間關(guān)系，試驗(yàn)中只能應(yīng)用推力校準(zhǔn)得出的傳遞關(guān)系系數(shù)，試驗(yàn)后送檢標(biāo)準(zhǔn)傳感器，但這會影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理進(jìn)度。

2021年，某型號發(fā)動機(jī)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)推力偏低3%，標(biāo)準(zhǔn)傳感器為半年前送檢，試驗(yàn)后經(jīng)再次送檢發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)傳感器已經(jīng)漂移，試驗(yàn)前推力校準(zhǔn)系數(shù)有誤差。

因此，有必要對推力測量進(jìn)行長期穩(wěn)定性監(jiān)測，完善推力校準(zhǔn)操作規(guī)程，設(shè)計一個對推力傳感器進(jìn)行推力校準(zhǔn)的比對裝置，通過比對裝置，定期或在重大試驗(yàn)前快速確認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)傳感器的性能指標(biāo)，對比證書；同時建立一個數(shù)據(jù)庫，包含不同推力架不同發(fā)動機(jī)型號推力校準(zhǔn)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，方便查閱比對，有效保證試驗(yàn)高質(zhì)量、高效率的完成，避免非必要的進(jìn)度耽誤。

4 穩(wěn)定性監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

4.1 系統(tǒng)組成

推力測量傳感器長期穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)包括覆蓋常用量程推力傳感器的比對裝置和數(shù)字采集系統(tǒng)，其中比對裝置包括固定支架、驅(qū)動控制器、步進(jìn)電機(jī)、直線模組、滑軌、彈簧、加長螺母、標(biāo)準(zhǔn)傳感器、被測傳感器以及自適應(yīng)固定裝置，監(jiān)控系統(tǒng)比對裝置流程圖如圖2所示，比對裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，數(shù)字采集系統(tǒng)包括數(shù)字采集儀和穩(wěn)壓電源。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)比對裝置流程圖

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)比對裝置結(jié)構(gòu)圖

1—步進(jìn)電機(jī)；2—精密直線模組；3—加長螺母；4—滑軌；5—加長螺母；6—標(biāo)準(zhǔn)傳感器；7—被測傳感器；8—自適應(yīng)固定裝置；9—彈簧伸縮部件；10—鋁型材固定支架

a. 用于推力測量的傳感器的壓縮量或伸長量都較小，尤其對于大量程傳感器，壓縮或伸長單位微米對應(yīng)的力值的變化量很大，將彈簧和滑軌（包括彈簧支撐軸和套筒）相結(jié)合，彈簧伸縮量代替?zhèn)鞲衅魃炜s變形量，即彈簧伸縮毫米級代替?zhèn)鞲衅魃炜s微米級，可以有效提高系統(tǒng)的負(fù)載精度。

b. 為了做到傳感器的快速校準(zhǔn)，首先需要做到傳感器的快速安裝，不同被測傳感器的長度、大小、連接方式都不同，裝置為做到快速安裝做了如下改進(jìn)：

為滿足0～5000N的量程覆蓋，引入矩形彈簧，如圖4所示。不同顏色可承受不同最大載荷，但是結(jié)構(gòu)尺寸一致，外徑50mm，長度200mm，材質(zhì)50CRVA，如表1所示，可根據(jù)不同量程的傳感器選擇合適的矩形彈簧。這里每個彈簧的最大載荷取安全系數(shù)為0.8，矩形彈簧可覆蓋系統(tǒng)所需所有量程，詳見表2。

圖4 矩形彈簧

表1 矩形彈簧參數(shù)表

表2 矩形彈簧選擇表

彈簧支撐軸與直線模組電動缸連接，機(jī)構(gòu)設(shè)置了直線模組電動缸的初始伸長量170mm，校準(zhǔn)前只需要將直線模組的伸長量通過電機(jī)收縮170mm，空出余量便可快速安裝，模塊化管理。

針對傳感器連接尺寸的不同，加工了不同尺寸的連接件，做到試驗(yàn)常用傳感器校準(zhǔn)前的快速安裝；針對傳感器長度的不同，在機(jī)構(gòu)尾端設(shè)計自適應(yīng)固定機(jī)構(gòu)，可以根據(jù)傳感器底部的位置確定擋板固定的位置。

4.2 工作原理

在比對裝置中，如圖5所示，電機(jī)轉(zhuǎn)動由直線模組轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動，直線模組連接滑軌，彈簧套在滑軌上與標(biāo)準(zhǔn)傳感器連接，標(biāo)準(zhǔn)傳感器通過加長螺母連接被測傳感器，達(dá)到受力一致的目的。計算機(jī)通過驅(qū)動控制器控制電機(jī)的往復(fù)運(yùn)動，從而控制彈簧的伸縮運(yùn)動，施加需要加載的力值，數(shù)字采集系統(tǒng)記錄標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被測傳感器的輸出信號，得出被測傳感器的輸入輸出特性曲線，與校準(zhǔn)證書比較，驗(yàn)證傳感器的穩(wěn)定性。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

圖6 自動校準(zhǔn)技術(shù)流程圖

系統(tǒng)的校準(zhǔn)技術(shù)采用自動校準(zhǔn)技術(shù)，日常姿軌控空間發(fā)動機(jī)試驗(yàn)一般使用油壓機(jī)手動加載，前端根據(jù)檢定證書施加力值，后端采集聽到口令記錄；自動校準(zhǔn)技術(shù)通過程序控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)傳遞力，在到達(dá)一個力值臺階時，自動進(jìn)行記錄，繼續(xù)到達(dá)下一個臺階，這避免了人工操作的誤差，精度更高。自動校準(zhǔn)加載系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，主要通過遠(yuǎn)端控制電機(jī)的穩(wěn)定性來實(shí)現(xiàn)。

采用逐級加載的方式，在接近比對力值臺階時，如何保證電機(jī)在那一點(diǎn)處的穩(wěn)定性是一個影響精度的重要因素。初步思路是把整個加載過程和卸載過程分為粗加卸載段和微調(diào)階段，微調(diào)階段為在加載力值接近標(biāo)準(zhǔn)值要求的力值時，通過微調(diào)達(dá)到穩(wěn)定的目的，主要流程圖如圖6所示。在自動校準(zhǔn)的同時，系統(tǒng)建立了一個數(shù)據(jù)庫，包含不同推力架不同發(fā)動機(jī)型號推力校準(zhǔn)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，方便查閱比對，同時可以分析方差。區(qū)別于以記錄本的形式記錄零散的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫不僅可以將歷史的數(shù)據(jù)記錄下來，還可以隨時調(diào)用同一推力架同一型號的發(fā)動機(jī)的數(shù)據(jù)，做到全生命周期化管理。

4.3 實(shí)施方式

系統(tǒng)的實(shí)施方式包括以下內(nèi)容：

a. 根據(jù)被測傳感器的量程選擇彈簧的量程，并安裝被測傳感器和彈簧；

b. 通過程序控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使電動缸縮短伸長量，便于彈簧安裝在彈簧軸上，設(shè)置一定的預(yù)緊力；

c. 記錄初始值，開始進(jìn)行推力校驗(yàn)，通過彈簧傳遞力的臺階；

d. 每次到達(dá)力的校驗(yàn)值時，減小電機(jī)速度，在校驗(yàn)值與實(shí)際值之差的絕對值小于某一值時，進(jìn)行記錄；

e. 校準(zhǔn)采用正反行程校準(zhǔn)，通過信號處理系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)得出傳感器靜態(tài)性能指標(biāo)與證書比對；

f. 得出結(jié)論，并將結(jié)果記錄在數(shù)據(jù)庫中，方便以后查閱。

5 試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)對象

被測傳感器：取試驗(yàn)現(xiàn)場的量程500N傳感器進(jìn)行比對，檢定證書如表3所示。

表3 500N傳感器檢定證書數(shù)據(jù)

圖7 500N傳感器檢定證書校準(zhǔn)擬合曲線

根據(jù)檢定證書數(shù)據(jù)可以計算出擬合曲線斜率為0.0395，如圖7所示，檢定證書中測量結(jié)果的不確定度為0.058%。

5.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過監(jiān)測系統(tǒng)，對500N傳感器進(jìn)行推力校準(zhǔn)，標(biāo)定數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 推力測量傳感器靜態(tài)標(biāo)定

由以上數(shù)據(jù)可以計算出斜率為0.039487，如圖8所示，測量結(jié)果的不確定度為0.098%。

圖8 500N傳感器自動校準(zhǔn)擬合曲線

5.3 試驗(yàn)分析

推力校準(zhǔn)的目的是確定工作傳感器輸入量與輸出量之間的關(guān)系，在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)中，通過關(guān)系函數(shù)得出發(fā)動機(jī)實(shí)際力值，關(guān)系函數(shù)的重要參數(shù)之一就是斜率，通過監(jiān)測系統(tǒng)比對裝置得出，檢定證書斜率與程序校準(zhǔn)斜率對比誤差為0.033%，在千分之一內(nèi)，滿足實(shí)際需求。

指標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況如表5所示。

表5 監(jiān)測系統(tǒng)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況表

6 結(jié)束語

一個推力測量傳感器長期穩(wěn)定性監(jiān)測的系統(tǒng)其特征在于一套覆蓋常用量程的推力傳感器比對裝置，相比計量所的檢驗(yàn)裝置，本裝置做到了小型化，整套裝置占地1.5m2；相比于送到計量所校準(zhǔn)，本裝置可以在現(xiàn)場直接進(jìn)行推力校準(zhǔn)比對；相比于日常試驗(yàn)油缸加載，本裝置采用步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動控制器加載，精度更高；相比于日常試驗(yàn)人工加載，本裝置采用自動校準(zhǔn)技術(shù)通過步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動控制器、精密直線模組、彈簧伸縮部件、滑軌等校準(zhǔn)推力傳感器，精度更高；本裝置通過設(shè)計傳感器連接件覆蓋了姿軌控發(fā)動機(jī)試驗(yàn)常用量程20～7500N傳感器的校準(zhǔn)比對，覆蓋范圍廣；本裝置采用了量程不一致結(jié)構(gòu)尺寸一致彈簧伸縮部件以及自適應(yīng)擋板等，既可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)也可以達(dá)到快速安裝的目的。

基于設(shè)計研制推力傳感器比對裝置的系統(tǒng)，開發(fā)了新的自動推力校準(zhǔn)算法，并已應(yīng)用到發(fā)動機(jī)試驗(yàn)任務(wù)中。試驗(yàn)前對較長時間未使用的力傳感器，通過利用比對裝置進(jìn)行快捷校準(zhǔn)，可以預(yù)知傳感器狀態(tài)，提前應(yīng)對相應(yīng)措施，進(jìn)而保障試驗(yàn)進(jìn)度。提升時間效率，減低試驗(yàn)人工成本，減小姿軌控發(fā)動機(jī)多頻次試驗(yàn)壓力。

1 鄭科，耿衛(wèi)國，朱子環(huán). 蒙特卡洛法在發(fā)動機(jī)推力測量不確定度評估中的應(yīng)用[J]. 計算機(jī)測量與控制，2021，29(6)：249～254

2 王宏亮，晏卓，李志勛，等. 發(fā)動機(jī)矢量推力測量與校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計研究[J]. 火箭推進(jìn)，2018，44(1)：75～80

3 顏雄雄，耿衛(wèi)國. 小發(fā)動機(jī)推力矢量的測量[J]. 推進(jìn)技術(shù)，2000， 21(3)：86～88

4 張偉，田國華，陳鋒，等. 遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動機(jī)推力矢量的極坐標(biāo)算法[J]. 宇航計測技術(shù)，2012，32(2)：33～36

5 陳修平. 月面軟著陸火箭發(fā)動機(jī)推力矢量測試系統(tǒng)研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2013

6 史乃青. 小力值推力矢量測試研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2015

7 耿衛(wèi)國，朱子環(huán). 軌姿控發(fā)動機(jī)動態(tài)推力與推力矢量測試系統(tǒng)研制[J].宇航計測技術(shù)，2015，35(6)：28～32

8 鄭科. 液體火箭發(fā)動機(jī)推力矢量測量不確定度評定方法研究[D]. 北京：中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，2021

9 常慶兵. 推力矢量測試裝置可控六維力/力矩加載研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2019

10 朱文勇. 發(fā)動機(jī)推力矢量測試系統(tǒng)研究 [D]. 大連：大連理工大學(xué)， 2014

11 化梅. 周向動力布置系統(tǒng)推力矢量測量研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2019

12 朱子環(huán)，蔡睿. 氫氧火箭發(fā)動機(jī)高空模擬試驗(yàn)推力測量裝置研制[J]. 宇航計測技術(shù)，2016，36(6)：50～55

Long Term Stability Monitoring System for Thrust Measurement Sensors Used in Engine Testing Site

Zheng Ke Guo Jianxin Zhu Wang Wang Dezhi Zhang Xuefei Liu Shuo

(Beijing Aerospace Test Technology Institute, Beijing 100074)

Before the high-altitude simulation test of the engine, thrust calibration is required to determine the static characteristic indicators of the sensor, such as linearity, sensitivity, and repeatability. The key task is to establish the actual input-output characteristic curve between the input and output quantities through experimental methods. The validity period of the standard sensor used in thrust calibration is one year. In actual use, the sensor has long-term poor stability or sudden damage, but the only problem that cannot be determined in the preparation stage before the test is the standard sensor. Therefore, it is necessary to monitor the long-term stability of thrust measurement, improve the thrust calibration operating procedures, and develop a thrust sensor comparison device that covers common ranges, When the thrust frame or a standard sensor is not in use for a long time, the standard sensor is calibrated before the test and compared with various indicators of the certificate. After experimental testing, the rapid calibration of the thrust sensor is achieved, with a time of 24 min and an error of within one thousandth, meeting the task requirements of the sensor on the test site.

thrust measurement；rocket engine testing；sensor；thrust calibration

V439+.8

A

某國防科技技術(shù)基礎(chǔ)項(xiàng)目。

鄭科（1996），碩士，制冷及低溫工程專業(yè)；研究方向：液體火箭發(fā)動機(jī)測試計量。

2023-07-05