火箭質量、質心測量設備的校準

□ 宋 虎 □ 楊富寧 □ 張世林

藍箭航天空間科技股份有限公司 上海 201109

1 研究背景

根據火箭總體設計要求,在箭體結構總裝前和總裝后,需對箭體質量和縱向、橫向質心位置進行測量,參數是否準確,將直接影響火箭飛控精度。由于箭體結構尺寸較大,生產加工過程中可能存在尺寸偏差,模型理論數據計算的質量、質心數據和實際生產出的產品存在偏差,需要使用質量、質心測量設備進行測量。同時需要對質量、質心測量設備進行校準,使最終測量數據滿足運載火箭飛行時控制需求。

2 測試原理

質量、質心測量設備的測量方法是:在火箭箭體兩端安裝滾動環,滾動環將箭體抱緊,通過安裝在測量設備底部支撐面的四組傳感器,稱取箭體質量;通過力矩平衡原理,實現箭體縱向質心位置的測量;通過力矩平衡原理配合電機驅動箭體緩慢轉動,分別得到箭體在0°、90°、180°、270°四個方向的數據,計算得到橫向質心位置。箭體質量,以及各方向質心位置也可以由軟件計算得出。

在同一坐標系下,兩個及以上物體的質量通過相互疊加求和得到,兩個及以上多質點物體的質心位置Rc計算式為:

Rc=∑(MiRi)/∑M

(1)

式中:Mi為各物體質量;Ri為各物體位置矢量;M為箭體總質量。

可以寫成三個分量式:

Xc=∑(XiMi)/∑M

Yc=∑(YiMi)/∑M

Zc=∑(ZiMi)/∑M

(2)

式中:Xi、Yi、Zi為各方向質心位置。

3 測試方法

對直徑為3 350 mm的箭體二級氧箱試驗件在測量設備上獲取初始質量、質心數據,并通過在箭體二級氧箱試驗件上加載標準負載,獲取加載后的質量、質心數據。同時在NX12.0軟件環境下,按照試驗件的初始數據和加載數據進行建模,獲取理論質量、質心數據。經過多組測量分析,對比找出理論與實際測量數據偏差,進而分析質量、質心測量設備的測量精度是否滿足要求。

3.1 質量、質心測量設備精度指標

目前使用的質量、質心測量設備主要精度指標參數如下:

(1) 質量測量范圍為400 kg～7 500 kg;

(2) 質量測量精度不低于滿量程的0.05%;

(3) 質心位置測量精度中,縱向質心為±10 mm,橫向質心為±1mm。

3.2 測量對象

質量、質心的測量對象為箭體二級氧箱試驗件。為消除裝夾對測量的影響,對箭體二級氧箱試驗件前后短殼支撐位置發泡層進行去除,露出二級氧箱金屬外殼。箭體二級氧箱試驗件實物如圖1所示。

▲圖1 箭體二級氧箱試驗件實物

由于后續加載對象安裝在箭體二級氧箱氧增加支架上,因此對加載和仿真建模直接關聯的關鍵位置尺寸進行復測,包括后端框與前端框距離、后端框與止推距離、前端框與止推距離、止推與二級氧箱軸線距離。二級氧箱試驗件關鍵尺寸如圖2所示。

▲圖2 箭體二級氧箱試驗件關鍵尺寸

按照關鍵尺寸要求對實物進行測量,使理論尺寸與實際尺寸基本保持一致。箭體二級氧箱試驗件關鍵尺寸復測數據見表1。

表1 箭體二級氧箱試驗件關鍵尺寸復測數據 mm

3.3 加載對象

試驗過程中的加載對象為均質對稱20號鋼材,包括鋼棒、固定法蘭A、固定法蘭B、套管A、套管B,以及六角螺栓、六角螺母國標緊固件。加載對象三維圖如圖3所示。

▲圖3 加載對象三維圖

安裝前對加載對象進行單獨稱重,加載對象質量實測數據見表2。

表2 加載對象質量實測數據

4 測試過程

測試分為三個過程:① 空箱狀態箭體二級氧箱試驗件質量、質心測量;② 增加負載后質量、質心測量;③ 測量結果和仿真數據進行對比。

4.1 空箱狀態箭體二級氧箱試驗件測量

將空箱狀態箭體二級氧箱試驗件放置在質量、質心測量設備上,前后支撐分別位于氧箱后短殼、前短殼去除發泡層處,Ⅱ象限向下,后短殼靠近測量設備標尺端,對接定位孔與標尺對齊,測量質量和X、Y、Z三個方向的質心位置,共計三次。其中,測量坐標原點為二級氧箱后短殼端面中心,X向指向火箭飛行方向,Y向指向Ⅳ象限,Z向指向Ⅰ象限。箭體二級氧箱試驗件初始質量、質心實測數據見表3。

表3 箭體二級氧箱試驗件初始質量、質心實測數據

按照測量平均值的質量、質心數據在NX12.0環境下搭建坐標系,坐標系與箭體二級氧箱測量坐標系一致,建立等效圓柱模型并修正。修正后模型質量為1 047 kg,X向質心位置為1 903.5 mm,Y向質心位置為-14.47 mm,Z向質心位置為15.04 mm,與測得的質量、質心數據保持一致。

4.2 增加負載后測量

第一次加載,加載對象為鋼棒、固定法蘭A、固定法蘭B。用配套緊固件將加載對象安裝在箭體二級氧箱止推支架上,測得鋼棒端頭與止推支架端面距離為42mm后,擰緊螺釘固定,開始加載后質量、質心數據測量,并記錄。

第二次、第三次加載,加載對象為鋼棒、固定法蘭A、固定法蘭B、套管A、套管B。先將套管A、套管B安裝在鋼棒上,然后按照第一次加載固定方式和尺寸要求安裝在箭體二級氧箱止推支架上。調節套筒距離L1為950 mm,L2為200 mm,測量質量、質心數據共三次,并記錄。調節套筒距離L1為500 mm,L2為0 后,測量質量、質心數據共三次,并記錄。

測試中,加載對象的安裝如圖4所示,三次加載現場如圖5所示。

▲圖4 加載對象安裝▲圖5 三次加載現場

5 數據處理分析

5.1 仿真計算

在NX12.0環境下建立箭體二級氧箱試驗件等效模型,虛擬裝配鋼棒、固定法蘭、套筒等加載對象與實際測量位置一致,并單獨修正加載對象質量與實際測量質量保持一致。應用NX12.0軟件中的分析體模塊計算得到仿真模型的質量、質心數據,作為實物加載的理論值。

5.2 理論值與實測值對比

對箭體二級氧箱試驗件三次加載后的理論質量和實際測得的質量平均值做對比,質量最大偏差為1.25 kg。箭體二級氧箱試驗件三次加載后質量偏差統計見表4。

表4 質量偏差統計 kg

對箭體二級氧箱試驗件三次加載后的理論質心位置和實際測得的質心位置做對比,X向質心位置最大偏差為2.52 mm,Y向質心位置最大偏差為0.74 mm,Z向質心位置最大偏差為0.72 mm。

箭體二級氧箱試驗件三次加載后質心位置偏差統計見表5。

表5 質心位置尺寸偏差統計 mm

5.3 測量精度

通過上述仿真和試驗測量獲取的質量、質心偏差數據,與質量、質心測量設備測量精度要求對比,證明質量、質心測量設備測量精度準確可靠,可以用于此型運載火箭二子級、整流罩的質量、質心測量。產品要求精度與設備精度對比見表6。

表6 產品要求精度與設備精度對比

6 結束語

火箭質量、質心位置技術參數對于火箭的正確飛行具有十分重要的意義,筆者設計的某型火箭質量、質心測量設備經過測試和數據建模加載計算方式對比分析,確認測試結果和三維模型計算數據誤差可控,滿足測試要求。通過試驗對比,證明測量設備測量精度滿足火箭總體設計提出的要求,測量數據可以作為火箭飛行控制參數輸入。這一設備的設計是成功的,可以為后續火箭的飛行提供可靠的數據。