張丹陽，夏云峰，李信元，趙 亮

(中國航天科技集團公司四院41所，西安 710025)

?

基于激光位移傳感器的柔性噴管動態(tài)擺心非接觸測量方法①

張丹陽，夏云峰，李信元，趙 亮

(中國航天科技集團公司四院41所，西安 710025)

為了開展柔性噴管全軸擺動動態(tài)擺心測試，設(shè)計了一種以激光位移傳感器、測控裝置為基礎(chǔ)的測試系統(tǒng)。通過建立數(shù)學(xué)模型，搭建試驗測量裝置，利用數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)得到了動態(tài)擺心漂移數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)采用高精度高頻響的激光位移傳感器保證了動態(tài)響應(yīng)速度，程控調(diào)平機構(gòu)解決了傳感器的精確定位問題，軟硬件濾波較好地剔除了擾動信號。系統(tǒng)采樣頻率2 kHz，輸出測量數(shù)據(jù)頻率不低于1 kHz；與靜態(tài)方法相比較，測量相對誤差不大于1%。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、實時地測試噴管全軸擺動時的擺心漂移軌跡。

柔性噴管；動態(tài)擺心測試；激光位移傳感器

0 引言

擺心漂移是柔性噴管設(shè)計時的一項重要參數(shù)，它反映著柔性接頭在燃燒室壓強作用下實際擺心偏離理論擺心的規(guī)律。由于擺心漂移會對噴管擺動時的實際間隙、作動筒行程與擺角關(guān)系的變化及作動力臂的變化等方面產(chǎn)生影響，所以柔性噴管的擺心測試始終是固體火箭推力向量控制試驗中的一個重要環(huán)節(jié)[1]。

目前，柔性噴管擺心漂移的精確測試與計算方法很難建立，再加之在冷態(tài)模擬噴管工作條件下的載荷十分困難或幾乎不可能，使得擺心漂移的測試工作須花費很大精力，且不容易取得滿意結(jié)果。而且，國內(nèi)也沒有測量噴管擺心漂移的專門設(shè)備。朱耄祥[2]研制了基于線陣CCD探測器的擺心浮動量的光電動態(tài)實時測量系統(tǒng)，但精度受測量環(huán)境影響較大，目前已不適用。楊冀英等[3]提出了基于位移計、擺桿和噴管作動器反饋的噴管擺心測量方法，利用位移計測出的位移量先計算出相應(yīng)的擺角，然后推算出擺心漂移。這種方法屬于接觸式測量方法，也是目前噴管冷態(tài)試驗中常用的方法，測試過程繁瑣，且精度較差。Reynolds等[4]研究了后擺心推力向量柔性噴管的材料選擇和性能測試問題，指出噴管材料對噴管擺心和擺角的影響很大。Robert等[5]研究了柔性噴管擺心、擺角和軸向位移對于推力向量控制的影響問題。Gaffin等[6]研究了NASA某型號固體火箭發(fā)動機柔性噴管的動態(tài)擺心性能。Donat[7]研究了固體火箭發(fā)動機柔性噴管的理論擺心和實際擺心漂移的問題。Seely等[8]介紹了基于砷化鎵近紅外激光二極管和位移傳感器的噴管擺角測試系統(tǒng)，提出噴管擺心軸向漂移至少需要4～6組近紅外激光二極管和位移傳感器來測量，但未給出擺心測量方案。

隨著彈總體對推力向量控制精度要求的不斷提高，實際工作中用不十分精確的擺心漂移預(yù)估值作為固體發(fā)動機動力方向控制的參考值已不適用，因此迫切需要開展柔性噴管全軸擺動狀態(tài)下的動態(tài)擺心試驗研究?；诖罅康睦鋺B(tài)噴管全軸擺動性能分析試驗，本文提出了一種柔性噴管全軸擺動狀態(tài)下動態(tài)擺心的試驗測量方法。該方法利用激光位移傳感器采集試驗數(shù)據(jù)，具有測試精度高、頻響快、不受測量環(huán)境影響等優(yōu)點，實現(xiàn)了動態(tài)擺心的非接觸式測量，能準(zhǔn)確得到柔性噴管全軸擺動過程中擺心數(shù)據(jù)和擺心三維運動軌跡。

1 柔性噴管全軸擺動動態(tài)擺心測試原理

1.1 柔性噴管全軸擺動動態(tài)擺心測試裝置

柔性噴管全軸擺動的動態(tài)擺心數(shù)據(jù)是通過柔性接頭全軸擺動動態(tài)擺心測試試驗獲得的。如圖1所示，試驗時通過固定體和活動體先將柔性接頭安裝在冷試高壓容器上，活動體上固定擺桿和推力架模擬噴管擴張段，擺桿軸線與柔性接頭軸線重合，安裝在擺桿90°方向上的2個伺服作動器用于實現(xiàn)柔性接頭的全軸擺動，通過對擺桿上特定點在擺動過程中的位置變化進行測試，利用數(shù)學(xué)模型計算出實際擺心位置的變化情況。

擺桿的頂端與軸線相垂直地裝一平板，稱為Z板，激光位移傳感器Z3的軸線重合于擺桿的軸線，其在Z板上的投影為坐標(biāo)系的原點O(此時容壓為零壓)，OZ軸即重合于擺桿的軸線；推力向量作動器1、2分別分布于OXZ和OYZ平面內(nèi)，這樣固定坐標(biāo)系OXYZ即被選定。在擺桿上裝有2塊平板，分別垂直于X軸(稱X板)和Y軸(稱Y板)，激光位移傳感器X2、X1和Y2、Y1分別垂直于X板和Y板，且X2與Y2，X1與Y1的延長線分別交于Z軸上兩點，其交點坐標(biāo)依次為(0，0，-Z2)、(0，0，-Z1)；X板和Y板到坐標(biāo)點的距離皆為R0[9]。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic of experiment device

1.2 柔性噴管全軸擺動動態(tài)擺心算法

圖2 噴管的瞬時轉(zhuǎn)軸及其幾何中心線的瞬時擺心Fig.2 Axes of rotation of nozzle and the transient pivot point of centre line of nozzle

命噴管的幾何中心線為Z′軸，它不同于坐標(biāo)系中的Z軸。Z′軸的方程：

(1)

Z板平面方程：

(2)

聯(lián)立解方程(1)、(2)，得Oi點。Oi點為Z′軸上一點，初始狀態(tài)時同坐標(biāo)原點重合。

設(shè)相鄰二時刻Oi點的瞬時轉(zhuǎn)動中心所在的平面為π1i，則有

(3)

為了求噴管的瞬時轉(zhuǎn)軸，還必須尋求第2個點在同一時間間隔內(nèi)的擺動中心所在的平面，令這個平面為π3i，π3i與π1i平面的交線便是瞬時轉(zhuǎn)軸。當(dāng)π3i⊥π1i時，瞬時轉(zhuǎn)軸的精度最高。

噴管上另一點瞬時擺心所在的平面π3i的方程如下：

(4)

平面π1i與π3i的交線即為求得瞬時轉(zhuǎn)軸。

令噴管幾何中心線Z′軸的擺動平面為

(5)

聯(lián)立解方程(3)～(5)，即可求噴管幾何中心線的瞬時擺動中心Ci(xci，yci，zci)，即噴管擺動中心上的一點[9]。

2 擺心測量系統(tǒng)組成

柔性接頭全軸擺動激光位移動態(tài)擺心測量法利用安裝在擺桿測試架上3個方向的5個激光位移傳感器的激光束反射來實時測量柔性接頭在X、Y、Z3個方向上的直線位移變化情況，通過對擺桿上特定點在擺動過程中的位置變化進行測試、計算出實際擺心位置。本系統(tǒng)主要由測控計算機、柔性接頭擺心測量系統(tǒng)控制器、程控調(diào)平機構(gòu)、激光位移傳感器、PCI總線采集設(shè)備五部分組成。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框圖Fig.3 System block diagram

圖4為傳感器系統(tǒng)裝配示意圖，擺桿的X、Y、Z軸安裝激光位移傳感器。其中X、Y軸分別上下安裝2個激光位移傳感器，頂部Z軸方向安裝1個激光位移傳感器。傳感器被安裝在調(diào)平機構(gòu)上。

2.1 傳感器選擇

目前，位移傳感器主要有激光位移傳感器、電渦流位移傳感器、電容位移傳感器、超聲波位移傳感器等。與其他傳感器相比較，激光位移傳感器直線度特性優(yōu)良、分辨率高、響應(yīng)速度快、跟隨性好，并且使用環(huán)境也更廣泛。本系統(tǒng)的測量目標(biāo)是實現(xiàn)柔性噴管在全軸擺動過程中擺心位置變化軌跡的動態(tài)連續(xù)測量，為了保證測量精度和高響應(yīng)頻率，系統(tǒng)選擇高精度高響應(yīng)頻率的激光位移傳感器和高采樣率的PCI同步采樣模塊作為硬件基礎(chǔ)。

圖4 系統(tǒng)裝配示意圖Fig.4 Schematic for assemblage of sensor system

2.2 傳感器程控調(diào)平及精確定位

傳感器的安裝定位精度會對柔性噴管擺心測量精度直接產(chǎn)生影響，要求傳感器初始安裝時應(yīng)與擺桿的測量面必須保持垂直。本系統(tǒng)巧妙地通過調(diào)平機構(gòu)快速安裝定位傳感器。調(diào)平機構(gòu)基于步進電機設(shè)計，直接由計算機程序控制。在試驗前調(diào)整調(diào)平機構(gòu)的俯仰角度，擺心測試系統(tǒng)會同時監(jiān)視激光傳感器的輸出值。系統(tǒng)會將調(diào)平機構(gòu)在調(diào)整角度過程中的俯仰角度和激光傳感器的輸出進行關(guān)聯(lián)，當(dāng)程序判斷出激光傳感器和擺桿的距離最短時(如圖5所示)，也就是相對的垂直點了，系統(tǒng)會記錄現(xiàn)在的傳感器數(shù)值為測試起始點或者說是零點。這種調(diào)整方式對垂直的判斷相對快速準(zhǔn)確且減少了人工安裝定位帶來的誤差。

圖5 傳感器試驗零點調(diào)節(jié)示意圖Fig.5 Schematic for adjusting experimentation zero of sensor

2.3 數(shù)據(jù)處理

通過大量試驗發(fā)現(xiàn)，傳感器初始采集數(shù)據(jù)存在很大的擾動，直接影響后續(xù)計算。經(jīng)過分析，柔性噴管擺動過程中作動器的抖動是主要影響因素，擾動信號的頻率為5～20 Hz，區(qū)別于傳感器所采集信號。首先通過硬件濾波，在采集數(shù)據(jù)時直接對該頻段信號進行過濾；其次，在數(shù)據(jù)處理時，利用巴特沃斯濾波器對曲線作濾波處理，即可剔除掉絕大部分干擾信號，達到理想效果。

3 實測結(jié)果

以某型號柔性接頭為測量對象，傳感器初始采集值與擺心漂移測量結(jié)果如圖6所示。

通過對曲線擾動點判定與剔除，經(jīng)過計算得到的動態(tài)擺心試驗數(shù)據(jù)如圖7、圖8所示。

圖6 傳感器初始采集值Fig.6 Initial acquisition value from sensor

圖7 擺心漂移Fig.7 Pivot point excursion

圖8 擺心三維運動軌跡Fig.8 3D motion curves of pivot point

表1為柔性噴管全軸擺動靜態(tài)特征點測試數(shù)據(jù)與本文方法所測的動態(tài)瞬時數(shù)據(jù)比較。

表1 特征點靜態(tài)測量與動態(tài)測量數(shù)據(jù)Table 1 Measured data of feature point with static and dynamic methods

4 結(jié)論

(1)本文設(shè)計的柔性噴管全軸擺動動態(tài)擺心測量系統(tǒng)解決了多項技術(shù)問題，如傳感器程控調(diào)平及精確定位、擾動數(shù)據(jù)的剔除、數(shù)學(xué)建模等。

(2)本文方法屬于非接觸式動態(tài)測量方法，系統(tǒng)采樣頻率2 kHz，輸出測量數(shù)據(jù)頻率不低于1 kHz，相對測量誤差不大于1%。擺心數(shù)據(jù)與擺心漂移范圍真實準(zhǔn)確，可實時反映噴管全軸擺動的動態(tài)特性。

[1] 黃堅定.固體火箭發(fā)動機設(shè)計與研究(下)[M].北京:宇航工業(yè)出版社,1991.

[2] 朱耄祥.光電擺角動態(tài)測量原理及其測量系統(tǒng)[J].光電工程,1993,20(1):56-64.

[3] 楊冀英,杜保華.擺桿形變對柔性接頭擺心、擺角數(shù)據(jù)的影響[J].強度與環(huán)境,2007,34(1):55-58.

[4] Reynolds H M,Orville E,et al.Materials development for aft-pivoted techroll TVC joint [C]//AIAA/SAE 11th Propulsion conference.Anaheim,California:[s.n.],1975:1-13.

[5] Robert F H,Woodberr Y.Flexible joints for thrust vector controls[C]//AIAA/SAE 11th Propulsion Conference.Anaheim,California:[s.n.],1975:1-18.

[6] Gaffin R D.Space shuttle solid rocket booster nozzle flexible seal pivot joint dynamics[C]//AIAA/SAE 13th Propulsion Conference.Orlando,Florida:[s.n.],1977:1-7.

[7] Donat j R.Solid rocket motor nozzle flexseal design sensitivity [C]//AIAA/ASEE,Aerospace Design Conference.Irvine.Canada:[s.n.],1993:1-10.

[8] Seely J,Torick R,Mascio W.Nozzle vector angle determination using a laser measurement system[C]//AIAA/SAE/ASME/ASEE 26th Joint Propulsion Conference. Orlando,Florida:[s.n.],1990:1-8.

[9] 楊世學(xué).柔性噴管全軸擺動動態(tài)特性分析與計算[J].宇航學(xué)報,1985 (1):66-70.

(編輯：呂耀輝)

Non-contact measuring method for pivot point of omni-axialmovable flexible joint nozzle based on the laserdisplacement sensor

ZHANG Dan-yang，XIA Yun-feng，LI Xin-yuan，ZHAO Liang

(The 41st Institute of 4th Academy of Aerospace Science and Technology Corporation,Xi’an 710025,China)

In order to investigate the dynamic test for pivot point of the omni-axial movable flexible joint nozzle,a test system basted on laser displacement sensor and measurement device was designed in this paper.By setting up mathematical model and constructing a set of experimental system,the dynamic test data of pivot point was obtained by the data-acquisition system.The dynamic response speed of the test system was guaranteed by laser displacement sensor with high precision and high frequency.The problem of sensor accurate positioning was solved by the SPC leveling mechanism.Disturbance signals were eliminated by data processing.The sampling frequency and the output data frequency are respectively about 2 kHz and 1 kHz.Compared with static method，the relative error was not greater than 1%.Test result shows that the system can measure the track of pivot point reliably in real time when the flexible join nozzle is omni-axial moving.

flexible joint nozzle；dynamic test of pivot point；laser displacement sensor

2013-02-27；

2013-05-20。

張丹陽(1985—)，男，碩士，主要從事固體火箭發(fā)動機推力矢量控制實驗研究。E-mail：popzhang1@163.com

V435

A

1006-2793(2014)02-0281-04

10.7673/j.issn.1006-2793.2014.02.027