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(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076)

0 引言

隨著我國(guó)航天技術(shù)的不斷發(fā)展，航天器總體對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)控制精度的要求不斷提高。為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)柔性噴管推力矢量控制伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究，研制一種能夠真實(shí)反映柔性噴管在全軸擺動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性的試驗(yàn)系統(tǒng)的需求日益迫切[1]。

傳統(tǒng)的噴管擺角測(cè)量裝置是基于三自由度運(yùn)動(dòng)模型，假定噴管擺心固定不變的情況下對(duì)噴管擺角進(jìn)行測(cè)量，但是柔性噴管的擺心是由粘彈性材料構(gòu)成的球心，在受到壓力變化時(shí)會(huì)發(fā)生變形，擺心從而發(fā)生變化，擺心的變化會(huì)對(duì)噴管的擺動(dòng)角度、作動(dòng)器作動(dòng)筒的行程以及作動(dòng)力臂都產(chǎn)生影響[2]。目前國(guó)內(nèi)朱耆祥研制了基于線陣CCD探測(cè)器的柔性噴管六自由度光電實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)[3]。張丹陽(yáng)開(kāi)發(fā)了基于激光位移傳感器的柔性噴管動(dòng)態(tài)擺心非接觸測(cè)量方法[4]。基于光學(xué)或激光測(cè)量技術(shù)方法的測(cè)量精度受環(huán)境影響較大，而發(fā)動(dòng)機(jī)柔性噴管的工作環(huán)境條件下極其惡劣，因此光學(xué)或激光技術(shù)方法已不適用。

國(guó)外Reynolds開(kāi)展了關(guān)于柔性噴管材料對(duì)于擺心和擺角的影響[5]。Rolbert 開(kāi)展了噴管擺心和擺角對(duì)航天器控制系統(tǒng)的性能影響[6]。Gaffin針對(duì)固體火箭伺服系統(tǒng)的柔性噴管的擺心偏移進(jìn)行了深入研究[7]。Seely以近紅外激光二極管為基礎(chǔ)，結(jié)合位移傳感器，介紹了噴管擺角測(cè)量系統(tǒng)，但是并沒(méi)有給出實(shí)際測(cè)量方案[8]。Donat針對(duì)固體火箭的擺心偏移進(jìn)行了深入的研究[9]。隨著我國(guó)航天技術(shù)的不斷發(fā)展，上述測(cè)量方法粗略計(jì)算柔性噴管的擺心偏移和擺動(dòng)角度無(wú)法精確獲取噴管工作特性，因此迫切研制一種能夠真實(shí)反映柔性噴管在全軸擺動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性的試驗(yàn)系統(tǒng)。

針對(duì)問(wèn)題，本文研制的真擺角測(cè)量系統(tǒng)是以真實(shí)伺服機(jī)構(gòu)和真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載為控制對(duì)象的試驗(yàn)系統(tǒng)，逼真模擬飛行控制特性，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)施加額定慣量基礎(chǔ)上，測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)擺角，進(jìn)而可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的獲得柔性噴管在全軸擺動(dòng)過(guò)程中的六自由度數(shù)據(jù)。

1 真擺角測(cè)量系統(tǒng)研制方案

測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)噴管擺角時(shí)，將噴管主體看作是剛體，其幾何軸線(噴管平面法向量)即為實(shí)質(zhì)的推力方向，可以通過(guò)確定噴管出口端面的位置和指向來(lái)最終測(cè)定噴管擺角和擺心位置。

在火箭飛行過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的擺動(dòng)是由多類(lèi)運(yùn)動(dòng)耦合而成，包括柔性噴管的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)、繞質(zhì)心運(yùn)動(dòng)、彈性振動(dòng)、噴管擺動(dòng)等。任何自由剛體的運(yùn)動(dòng)，都是由剛體的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)和圍繞質(zhì)心的繞心運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)的合成，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，它是一個(gè)變質(zhì)心的質(zhì)點(diǎn)系。因此真擺角測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)柔性噴管真實(shí)擺角時(shí)，需要依據(jù)變質(zhì)心質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)量和動(dòng)量矩定理，在三自由度質(zhì)點(diǎn)模型的基礎(chǔ)上充分考慮噴管的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)[10]。

針對(duì)柔性噴管“擺心不固定”的特點(diǎn)，并考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)柔性噴管所處的惡劣工作環(huán)境，本文制定了一種測(cè)量噴管真擺角的技術(shù)方案。該方案主要是利用固定在噴管法蘭盤(pán)上的四組機(jī)電式極坐標(biāo)傳感器中任意3個(gè)來(lái)測(cè)量噴管加強(qiáng)環(huán)的空間位置與指向，然后將測(cè)量的數(shù)據(jù)按特定算法實(shí)時(shí)變換得到柔性噴管的真實(shí)擺角和擺心

真擺角測(cè)量系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性環(huán)節(jié)較少，加工工藝性良好，易于維護(hù)，在保證傳感器定位精度的同時(shí)，整體重量可以滿足系統(tǒng)要求。

1.1 真擺角測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量原理

測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)柔性噴管真實(shí)擺角時(shí)，通常將發(fā)動(dòng)機(jī)噴管主體看作是剛體，真擺角測(cè)量系統(tǒng)原理框圖1所示。

圖1 真擺角測(cè)量系統(tǒng)原理框圖

真擺角測(cè)量系統(tǒng)將兩組傳感器的輸出軸正交配置，線位移傳感器和角位移傳感器輸出軸連接在一起，組成極坐標(biāo)傳感器，每只極坐標(biāo)傳感器由四只角位移傳感器和二只線位移傳感器組成，四只角位移傳感器每?jī)芍粸橐唤M，可同時(shí)測(cè)量出噴管沿X、Y軸的角位移變化，線位移傳感器用于測(cè)量空間線位移變化量。試驗(yàn)時(shí)每級(jí)噴管裝四組極坐標(biāo)傳感器，實(shí)際使用時(shí)，用三只極坐標(biāo)傳感器即可測(cè)得噴管擺角和擺心變化量，加設(shè)第四組極坐標(biāo)傳感器，可任選其中三組數(shù)據(jù)，提高了獲得可信數(shù)據(jù)的測(cè)量可靠性，并可消除噴管擴(kuò)散段的局部變形影響。

1.2 真擺角測(cè)量系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)

真擺角測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，將采集到的模擬信號(hào)(擺角測(cè)量信號(hào)與角加速度信號(hào))通過(guò)信號(hào)電纜傳送到適配箱內(nèi)，其中擺角測(cè)量信號(hào)在適配箱內(nèi)完成信號(hào)的調(diào)理。調(diào)理后的擺角測(cè)量信號(hào)和角加速度信號(hào)由采集電纜送入A/D采集卡，由計(jì)算機(jī)完成擺角測(cè)量信號(hào)的處理，最后將處理后的數(shù)據(jù)和角加速度信號(hào)通過(guò)光纖發(fā)送出去。實(shí)時(shí)網(wǎng)卡選用GE公司的VMIPMC-5565網(wǎng)卡，該網(wǎng)卡采用內(nèi)存映射技術(shù)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)實(shí)時(shí)通信，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。通常兩結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延遲為納秒(或微秒)級(jí)，比通用局域網(wǎng)快兩個(gè)數(shù)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)高速互聯(lián)。真擺角測(cè)量系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 真擺角測(cè)量系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

圖3 測(cè)量系統(tǒng)軟件程序框圖

1.3 真擺角測(cè)量裝置的方案設(shè)計(jì)

1.3.1 真擺角測(cè)量裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文研制的真擺角測(cè)量系統(tǒng)主要由支架、角位移傳感器、撐桿、線位移傳感器、調(diào)整板和上支架等組成，如圖4所示。其中線位移傳感器和角位移傳感器為真擺角測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量元件，兩組角位移傳感器輸出軸通過(guò)十字型構(gòu)件組合在一起，正交配制。線位移傳感器則和十字型構(gòu)件上固定的一組角位移傳感器輸出軸聯(lián)結(jié)在一起，組成極坐標(biāo)傳感器，角位移傳感器通過(guò)底盤(pán)和支架固定在柔性噴管的加強(qiáng)環(huán)上，線位移傳感器通過(guò)上支架和調(diào)整板固定在發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的法蘭盤(pán)上，撐桿通過(guò)連接螺栓與傳感器上、下支耳的撐桿座連接，然后調(diào)節(jié)工藝撐桿長(zhǎng)度，將噴管調(diào)平。

圖4 真擺角測(cè)量系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

1.3.2 傳感器設(shè)計(jì)

本文研制的真擺角測(cè)量系統(tǒng)由四組極坐標(biāo)傳感器構(gòu)成，如圖5所示，極坐標(biāo)傳感器由四只角位移和兩只線位移組成，可同時(shí)測(cè)量出噴管繞X、Y軸角位移和空間位移變化量。6只傳感器每?jī)芍粸橐唤M，分別為大量程和小量程，通過(guò)量程切換裝置，以提高測(cè)量精度和靈敏度。

圖5 極坐標(biāo)傳感器示意圖

當(dāng)伺服系統(tǒng)進(jìn)行位置回環(huán)擺動(dòng)時(shí)，極坐標(biāo)傳感器中大行程傳感器用于測(cè)量噴管擺角、擺心的變化。當(dāng)伺服系統(tǒng)做頻率特性試驗(yàn)時(shí)，則用小行程傳感器測(cè)量噴管擺角、擺心的變化，并同時(shí)測(cè)量伺服系統(tǒng)的頻率特性。

傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)是傳感器量程設(shè)計(jì)。以下是關(guān)于量程的設(shè)計(jì)計(jì)算模型，其二維建模如圖6所示。

圖6 傳感器量程計(jì)算二維建模圖

圖中，P’點(diǎn)和P點(diǎn)分別為真擺角測(cè)量系統(tǒng)下支點(diǎn)和上支點(diǎn)的初始位置，P’點(diǎn)在發(fā)動(dòng)機(jī)上固定不變，上支點(diǎn)由P點(diǎn)擺到P’’點(diǎn)，可結(jié)合噴管結(jié)構(gòu)尺寸確定P’點(diǎn)和P點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)噴管和擺角測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)尺寸和安裝位置關(guān)系可知，P’P’’，0P，PP’’，PP’的長(zhǎng)度，進(jìn)而可計(jì)算得到角位移量程為：

(1)

線位移量程為：

L=PP'-P'P''

(2)

角位移傳感器通常采用旋轉(zhuǎn)變壓器和微動(dòng)同步器兩種類(lèi)型的傳感器。其測(cè)量范圍及指標(biāo)要求見(jiàn)表1。

線位移傳感器采用合成膜電位計(jì)原理。每個(gè)傳感器由兩組電位計(jì)構(gòu)成，采用冗余設(shè)計(jì)。兩組傳感器可并聯(lián)使用，也可以分別施加不同的電壓。高電源一組用于小信號(hào)測(cè)量，可以提高信噪比。線位移傳感器的主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 角位移傳感器技術(shù)指標(biāo)

表2 線位移傳感器技術(shù)指標(biāo)標(biāo)

2 真擺角測(cè)量系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 系統(tǒng)試驗(yàn)誤差標(biāo)定

為了標(biāo)定測(cè)試誤差，通常將真擺角測(cè)量系統(tǒng)安裝在試驗(yàn)負(fù)載臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)柔性噴管上。將驅(qū)動(dòng)柔性噴管從極限負(fù)擺角運(yùn)動(dòng)到極限正擺角，在此過(guò)程中對(duì)真擺角測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，柔性噴管的極限擺角為±4.5°單向運(yùn)動(dòng)時(shí)的誤差最大是12.71''。噴管運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，真擺角測(cè)量系統(tǒng)對(duì)擺動(dòng)角度進(jìn)行采集，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后實(shí)時(shí)輸出角位移信號(hào)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 真擺角測(cè)量系統(tǒng)單向運(yùn)動(dòng)信號(hào)輸出標(biāo)定結(jié)果

2.2 地面試車(chē)試驗(yàn)

2.2.1 真擺角測(cè)量系統(tǒng)調(diào)零

為了檢驗(yàn)真擺角測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)試效果，現(xiàn)以某型號(hào)柔性噴管為測(cè)量對(duì)象，通過(guò)真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)地面點(diǎn)火熱試車(chē)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。在進(jìn)行大型地面試車(chē)試驗(yàn)前，需要對(duì)真擺角測(cè)量系統(tǒng)的角位移傳感器和線位移傳感器進(jìn)行零位調(diào)試，具體方法如下：

1)用調(diào)零電纜檢測(cè)變換器的輸出電壓，調(diào)整45度安裝方向處的調(diào)節(jié)板，調(diào)節(jié)法向角位移傳感器零位25 mV至以?xún)?nèi)，然后均勻鎖緊螺釘。

2)調(diào)節(jié)線位移傳感器零位，將零位輸出電壓調(diào)節(jié)至10 mV以?xún)?nèi)，然后鎖緊螺栓，鎖緊線位移傳感器與角位移傳感器聯(lián)接處螺母。

3)擰松切向傳感器的4個(gè)螺釘，調(diào)節(jié)角位移傳感器至零位，將零位電壓控制在25 mV以?xún)?nèi)，然后均勻鎖緊螺釘。

4)全部零位調(diào)整完畢后，逐路檢查傳感器零位電壓值并記錄，如有零位超出允許的25 mV電壓值，重復(fù)步驟1或2，重新調(diào)節(jié)直至滿足零位要求。

2.2.2 地面試車(chē)試驗(yàn)結(jié)果

地面熱試車(chē)過(guò)程中，由伺服控制器按照預(yù)定的信號(hào)控制伺服作動(dòng)器的動(dòng)作，進(jìn)而帶動(dòng)柔性噴管擺動(dòng)。真擺角測(cè)量系統(tǒng)對(duì)柔性噴管擺動(dòng)角度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后實(shí)時(shí)輸出柔性噴管擺動(dòng)角位移。真擺角測(cè)量系統(tǒng)采集噴管擺動(dòng)數(shù)據(jù)與控制器輸入角度曲線對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

圖7 真擺角測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量曲線圖

對(duì)柔性噴管擺角的測(cè)試結(jié)果如表4所示。其中，真擺角測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得噴管零位偏差為-0.058°，位置回環(huán)寬度為0.12°，真擺角測(cè)量系統(tǒng)采集噴管擺動(dòng)數(shù)據(jù)與控制器輸入角度位置增益高達(dá)0.996。所有指標(biāo)均滿足了任務(wù)書(shū)的要求，真擺角測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)試精度、產(chǎn)品可靠性、環(huán)境適應(yīng)性均得到了有效的考核。

表4 噴管技術(shù)指標(biāo)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研制的真擺角測(cè)量系統(tǒng)為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，已成功應(yīng)用于伺服系統(tǒng)噴管擺角測(cè)量，與傳統(tǒng)的噴管擺角測(cè)量裝置相比，具有明顯的特點(diǎn)及技術(shù)進(jìn)步點(diǎn)：

1)在測(cè)量方面，傳統(tǒng)的噴管擺角測(cè)量裝置是假定噴管擺心固定不變的情況下對(duì)噴管擺角進(jìn)行測(cè)量。而本文研制的真擺角測(cè)量系統(tǒng)是建立在以真實(shí)伺服機(jī)構(gòu)的真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載為控制對(duì)象的試驗(yàn)系統(tǒng)，逼真模擬飛行控制特性，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)施加額定慣量基礎(chǔ)上，可以準(zhǔn)確獲得柔性噴管在全軸擺動(dòng)過(guò)程中的空間擺角、擺心變化量。

2)在模型方面，傳統(tǒng)的噴管擺角測(cè)量裝置采用三自由度質(zhì)點(diǎn)模型。而本文研制的真擺角測(cè)量系統(tǒng)為了真實(shí)模擬柔性噴管的姿態(tài)變化過(guò)程和實(shí)際運(yùn)動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)了六自由度實(shí)時(shí)測(cè)量。

3)在控制方面，由于伺服技術(shù)的發(fā)展前擺心噴管在擺動(dòng)時(shí)，其在動(dòng)作器的兩個(gè)安裝方向上存在嚴(yán)重的交聯(lián)現(xiàn)象，兩個(gè)通道的運(yùn)動(dòng)不獨(dú)立，造成俯仰、偏航推力矢量控制的方向不準(zhǔn)確，導(dǎo)致導(dǎo)彈控制偏差增大。噴管擺角交聯(lián)也使的噴管擺角的測(cè)量不能夠采用傳統(tǒng)的角位移測(cè)量和計(jì)算方法，必須采用真擺角測(cè)量系統(tǒng)下，角位移傳感器采用十字架組合形式對(duì)交聯(lián)狀態(tài)下的擺角進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和計(jì)算，每?jī)芍粸橐唤M，實(shí)現(xiàn)了X、Y軸角位移變化的同時(shí)測(cè)量，且傳感器分別為大量程和小量程，通過(guò)量程切換裝置，使其具有較高的測(cè)量精度和靈敏度。

隨著我國(guó)航天技術(shù)的不斷發(fā)展，航天器總體對(duì)推力矢量控制精度的要求不斷提高，該真擺角測(cè)量系統(tǒng)能夠用于測(cè)量固體發(fā)動(dòng)機(jī)柔性噴管空間擺角、擺心變化量及推力矢量控制伺服系統(tǒng)性能特性，具有廣闊的應(yīng)用前景和深遠(yuǎn)的應(yīng)用價(jià)值。