李志勛，王宏亮，趙 曙，劉麗寧

(西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所，西安710100)

1 引言

矢量推力對(duì)控制飛行器姿態(tài)、提高入軌精度等具有重要意義，其測(cè)試技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研究機(jī)構(gòu)所關(guān)注的重點(diǎn)[1]。

美國(guó)20世紀(jì)60年代開始使用六分力試車臺(tái)對(duì)配置推力矢量控制機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量[2-3]。日本20世紀(jì)80年代也開展相應(yīng)的研究與應(yīng)用[4]。國(guó)外對(duì)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)矢量推力測(cè)量技術(shù)的公開論文較少。

我國(guó)20世紀(jì)70年代開展六分力測(cè)量理論及試車臺(tái)的研究和工程應(yīng)用，主要集中在小型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力矢量測(cè)量方面。“九五”期間，顏雄雄等[5]針對(duì)小發(fā)動(dòng)機(jī)矢量推力的特點(diǎn)和測(cè)量要求，在二軸轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上提出間接測(cè)量矢量推力的線性組合法，并給出誤差計(jì)算公式。李慶忠與意大利國(guó)家計(jì)量院合作在多分力計(jì)測(cè)試、校準(zhǔn)及試驗(yàn)技術(shù)、與國(guó)際力值比對(duì)等方面給出了實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)力的直接與間接校準(zhǔn)方法[6]。周長(zhǎng)省等[7]利用液壓加載裝置實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)矢量力的加載，分析矢量力測(cè)試的誤差影響因素為傳感器本身的測(cè)量誤差以及校準(zhǔn)裝置形變。

近年來(lái)，為適應(yīng)復(fù)雜飛行環(huán)境及深空探測(cè)任務(wù)的發(fā)展需要，國(guó)內(nèi)建立一系列的液體軌控發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)條件，逐步將真空矢量推力測(cè)量任務(wù)納入常態(tài)化試驗(yàn)需求。在高空模擬試驗(yàn)過(guò)程中，受發(fā)動(dòng)機(jī)、推進(jìn)劑供應(yīng)管路及測(cè)控線纜的安裝狀態(tài)、點(diǎn)火熱輻射、真空艙氣壓環(huán)境及外界振動(dòng)等影響，矢量力傳感器實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)狀態(tài)與試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)不一致，引起傳感器校準(zhǔn)系數(shù)偏差，給矢量推力的測(cè)量帶來(lái)一定不確定性，直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)性能的評(píng)估。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于液體發(fā)動(dòng)機(jī)矢量推力測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)技術(shù)鮮有報(bào)道，該技術(shù)研究處于起步階段。

為減少試驗(yàn)系統(tǒng)相關(guān)環(huán)節(jié)對(duì)矢量推力測(cè)量不確定度所造成的影響，需要對(duì)矢量力傳感器開展高模試驗(yàn)狀態(tài)下的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)研究工作。結(jié)合某型號(hào)液體軌控發(fā)動(dòng)機(jī)研制任務(wù)需求，本文建立一套矢量力現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，提出一種遠(yuǎn)程自動(dòng)精確矢量推力的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法，對(duì)矢量力傳感器進(jìn)行不同試驗(yàn)環(huán)境下的現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)，分析試驗(yàn)系統(tǒng)相關(guān)環(huán)節(jié)對(duì)矢量推力校準(zhǔn)系數(shù)的影響情況，提出有效的解決措施。

2 校準(zhǔn)系統(tǒng)組成及原理

校準(zhǔn)系統(tǒng)安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)推力架上，通過(guò)力源加載裝置對(duì)矢量力傳感器加載不同的力源載荷，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)推力產(chǎn)生過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)矢量力測(cè)量傳感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)功能。校準(zhǔn)系統(tǒng)由力源加載裝置、力源加載轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、PLC控制器、標(biāo)準(zhǔn)力傳感器、數(shù)據(jù)采集器及主控計(jì)算機(jī)所組成(圖1)。

圖1 校準(zhǔn)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of calibration system

力源加載裝置用于提供標(biāo)準(zhǔn)力源，采用電動(dòng)缸加載標(biāo)準(zhǔn)力源，使用標(biāo)準(zhǔn)力傳感器＋數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)力源加載值，加載過(guò)程采用主控計(jì)算機(jī)＋PLC控制器＋驅(qū)動(dòng)裝置的方式控制，最終通過(guò)力源加載轉(zhuǎn)換器將標(biāo)準(zhǔn)力源傳遞至矢量力傳感器，形成校準(zhǔn)所需的力及力矩。

真空環(huán)境下的校準(zhǔn)必須解決遠(yuǎn)程自動(dòng)加載力源的問(wèn)題。主控計(jì)算機(jī)放置于遠(yuǎn)端測(cè)控中心，與數(shù)據(jù)采集器和控制器建立遠(yuǎn)程通訊連接，校準(zhǔn)軟件按照六檔三遍的預(yù)定程序控制電動(dòng)缸進(jìn)行力源加載(圖2)，加載檔位不少于33檔，每檔駐點(diǎn)時(shí)間可調(diào)(最長(zhǎng)10 s)。

圖2 自動(dòng)加載控制程序Fig.2 Schematic diagram of force source loading progress

矢量推力測(cè)量系統(tǒng)采用四柱式六分力傳感器，其測(cè)量量程為：Fx：0～500 N；Fy：0～8000 N；Fz：0～500 N；Mx：0～100 N˙m；My：0～100 N˙m；Mz：0～200 N˙m。依據(jù)測(cè)量傳感器量程，要求現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)系統(tǒng)具備如下校準(zhǔn)條件：Fx：0～600 N；Fy：0～10000 N；Fz：0～600 N；Mx：0～150 N˙m；My：0～150 N˙m；Mz：0～300 N˙m。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)選配了相應(yīng)量程的電動(dòng)缸及標(biāo)準(zhǔn)力傳感器，對(duì)于Fx、Fy、Fz各配置一套電動(dòng)缸＋標(biāo)準(zhǔn)力傳感器，其中Fx、Fz所用的電動(dòng)缸及標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的量程均為1000 N，F(xiàn)y所用的電動(dòng)缸及標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的量程為 10000 N。 對(duì)于Mx、My、Mz，各配置 2 套量程為1000 N的電動(dòng)缸和標(biāo)準(zhǔn)力傳感器，2套電動(dòng)缸以推、拉力的方式同時(shí)作用于同一力臂的兩端，產(chǎn)生所需的力矩。力源加載裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 力源加載裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of force source loading device

3 矢量推力測(cè)量影響因素試驗(yàn)分析

3.1 溫漂測(cè)量誤差影響分析

對(duì)于線性矢量六分力傳感器，輸出電壓和力值關(guān)系如式(1)所示：

C為傳感器系數(shù)矩陣，其中Cii為主系數(shù)，Cij(i≠j)為交叉干擾項(xiàng)系數(shù)；V為傳感器電壓輸出矩陣；F為傳感器力值矩陣。由于傳感器主系數(shù)的變化對(duì)于輸出力值的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于交叉干擾項(xiàng)系數(shù)的影響，因此本文主要分析環(huán)境因素對(duì)主系數(shù)矩陣變化造成的影響。

在高模試車狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火所產(chǎn)生的熱量主要以熱輻射方式對(duì)推力架、力源加載裝置、矢量力傳感器、推進(jìn)劑供應(yīng)管路、測(cè)控線纜等組件進(jìn)行熱傳遞，致使各個(gè)組件的彈性模量發(fā)生改變[8]，導(dǎo)致推力測(cè)量零位及靈敏度出現(xiàn)偏差，即為溫漂效應(yīng)。為降低溫漂影響，需要對(duì)真空艙內(nèi)矢量推力測(cè)量環(huán)節(jié)采取必要的水冷防隔熱措施，見(jiàn)圖4。

圖4 傳感器水冷隔熱罩Fig.4 Water cooled heat shield for sensor

為研究推力測(cè)量過(guò)程中的溫漂影響，并驗(yàn)證防隔熱設(shè)計(jì)是否有效，將校準(zhǔn)系統(tǒng)整體放置于高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，對(duì)其進(jìn)行不同溫度環(huán)境下的推力現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，如圖5所示。

圖5 高溫環(huán)境下的推力校準(zhǔn)Fig.5 Calibrating process for high temperature condition

在高低溫試驗(yàn)箱建立20℃、60℃、80℃溫度環(huán)境，對(duì)矢量推力測(cè)量與校準(zhǔn)系統(tǒng)在無(wú)隔熱和隔熱2種條件下進(jìn)行推力現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。當(dāng)箱內(nèi)溫度穩(wěn)定控制在設(shè)定溫度±1℃后，開展矢量推力的校準(zhǔn)工作，以獲取不同溫度下的矢量推力校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。相應(yīng)傳感器各分量的校準(zhǔn)系數(shù)見(jiàn)表1，校準(zhǔn)系數(shù)偏差按式(2)計(jì)算。

ΔC為傳感器校準(zhǔn)系數(shù)偏差；C0為傳感器常溫、常壓靜態(tài)校準(zhǔn)系數(shù)；C1為傳感器不同環(huán)境下現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)系數(shù)。

數(shù)據(jù)表明，傳感器校準(zhǔn)系數(shù)偏差隨溫度增大而增大，80℃未隔熱時(shí)最大系數(shù)偏差達(dá)到0.53%。采用水冷隔熱措施后，效果明顯，可有效降低傳感器校準(zhǔn)系數(shù)的溫漂影響。

表1 不同溫度下的校準(zhǔn)測(cè)試Table 1 Calibration tests at different temperatures

3.2 試驗(yàn)管路及線纜影響分析

氧化劑或燃料供應(yīng)管路及吹除管路、測(cè)控線纜等彈性組件安裝方式給矢量推力測(cè)量傳感器帶來(lái)一定的約束力。管路增壓、流體流動(dòng)使管路約束力呈非線性變化[9]，會(huì)帶來(lái)一定的測(cè)量不確定度。為降低此類因素的影響，系統(tǒng)采用如下技術(shù)措施：

1)試驗(yàn)管路及線纜的緊固處理。待氧化劑或燃料供應(yīng)管路及吹除管路、測(cè)控線纜與發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)接完成后，將其與推力定架進(jìn)行緊固處理，確保與推力架連接部位牢固固定，使管道彈性阻力恒定，避免發(fā)生摩擦，并確保管路走向的各個(gè)支撐點(diǎn)也牢固固定，避免彈性阻力、“負(fù)推力”大小和方向的不確定。

2)管路纏繞式設(shè)計(jì)。目前推進(jìn)劑供應(yīng)管路通常采用纏繞式結(jié)構(gòu)來(lái)增加管路柔性、降低管路剛度、減小管路約束力，但可能存在匝數(shù)過(guò)多、外形尺寸及彈性形變過(guò)大的問(wèn)題。為滿足管路“柔性＋剛性”[10]的設(shè)計(jì)要求，將推進(jìn)劑供應(yīng)管路整體走向設(shè)計(jì)成“工”字形，使氧化劑管路和燃料管路對(duì)稱于推力軸線方向布局，在發(fā)動(dòng)機(jī)入口附近將管路走向改為垂直于推力軸線方向，減小管路內(nèi)液體流動(dòng)產(chǎn)生的“負(fù)推力”影響，見(jiàn)圖6。發(fā)動(dòng)機(jī)入口管路局部采用纏繞結(jié)構(gòu)，可近似為彈簧原理[11]，使管路約束力減小，有助于提高推力測(cè)量精度。

圖6 推進(jìn)劑供應(yīng)管路設(shè)計(jì)Fig.6 Design of propellant supplying pipe

3)管路增壓下的校準(zhǔn)測(cè)試。分別對(duì)控制氣供應(yīng)管路、氧化劑供應(yīng)管路及燃料供氣管路在不增壓和3 MPa增壓條件下進(jìn)行矢量推力的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)工作，獲得不同入口壓力條件下矢量推力測(cè)量的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。通過(guò)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)管路柔性設(shè)計(jì)措施的有效性。

表2 管路增壓前后校準(zhǔn)系數(shù)Table 2 Calibration coefficients before and after pipe pressurization

測(cè)試數(shù)據(jù)表明：在入口管路增壓狀態(tài)下，F(xiàn)x、Fy、Fz、Mx、My、Mz各校準(zhǔn)系數(shù)均發(fā)生一定變化，對(duì)推力測(cè)量精度有顯著影響。由于試驗(yàn)產(chǎn)品型號(hào)的不同，推進(jìn)劑入口連接空間位置往往不同，在試驗(yàn)臺(tái)上的推進(jìn)劑供應(yīng)管路空間走向以及管路規(guī)格也有很大區(qū)別，不同管路增壓后對(duì)推力的測(cè)量影響隨機(jī)性較強(qiáng)，因此，在管路增壓狀態(tài)下應(yīng)開展對(duì)矢量推力測(cè)量系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)工作。

3.3 外界振動(dòng)和真空環(huán)境影響分析

真空艙系統(tǒng)的主要振源為系統(tǒng)預(yù)抽真空時(shí)機(jī)械真空泵組通過(guò)真空管路傳遞到真空艙的機(jī)械振動(dòng)和真空艙冷卻夾套內(nèi)的冷卻水流動(dòng)時(shí)的振動(dòng)。此類振動(dòng)可通過(guò)真空艙基礎(chǔ)及管路傳遞給矢量力傳感器和標(biāo)準(zhǔn)力傳感器，給推力測(cè)量和校準(zhǔn)過(guò)程帶來(lái)一定的影響。因此，需要對(duì)推力架采取必要的隔振措施。另外，推力原位校準(zhǔn)系數(shù)通常在常壓環(huán)境下獲取，真空環(huán)境對(duì)其是否影響，鮮有文獻(xiàn)提及。基于以上考慮，開展驗(yàn)證工作。

3.3.1 推力架隔振效果測(cè)試

由于真空艙基礎(chǔ)與推力架剛性連接，為降低真空艙振動(dòng)的影響，在推力架與真空艙基礎(chǔ)的連接環(huán)節(jié)處增加隔振器[12]，見(jiàn)圖7。隔振器為上海夏松公司生產(chǎn)的BE-40，單個(gè)隔振器額定載荷為40 kg，剛度為157753 N/m，在額定載荷下的固有頻率為10 Hz。

圖7 隔振器布局示意Fig.7 Schematic diagram of vibration isolator layout

由于發(fā)動(dòng)機(jī)入口管路振動(dòng)使其約束力呈非線性變化，需要將入口管路與推力定架緊固后再接入發(fā)動(dòng)機(jī)，減小入口管路的振動(dòng)影響。

為驗(yàn)證上述措施的有效性，分別對(duì)主推力Fy的零位測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，未隔振前，系統(tǒng)噪聲平均為2.95 N，而采用單級(jí)隔振裝置后，系統(tǒng)噪聲降低到1.5 N，系統(tǒng)噪聲降低49%，表明隔振措施是有效的。推力架采用的隔振方式為被動(dòng)隔振，要進(jìn)一步降低振動(dòng)對(duì)推力測(cè)量帶來(lái)的影響，還需要對(duì)系統(tǒng)振源進(jìn)行有效控制，這將是下一步研究的重點(diǎn)。

3.3.2 真空環(huán)境校準(zhǔn)測(cè)試

分別在常壓靜態(tài)、50 kPa、1 kPa、100 Pa 抽真空環(huán)境下對(duì)矢量力測(cè)量傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，推力架采用隔振器，獲取相應(yīng)的校準(zhǔn)系數(shù)，見(jiàn)表3。數(shù)據(jù)表明，真空艙內(nèi)氣壓環(huán)境對(duì)Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz校準(zhǔn)系數(shù)影響較小，同時(shí)表明真空艙隔振措施有效，可將外界振動(dòng)干擾影響降至最低。

表3 不同真空環(huán)境下的校準(zhǔn)系數(shù)Table 3 Calibration coefficients in different vacuum environments

4 結(jié)論

本文建立了一套矢量力現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，提出了一種遠(yuǎn)程自動(dòng)精確矢量推力的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法，通過(guò)試驗(yàn)得出如下結(jié)論：

1)推力校準(zhǔn)系數(shù)受發(fā)動(dòng)機(jī)熱輻射影響明顯，通過(guò)對(duì)推力測(cè)量傳感器及校準(zhǔn)系統(tǒng)采取水冷隔熱措施，將溫漂效應(yīng)所產(chǎn)生的校準(zhǔn)系數(shù)最大偏差由0.53%降低至0.22%；

2)試驗(yàn)管路及線纜對(duì)推力校準(zhǔn)系數(shù)影響明顯，除采用緊固、纏繞式等優(yōu)化管路及線纜的安裝設(shè)計(jì)外，還應(yīng)開展管路增壓狀態(tài)下的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)工作，測(cè)試結(jié)果表明管路增壓對(duì)Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz校準(zhǔn)系數(shù)均產(chǎn)生了一定的影響，最大影響量達(dá)到了4.45%；

3)系統(tǒng)隔振措施有效，減振后系統(tǒng)噪聲降低49%。 真空艙環(huán)境對(duì)Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz校準(zhǔn)系數(shù)影響較小，可忽略其影響。