李志勛，王宏亮，趙 曙，劉麗寧

(西安航天動力試驗技術(shù)研究所，西安710100)

1 引言

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

美國20世紀(jì)60年代開始使用六分力試車臺對配置推力矢量控制機(jī)構(gòu)的發(fā)動機(jī)進(jìn)行試驗測量[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]。國外對于火箭發(fā)動機(jī)矢量推力測量技術(shù)的公開論文較少。

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

近年來，為適應(yīng)復(fù)雜飛行環(huán)境及深空探測任務(wù)的發(fā)展需要，國內(nèi)建立一系列的液體軌控發(fā)動機(jī)高空模擬試驗條件，逐步將真空矢量推力測量任務(wù)納入常態(tài)化試驗需求。在高空模擬試驗過程中，受發(fā)動機(jī)、推進(jìn)劑供應(yīng)管路及測控線纜的安裝狀態(tài)、點火熱輻射、真空艙氣壓環(huán)境及外界振動等影響，矢量力傳感器實驗室校準(zhǔn)狀態(tài)與試驗現(xiàn)場不一致，引起傳感器校準(zhǔn)系數(shù)偏差，給矢量推力的測量帶來一定不確定性，直接影響到發(fā)動機(jī)設(shè)計性能的評估。目前，國內(nèi)外對于液體發(fā)動機(jī)矢量推力測量現(xiàn)場原位校準(zhǔn)技術(shù)鮮有報道，該技術(shù)研究處于起步階段。

為減少試驗系統(tǒng)相關(guān)環(huán)節(jié)對矢量推力測量不確定度所造成的影響，需要對矢量力傳感器開展高模試驗狀態(tài)下的現(xiàn)場校準(zhǔn)研究工作。結(jié)合某型號液體軌控發(fā)動機(jī)研制任務(wù)需求，本文建立一套矢量力現(xiàn)場校準(zhǔn)系統(tǒng)，提出一種遠(yuǎn)程自動精確矢量推力的現(xiàn)場校準(zhǔn)方法，對矢量力傳感器進(jìn)行不同試驗環(huán)境下的現(xiàn)場原位校準(zhǔn)，分析試驗系統(tǒng)相關(guān)環(huán)節(jié)對矢量推力校準(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)動機(jī)試驗推力架上，通過力源加載裝置對矢量力傳感器加載不同的力源載荷，模擬發(fā)動機(jī)推力產(chǎn)生過程，實現(xiàn)對矢量力測量傳感器的現(xiàn)場校準(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)采集儀實時監(jiān)測力源加載值，加載過程采用主控計算機(jī)＋PLC控制器＋驅(qū)動裝置的方式控制，最終通過力源加載轉(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)程自動加載力源的問題。主控計算機(jī)放置于遠(yuǎn)端測控中心，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)定程序控制電動缸進(jìn)行力源加載(圖2)，加載檔位不少于33檔，每檔駐點時間可調(diào)(最長10 s)。

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

矢量推力測量系統(tǒng)采用四柱式六分力傳感器，其測量量程為：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)測量傳感器量程，要求現(xiàn)場校準(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)量程的電動缸及標(biāo)準(zhǔn)力傳感器，對于Fx、Fy、Fz各配置一套電動缸＋標(biāo)準(zhǔn)力傳感器，其中Fx、Fz所用的電動缸及標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的量程均為1000 N，F(xiàn)y所用的電動缸及標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的量程為 10000 N。 對于Mx、My、Mz，各配置 2 套量程為1000 N的電動缸和標(biāo)準(zhǔn)力傳感器，2套電動缸以推、拉力的方式同時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 矢量推力測量影響因素試驗分析

3.1 溫漂測量誤差影響分析

對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)的變化對于輸出力值的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于交叉干擾項系數(shù)的影響，因此本文主要分析環(huán)境因素對主系數(shù)矩陣變化造成的影響。

在高模試車狀態(tài)下，發(fā)動機(jī)點火所產(chǎn)生的熱量主要以熱輻射方式對推力架、力源加載裝置、矢量力傳感器、推進(jìn)劑供應(yīng)管路、測控線纜等組件進(jìn)行熱傳遞，致使各個組件的彈性模量發(fā)生改變[8]，導(dǎo)致推力測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，需要對真空艙內(nèi)矢量推力測量環(huán)節(jié)采取必要的水冷防隔熱措施，見圖4。

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

為研究推力測量過程中的溫漂影響，并驗證防隔熱設(shè)計是否有效，將校準(zhǔn)系統(tǒng)整體放置于高低溫試驗箱內(nèi)，對其進(jìn)行不同溫度環(huán)境下的推力現(xiàn)場校準(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

在高低溫試驗箱建立20℃、60℃、80℃溫度環(huán)境，對矢量推力測量與校準(zhǔn)系統(tǒng)在無隔熱和隔熱2種條件下進(jìn)行推力現(xiàn)場校準(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)見表1，校準(zhǔn)系數(shù)偏差按式(2)計算。

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)測試Table 1 Calibration tests at different temperatures

3.2 試驗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、測控線纜等彈性組件安裝方式給矢量推力測量傳感器帶來一定的約束力。管路增壓、流體流動使管路約束力呈非線性變化[9]，會帶來一定的測量不確定度。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、測控線纜與發(fā)動機(jī)對接完成后，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支撐點也牢固固定，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。目前推進(jìn)劑供應(yīng)管路通常采用纏繞式結(jié)構(gòu)來增加管路柔性、降低管路剛度、減小管路約束力，但可能存在匝數(shù)過多、外形尺寸及彈性形變過大的問題。為滿足管路“柔性＋剛性”[10]的設(shè)計要求，將推進(jìn)劑供應(yīng)管路整體走向設(shè)計成“工”字形，使氧化劑管路和燃料管路對稱于推力軸線方向布局，在發(fā)動機(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)液體流動產(chǎn)生的“負(fù)推力”影響，見圖6。發(fā)動機(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，有助于提高推力測量精度。

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

3)管路增壓下的校準(zhǔn)測試。分別對控制氣供應(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)場校準(zhǔn)工作，獲得不同入口壓力條件下矢量推力測量的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，見表2。通過校準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析評價管路柔性設(shè)計措施的有效性。

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，對推力測量精度有顯著影響。由于試驗產(chǎn)品型號的不同，推進(jìn)劑入口連接空間位置往往不同，在試驗臺上的推進(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，不同管路增壓后對推力的測量影響隨機(jī)性較強(qiáng)，因此，在管路增壓狀態(tài)下應(yīng)開展對矢量推力測量系統(tǒng)的現(xiàn)場校準(zhǔn)工作。

3.3 外界振動和真空環(huán)境影響分析

真空艙系統(tǒng)的主要振源為系統(tǒng)預(yù)抽真空時機(jī)械真空泵組通過真空管路傳遞到真空艙的機(jī)械振動和真空艙冷卻夾套內(nèi)的冷卻水流動時的振動。此類振動可通過真空艙基礎(chǔ)及管路傳遞給矢量力傳感器和標(biāo)準(zhǔn)力傳感器，給推力測量和校準(zhǔn)過程帶來一定的影響。因此，需要對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)境對其是否影響，鮮有文獻(xiàn)提及?；谝陨峡紤]，開展驗證工作。

3.3.1 推力架隔振效果測試

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]，見圖7。隔振器為上海夏松公司生產(chǎn)的BE-40，單個隔振器額定載荷為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)動機(jī)入口管路振動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)動機(jī)，減小入口管路的振動影響。

為驗證上述措施的有效性，分別對主推力Fy的零位測量數(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隔振，要進(jìn)一步降低振動對推力測量帶來的影響，還需要對系統(tǒng)振源進(jìn)行有效控制，這將是下一步研究的重點。

3.3.2 真空環(huán)境校準(zhǔn)測試

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

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)場校準(zhǔn)系統(tǒng)，提出了一種遠(yuǎn)程自動精確矢量推力的現(xiàn)場校準(zhǔn)方法，通過試驗得出如下結(jié)論：

1)推力校準(zhǔn)系數(shù)受發(fā)動機(jī)熱輻射影響明顯，通過對推力測量傳感器及校準(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)試驗管路及線纜對推力校準(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)計外，還應(yīng)開展管路增壓狀態(tài)下的現(xiàn)場校準(zhǔn)工作，測試結(jié)果表明管路增壓對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Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz校準(zhǔn)系數(shù)影響較小，可忽略其影響。