[发明专利]一种用于火箭发动机推力矢量标定的旋转标定法

摘要

本发明提供了一种用于火箭发动机推力矢量标定的旋转标定法，属于压电传感器测量技术领域。该方法从测力仪的结构原理入手，首先搭建矢量力测试系统，并对其进行误差源的分析，通过采用线性标定法求出所需计算的标定矩阵，建立标定精度对耦合系数的敏感度分析模型，得出主向对侧向的干扰系数是影响测试精度的最重要因素；然后通过对力矢量偏移量的标定系统进行误差分析来探求主向对侧向力产生干扰的机理；建立了标定杆与球面垫圈与锥面垫圈的接触力的数学模型，得出了主向标定时侧向力呈椭圆的几何分布；最后针对椭圆分布的周期性特点，基于匀化误差的思想，根据所提出的旋转标定法对火箭发动机推力矢量进行标定。

主权项

1.一种用于火箭发动机推力矢量标定的旋转标定法，其特征在于，所述的旋转标定法用的标定装置以力矢量偏移量的标定平台作为核心，包括液压加载力源发生装置、力矢量偏移量的标定平台、电荷放大器、数据采集卡、计算机及控制模块；将与标定杆相连的球面垫圈的中心孔改为偏心孔，使球面垫圈的偏心孔处于不同的加载位置；装配时，标定架(7)用螺栓固定在底座上，连接法兰(6)通过螺栓连接在标定架(7)的左侧，压电测力仪(5)通过螺栓和连接法兰(6)相连接，转接法兰(1)通过螺栓和压电测力仪(5)的左端相连接；自动定心装置由球形塞(3)、锥形套(4)和六角螺母(2)组成，球形塞(3)和锥形套(4)为球面副连接，起到自动定心的作用，六角螺母(2)起预紧连接的作用；自动定心装置通过后端拉杆(8)和标准力传感器(9)的左端相连接；液压加载装置(11)通过前端拉杆(10)和标准力传感器(9)的右端相连接，液压加载装置(11)的液压缸缸体通过螺栓与标定架(7)的右侧相连接；液压加载装置(11)与标定平台装配完毕后，将压电测力仪(5)的传感器与电荷放大器用导线连接，然后通过采集卡将电荷放大器与计算机连接成一体；标定装置搭建完毕后，对电荷放大器进行预热及对标定系统进行预加载，然后通过液压加载装置(11)给压电测力仪(5)施加外力，利用压电传感器的力电转换功能，将作用于压电测力仪(5)的外力信号转换为电信号，然后将压电传感器输出的微小电荷量经电荷放大器处理，再经数据采集卡的A/D转换传输到计算机中，最后，利用基于深信度网络的算法将采集到的数据进行标定处理；步骤如下：第一步：建立标定精度对耦合系数的敏感度分析模型采用四个三向力传感器正方形布置形式的推力矢量标定系统来实现三向正交力的加载，设定X向加载为主向加载力，Y向加载和Z向加载均为侧向加载力，完成对发动机推力矢量的线性标定，根据各三向力传感器的加载输出，建立力向量与电压向量的关系：F＝AU+b其中，A＝(A_ij)_6×6为标定矩阵；当i＝j时，A_ij为自相关影响系数；当i≠j时，A_ij为向间干扰系数；F＝(F_x1,F_x2,F_x3,F_x4,F_y,F_z)^T为三维力向量；为力作用下电压信号的输出；b＝(b_ij)_6×1为标定截距向量；根据所建立的力向量与电压向量的关系，分析自相关影响系数与各加载方向灵敏度相关，数值相对稳定，对结果影响小；在主侧大量程比的加载力情况下，向间干扰系数和干扰力相关，大量程的主向加载力对侧向加载力产生严重干扰；以侧向加载力F_y为研究对象，假设标定系数A_ij变化ΔA_ij，那么Y向ΔF_y为：忽略高阶无穷小O(ΔA_ij)，则为主要因素，并假设侧向对4个主向的干扰系数相同，则敏感度分析模型如下所示：其中，S_yxi(U_xi),S_yy(U_y),S_yz(U_z)分别表示Y向加载力对X，Y，Z向的干扰系数敏感度；第二步：建立球面垫圈与锥面垫圈的接触力的数学模型设锥面垫圈半径为R，球面垫圈半径也为R；锥形垫圈刚度远大于球面垫圈，接触力F_s的作用点为球面垫圈与锥形垫圈壁的接触点A，那么锥面垫圈与球面垫圈在弧BAC产生F_s，B、C为受力后球面垫圈表面与锥形垫圈表面的交点；设OO₂和Z轴夹角为θ₂，O₂O'₂和Z轴夹角为θ₁，受力前锥形垫圈中心为O，受力后标定杆旋转不同角度时其中心分别为O₂和O'₂；基于坐标原理，标定杆中心与锥面垫圈中心向量为标定杆与锥形垫圈壁的变形Δx为设F_s与Z轴的夹角为λ，λ随不同象限中O′₂坐标变化而变化，λ与O′₂坐标关系式如下：基于胡克定律，锥面垫圈与球面垫圈的接触刚度为k，y向和z向在接触面上的接触力F_sy和F_sz为：以下分析接触力F_ty和F_tz，球面垫圈和锥面垫圈在接触面变形Δx和实际变形Δx_t有以下等式关系，假设F_t指向O₃，且在接触时O₂、O′₂、O₃、A_i在同一平面内，在YOZ面内，实际接触力F_t与接触面接触力F_s方向相同，那么实际挤压力F_ty、F_tz为：则挤压力误差F_ty、F_tz就是Y、Z向的标定误差F_ye2、F_ze2；由于标定误差F_ye2、F_ze2为一个标准的椭圆域，当对主向加载力进行标定时，且当标定杆偏斜ρ足够小被忽略，输出力值F_y、F_z呈一个中心为[F_ze1,F_ye1]为中心的椭圆分布；第三步：基于旋转标定法对火箭发动机推力矢量的标定在发动机推力矢量不同工位的标定过程中，存在着测量系统固有误差、标定误差及旋转误差；为降低测量系统误差，消除标定系统误差，提高测试精度，易于分离和补偿误差；将标定传感器和标定杆同步旋转度，以此得到N个工位，然后进行标定加载实验，并对标定力加载时的损失与偏移机理进行探究，最后将N个工位的实验结果通过理论解算来消除标定系统误差，分离出了测量固有误差；设标定杆和侧壁挤压力满足胡克定律，标定杆与侧壁的接触刚度为k，第i工位标定误差力为：基于第i工位标定误差力当转动N个工位时，误差力总误差为F_ty为：由于每个工位转动度，其直接影响是否能消除，因此确定N十分关键；若采用4工位加载，即N＝4，忽略高阶无穷小，则：由于F_ty＝F_ye2，测试总力则：其中，分别为Y向平均受力值，Y向平均力的测量系统固有误差，Y向力平均标定误差。