真空羽流氣動力測量系統(tǒng)及測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種真空羽流氣動力測量系統(tǒng)及測量方法。真空羽流氣動力測量系統(tǒng)包括真空艙、發(fā)動機、測力模型、羽流保護罩、位移機構(gòu)、安裝基座以及六分量天平測力系統(tǒng)。本發(fā)明使用小量程六分量天平作為測力元件進行真空羽流氣動力的直接測量，測量結(jié)果更加準確；本發(fā)明針對發(fā)動機真空羽流高溫高速的特點，使用硬鋁作為材料設(shè)計測力模型和羽流保護罩，避免測力模型和六分量天平受到破壞；本發(fā)明使用位移機構(gòu)帶動六分量天平和測力模型掃描羽流場，可以在一次關(guān)艙實驗進行多個工況、多個位置的氣動力測量。真空羽流氣動力測量方法的步驟為：校準六分量天平；計算六分量天平工作公式；安裝實驗設(shè)備；開展實驗；數(shù)據(jù)處理。
【專利說明】真空羽流氣動力測量系統(tǒng)及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氣動力測量系統(tǒng)及測量方法，特別涉及在真空條件下測量真空羽流氣動力的測量系統(tǒng)及測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]衛(wèi)星、飛船和空間站等航天器上大量使用姿軌控發(fā)動機，這些發(fā)動機在高真空環(huán)境下工作時，其噴流會向外部環(huán)境自由膨脹形成真空羽流。許多情況下，真空羽流會撞擊航天器表面，產(chǎn)生附加的擾動力和擾動力矩，給航天器的正常運行帶來不利影響，這種擾動力和擾動力矩統(tǒng)稱為真空羽流氣動力。真空羽流氣動力帶來的不利影響通常需要其它的發(fā)動機做功來修正，而航天器所能攜帶的推進劑是有限的，因此真空羽流氣動力會額外增加推進劑的消耗，降低航天器的壽命，嚴重時甚至導致航天器的失效。
[0003]真空羽流氣動力的測量方法包括空間搭載測量和地面模擬測量。空間搭載測量是在航天器的實際運行中通過測量軌道偏移或軌道修正等方式計算得到真空羽流氣動力，獲得的數(shù)據(jù)真實可靠，但測量成本高、周期長、次數(shù)少，且測量數(shù)據(jù)有限。地面模擬測量是通過建設(shè)地面設(shè)備模擬真空條件下的冷黑環(huán)境，在地面模擬設(shè)備中使用真實發(fā)動機或模擬發(fā)動機進行點火實驗，模擬發(fā)動機的真實工況，測量發(fā)動機的真空羽流氣動力。雖然地面模擬測量的環(huán)境與空間搭載測量有一定偏差，但測量成本低，可根據(jù)需要進行不同工況和不同狀態(tài)的測量，更適合進行工程分析和科學研究。
[0004]傳統(tǒng)的氣動力測量方法是在測力模型表面鉆取很多測壓孔，通過測壓管連接壓強傳感器，獲得測壓孔的壓強數(shù)據(jù)，再積分得到整個測力模型所受的氣動力。由于測壓孔是離散的，因此獲得的壓強數(shù)據(jù)也是離散的，無法得到孔間隔處準確的壓強信息，導致積分得到的氣動力產(chǎn)生不可避免的誤差；若鉆取大量的測壓孔，則需要大量的管路、傳感器、線纜等，時間和經(jīng)濟成本高昂。
[0005]由于地面模擬設(shè)備建設(shè)投資大，國內(nèi)對于真空羽流氣動力的研究大多是在理論分析和數(shù)值仿真層面，進行的有限的實驗研究也因為地面模擬設(shè)備真空能力的不足而無法更加真實地獲得真空羽流氣動力的數(shù)據(jù)。2007年國防科工局立項、北京航空航天大學投建的真空羽流效應實驗系統(tǒng)，是國內(nèi)首座專門用于羽流效應實驗研究的大型地面模擬系統(tǒng)。目前，國內(nèi)尚無專門針對大型真空羽流效應實驗系統(tǒng)的氣動力測量系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明是為大型真空羽流效應實驗系統(tǒng)提供一種真空羽流氣動力測量系統(tǒng)及測量方法，能夠直接、準確測量小推力發(fā)動機的真空羽流對測力模型產(chǎn)生的真空羽流氣動力。
[0007]真空羽流氣動力測量系統(tǒng)包括真空艙、發(fā)動機、測力模型、羽流保護罩、位移機構(gòu)、安裝基座以及六分量天平測力系統(tǒng)。
[0008]所述的六分量天平測力系統(tǒng)包括六分量天平、艙內(nèi)供電線纜、供電線纜穿艙法蘭、艙外供電線纜、直流穩(wěn)壓電源、艙內(nèi)信號線纜、信號轉(zhuǎn)換模塊、信號線纜穿艙法蘭、艙外信號線纜以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
[0009]所述的發(fā)動機和位移機構(gòu)均安裝固定于真空艙中，安裝基座固定于位移機構(gòu)上，六分量天平尾部固定于安裝基座，頭部安裝羽流保護罩，羽流保護罩上固定測力模型；六分量天平通過艙內(nèi)供電線纜連接供電線纜穿艙法蘭上的航空插座，再經(jīng)艙外供電線纜連接至置于真空艙外的直流穩(wěn)壓電源，由直流穩(wěn)壓電源供電；六分量天平的信號輸出先經(jīng)艙內(nèi)信號線纜連接至信號轉(zhuǎn)換模塊，將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，信號轉(zhuǎn)換模塊通過艙內(nèi)信號線纜連接至信號線纜穿艙法蘭，再經(jīng)艙外信號線纜連接至置于真空艙外的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進行測力信號的采集與保存。
[0010]所述的六分量天平量程為:軸向力5N，側(cè)向力5N，法向力5N，滾動力矩2N.m，俯仰力矩5Ν.m，擺動力矩10Ν.m，此量程適合于真空羽流實驗所用的小發(fā)動機的真空羽流氣動力測量。
[0011]所述的測力模型選用硬鋁為材料，硬鋁的密度低、導熱性好，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計控制其質(zhì)量小于150g，避免對六分量天平產(chǎn)生過大的預載荷，并能有效地降低測力模型被高溫高速羽流破壞的可能。
[0012]所述的羽流保護罩為一端開放的圓筒式結(jié)構(gòu)，選用硬鋁為材料，將六分量天平固定于圓筒的空腔，避免受到高溫高速羽流的破壞，同時，羽流保護罩還作為六分量天平和測力模型的連接件。
[0013]真空羽流氣動力測量方法，包括以下幾個步驟:
[0014](I)校準六分量天平；
[0015](2)計算六分量天平工作公式；
[0016](3)安裝實驗設(shè)備；
[0017](4)開展實驗；
[0018](5)數(shù)據(jù)處理。
[0019]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0020](I)使用小量程六分量天平作為測力元件進行真空羽流氣動力的直接測量，避免通過壓強積分方法造成的誤差，并能更加準確地測量真空羽流實驗所用的小推力發(fā)動機產(chǎn)生的真空羽流氣動力；
[0021](2)針對發(fā)動機羽流高溫高速的特點，設(shè)計羽流保護罩保護六分量天平，避免羽流對六分量天平造成損害；
[0022](3)針對大型真空羽流效應實驗系統(tǒng)信號線纜較長的情況，將信號轉(zhuǎn)換模塊置于真空艙內(nèi)距離六分量天平較近的位置，通過信號轉(zhuǎn)換模塊將六分量天平輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，避免測力信號在傳輸過程中衰減；
[0023](4)使用位移機構(gòu)帶動六分量天平和測力模型掃描羽流流場，可以在一次關(guān)艙實驗進行多個工況、多個位置的氣動力測量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1:本發(fā)明中真空羽流氣動力測量系統(tǒng)連接關(guān)系示意圖。
[0025]圖中:
[0026]1-真空艙2-發(fā)動機3-測力模型[0027]4-羽流保護罩5-位移機構(gòu)501安裝基座
[0028]600-六分量天平測力系統(tǒng) 601-六分量天平602-艙內(nèi)供電線纜
[0029]603-供電線纜穿艙法蘭604-艙外供電線纜605-直流穩(wěn)壓電源
[0030]606-艙內(nèi)信號線纜607-信號轉(zhuǎn)換模塊608-艙內(nèi)信號線纜
[0031]609-信號線纜穿艙法蘭610-艙外信號線纜611-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
【具體實施方式】
[0032]下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0033]本發(fā)明是一種真空羽流氣動力測量系統(tǒng)及測量方法。
[0034]本發(fā)明的真空羽流氣動力測量系統(tǒng)如圖1所示，包括真空艙1、發(fā)動機2、測力模型
3、羽流保護罩4、位移機構(gòu)5、安裝基座501以及六分量天平測力系統(tǒng)600。
[0035]所述的六分量天平測力系統(tǒng)600包括六分量天平601、艙內(nèi)供電線纜602、供電線纜穿艙法蘭603、艙外供電線纜604、直流穩(wěn)壓電源605、艙內(nèi)信號線纜606、信號轉(zhuǎn)換模塊607、艙內(nèi)信號線纜60 8、信號線纜穿艙法蘭609、艙外信號線纜610以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)611。
[0036]所述的發(fā)動機2和位移機構(gòu)5均安裝固定于真空艙I中，安裝基座501固定于位移機構(gòu)5上，六分量天平601尾部固定于安裝基座501，頭部安裝羽流保護罩4，羽流保護罩4上固定測力模型3 ;六分量天平601通過艙內(nèi)供電線纜602連接供電線纜穿艙法蘭603上的航空插座，再經(jīng)艙外供電線纜604連接至置于真空艙I外的直流穩(wěn)壓電源605，由直流穩(wěn)壓電源供電；六分量天平601的信號輸出先經(jīng)艙內(nèi)信號線纜606連接至信號轉(zhuǎn)換模塊607，將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，信號轉(zhuǎn)換模塊607通過艙內(nèi)信號線纜608連接至信號線纜穿艙法蘭609，再經(jīng)艙外信號線纜610連接至置于真空艙外的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)611，進行測力信號的采集與保存。
[0037]所述的六分量天平601量程為:軸向力5N，側(cè)向力5N，法向力5N，滾動力矩2N *m,俯仰力矩5N.πι，擺動力矩ΙΟΝ.πι，此量程適合于真空羽流實驗所用的小發(fā)動機的真空羽流氣動力測量。
[0038]所述的測力模型3選用硬鋁為材料，硬鋁的密度低、導熱性好，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計控制其質(zhì)量小于150g，避免對六分量天平601產(chǎn)生過大的預載荷，并能有效地降低測力模型3被高溫高速羽流破壞的可能。
[0039]所述的羽流保護罩4為一端開放的圓筒式結(jié)構(gòu)，選用硬鋁為材料，將六分量天平601固定于圓筒的空腔，避免受到高溫高速羽流的破壞，同時，羽流保護罩4還作為六分量天平601和測力模型3的連接件。
[0040]本發(fā)明的真空羽流氣動力測量方法，具體包括以下幾個步驟:
[0041](I)校準六分量天平:先進行單分量加載，將天平各分量的校準載荷分成7個以上等間距加載點，進行等階梯加載與卸載，各重復3次；再進行二分量組合加載，將天平一個分量加載到它的設(shè)計量程的70%，再將天平另一個分量的校準載荷分成7個以上等間距加載點，進行等階梯加載與卸載，各重復3次；
[0042](2)計算六分量天平工作公式:對校準數(shù)據(jù)進行處理，利用最小二乘法，得到六分量天平的工作公式；
[0043](3)安裝實驗設(shè)備:將各實驗設(shè)備按照圖1所示的連接關(guān)系進行安裝和連接，校準并測量發(fā)動機和測力模型的空間相對位置；
[0044](4)開展實驗:待真空艙I達到實驗所需真空度時，進行發(fā)動機2的點火實驗，通過改變發(fā)動機2的工質(zhì)供應參數(shù)，或操作位移機構(gòu)5改變測力模型3的空間位置，采集不同工況、不同位置時六分量天平的輸出數(shù)據(jù)；
[0045](5)數(shù)據(jù)處理:利用六分量天平的工作公式對輸出數(shù)據(jù)進行處理，得到測力模型3所受的氣動力。
【權(quán)利要求】
1.真空羽流氣動力測量系統(tǒng)，包括真空艙1、發(fā)動機2、測力模型3、羽流保護罩4、位移機構(gòu)5、安裝基座501以及六分量天平測力系統(tǒng)600 ； 所述的六分量天平測力系統(tǒng)600包括六分量天平601、艙內(nèi)供電線纜602、供電線纜穿艙法蘭603、艙外供電線纜604、直流穩(wěn)壓電源605、艙內(nèi)信號線纜606、信號轉(zhuǎn)換模塊607、艙內(nèi)信號線纜608、信號線纜穿艙法蘭609、艙外信號線纜610以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)611 ； 所述的發(fā)動機2和位移機構(gòu)5均安裝固定于真空艙I中，安裝基座501固定于位移機構(gòu)5上，六分量天平601尾部固定于安裝基座501，頭部安裝羽流保護罩4，羽流保護罩4上固定測力模型3 ;六分量天平601通過艙內(nèi)供電線纜602連接供電線纜穿艙法蘭603上的航空插座，再經(jīng)艙外供電線纜604連接至置于真空艙I外的直流穩(wěn)壓電源605，由直流穩(wěn)壓電源供電；六分量天平601的信號輸出先經(jīng)艙內(nèi)信號線纜606連接至信號轉(zhuǎn)換模塊607，將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，信號轉(zhuǎn)換模塊607通過艙內(nèi)信號線纜608連接至信號線纜穿艙法蘭609，再經(jīng)艙外信號線纜610連接至置于真空艙外的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)611，進行測力信號的采集與保存。
2.如權(quán)利要求1所述的六分量天平601量程為:軸向力5N，側(cè)向力5N，法向力5N，滾動力矩2N.m,俯仰力矩5N.m,擺動力矩ION.m ;如權(quán)利要求1所述的測力模型3選用硬鋁為材料，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計控制其質(zhì)量小于150g ;如權(quán)利要求1所述的羽流保護罩4為一端開放的圓筒式結(jié)構(gòu)，選用硬鋁為材料，將六分量天平601固定于圓筒的空腔，同時羽流保護罩4還作為六分量天平601和測力模型3的連接件。
3.真空羽流氣動力測量方法，包括以下幾個步驟: (1)校準六分量天平； (2)計算六分量天平工作公式； (3)安裝實驗設(shè)備； (4)開展實驗； (5)數(shù)據(jù)處理。
【文檔編號】G01M9/00GK103616154SQ201310627429
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】翁惠焱, 吳靖, 凌桂龍, 蔡國飆, 王文龍 申請人:北京航空航天大學