本發(fā)明屬于測(cè)試與試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種用于飛行器舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的模擬測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
在航空航天領(lǐng)域，航天飛行器在保證正常的飛行狀態(tài)的同時(shí)，還必須承受空間環(huán)境的惡劣的溫度環(huán)境，在穿越大氣層和返回再入的過(guò)程中，要經(jīng)歷上千度的高溫和急速的溫度變化，最高可至1800℃。所以在飛行器研究與設(shè)計(jì)過(guò)程中，可靠有效地地面模擬溫度試驗(yàn)是必須的。針對(duì)舵操縱系統(tǒng)，在外部熱防護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)下，載人座艙內(nèi)溫控要求一般為25～32℃，而外部的機(jī)載設(shè)備和其它設(shè)備的要求相對(duì)較低，一般為-50～50℃?？紤]到設(shè)計(jì)的可靠性，需要測(cè)試的溫度范圍為-100～100℃。
目前應(yīng)用于飛行器地面環(huán)境的測(cè)試系統(tǒng)，有大型環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)和小型試驗(yàn)箱模擬系統(tǒng)。大型環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，如文獻(xiàn)《NASA-N77-17499》中介紹的美國(guó)麥金利氣候試驗(yàn)室，主實(shí)驗(yàn)室總體積9.3×104m3，可進(jìn)行大型軍民整機(jī)的各種類(lèi)型氣候試驗(yàn)，但是造價(jià)十分昂貴，試驗(yàn)成本較高。小型試驗(yàn)箱模擬系統(tǒng)，如專(zhuān)利CN103341375A“高低溫環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)”，專(zhuān)利CN104670523A“一種高低溫環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備”,均采用固定試驗(yàn)的箱體密封式結(jié)構(gòu)，無(wú)法滿(mǎn)足機(jī)體測(cè)試時(shí)舵面的運(yùn)動(dòng)需求；若采用固定的箱式結(jié)構(gòu)，在安裝外部加載測(cè)試裝置與傳感器時(shí)存在諸多不便；若安裝在試驗(yàn)箱內(nèi)部，對(duì)傳感器及裝置提出更高要求，相對(duì)成本較高；若安裝在試驗(yàn)箱外部，不能滿(mǎn)足復(fù)雜的測(cè)試試驗(yàn)的要求。
專(zhuān)利CN102091663中公開(kāi)了一種“柔性的可變?nèi)莘e的高低溫試驗(yàn)箱”,利用外部驅(qū)動(dòng)與柔性材料結(jié)合，實(shí)現(xiàn)可變?nèi)莘e，但是溫度范圍限制為-50℃～50℃，并采用了蒸發(fā)、噴淋結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的裝置，占用空間大，成本高，無(wú)法應(yīng)用在小型化的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。在專(zhuān)利CN103691500中提出了“一種受控柔性腔體高低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)”對(duì)上述裝置進(jìn)行了改進(jìn)，由氮?dú)庠谙到y(tǒng)內(nèi)進(jìn)行循環(huán)進(jìn)行環(huán)境溫度的控制，但是由于采用了升降臺(tái)裝置，只能實(shí)現(xiàn)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，不適應(yīng)舵面運(yùn)動(dòng)測(cè)試的復(fù)雜測(cè)試環(huán)境。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了避免現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，克服傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足在高低溫模擬環(huán)境下進(jìn)行舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的測(cè)試需求；本發(fā)明提出一種用于飛行器舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的模擬測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:包括上位計(jì)算機(jī)、測(cè)控機(jī)柜、汽化器、冷源閥、液氮瓶、汽化調(diào)節(jié)閥、循環(huán)風(fēng)機(jī)、通氣閥、回收氣站、氣體調(diào)節(jié)閥、電加熱裝置、氮?dú)庹{(diào)節(jié)閥、干燥過(guò)濾器、入口靜壓腔、絕熱試驗(yàn)腔、熱電阻傳感器、加載裝置、加載基座、直滑式位移傳感器、密封裝置、被測(cè)舵機(jī)、被測(cè)舵面、出口靜壓腔、排氣閥、排氣頭、入口壓差傳感器、出口壓差傳感器、位移傳感器、拉壓力傳感器、舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于所述被測(cè)舵機(jī)與被測(cè)舵面通過(guò)舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)連接安裝在絕熱試驗(yàn)腔內(nèi)，被測(cè)舵面下面連接有加載連桿,加載連桿穿過(guò)安裝在絕熱試驗(yàn)腔體上的密封裝置與加載裝置連接，加載裝置上安裝有直滑式位移傳感器和拉壓力傳感器，加載裝置安裝在加載基座；液氮瓶通過(guò)冷源閥與液氮管道和汽化器相連接；汽化器與電加熱裝置通過(guò)汽化調(diào)節(jié)閥和通氣閥相連接，電加熱裝置與干燥過(guò)濾器連接；汽化器的另一管道通過(guò)汽化調(diào)節(jié)閥、低溫氮?dú)夤艿篮偷獨(dú)庹{(diào)節(jié)閥、干燥過(guò)濾器相連接；所述干燥過(guò)濾器采用不銹鋼圓柱形外殼，內(nèi)置活性炭濾芯和硅膠干燥劑，干燥過(guò)濾器與入口靜壓腔相連接；入口靜壓腔與出口靜壓腔固定在絕熱試驗(yàn)腔兩端,并在入口靜壓腔與出口靜壓腔端部分別安裝入口壓差傳感器和出口壓差傳感器,出口靜壓腔通過(guò)排氣閥與排氣頭連接；出口靜壓腔通過(guò)另一管道和氣體調(diào)節(jié)閥與回收氣站相連接；回收氣站出口與循環(huán)風(fēng)機(jī)連接并通過(guò)汽化調(diào)節(jié)閥連接在汽化器出口處；循環(huán)風(fēng)機(jī)、加載裝置及傳感器分別與測(cè)控機(jī)柜相連接,測(cè)控機(jī)柜通過(guò)總線(xiàn)與上位計(jì)算機(jī)連接。
一種采用所述用于飛行器舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的模擬測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行模擬測(cè)試的測(cè)試方法，其特征在于包括以下步驟:
步驟1.選擇測(cè)試所需的模擬環(huán)境；高溫環(huán)境模擬或低溫環(huán)境模擬；
步驟2.開(kāi)啟冷源閥門(mén)，低溫液氮進(jìn)入汽化器，調(diào)節(jié)汽化器汽化調(diào)節(jié)閥；若選擇低溫環(huán)境模擬，則關(guān)閉電加熱裝置通氣閥，調(diào)節(jié)并行管道氮?dú)庹{(diào)節(jié)閥；若選擇高溫環(huán)境模擬，則關(guān)閉并行管道氮?dú)庹{(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)電加熱裝置的通氣閥和電加熱裝置功率；
步驟3.關(guān)閉回收氣站閥門(mén)，開(kāi)啟排氣閥，排氣20～40分鐘，對(duì)絕熱試驗(yàn)腔本身的空氣進(jìn)行置換；
步驟4.關(guān)閉排氣閥，開(kāi)啟回收氣站氣體調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)機(jī)的功率,調(diào)節(jié)范圍為0.5～2KW；上位計(jì)算機(jī)檢測(cè)環(huán)境試驗(yàn)腔內(nèi)的溫度和壓強(qiáng)，目標(biāo)溫度范圍為-100～100C，正常工作時(shí)內(nèi)外壓差值為10～50Pa；等待溫度達(dá)到所設(shè)置試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)溫度，且溫場(chǎng)均勻,即溫度傳感器檢測(cè)環(huán)境溫差；
步驟5.上位計(jì)算機(jī)設(shè)定舵機(jī)控制信號(hào)，使待測(cè)舵機(jī)按照設(shè)定指令運(yùn)動(dòng)；
步驟6.上位計(jì)算機(jī)設(shè)定加載裝置加載信號(hào)，在待測(cè)舵面上施加所設(shè)定的動(dòng)態(tài)負(fù)載；
步驟7.上位計(jì)算機(jī)記錄位移傳感器，拉壓力傳感器的測(cè)試信號(hào)，繪制測(cè)試曲線(xiàn)，計(jì)算待測(cè)舵機(jī)、舵面及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。
有益效果
本發(fā)明提出的一種用于飛行器舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的模擬測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法，采用對(duì)流換熱方式對(duì)非真空絕熱試驗(yàn)腔進(jìn)行環(huán)境模擬，通過(guò)對(duì)絕熱試驗(yàn)腔和送風(fēng)方式的優(yōu)化，保證了絕熱試驗(yàn)腔溫場(chǎng)的均勻性，滿(mǎn)足飛行器舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)測(cè)試對(duì)環(huán)境模擬技術(shù)的要求，降低能耗損失；采用非真空絕熱被制成的絕熱試驗(yàn)腔，具有柔性材料與內(nèi)部彈性支撐配合，可充分配合舵面?zhèn)鲃?dòng)的運(yùn)動(dòng)需求；測(cè)試系統(tǒng)安裝在試驗(yàn)腔外部，加載連桿穿過(guò)試驗(yàn)腔外部殼體、經(jīng)密封裝置，降低了漏氣量和熱量損失，降低了測(cè)試系統(tǒng)的成本。對(duì)試驗(yàn)環(huán)境氣體進(jìn)行回收利用，節(jié)約試驗(yàn)成本。在模擬環(huán)境中對(duì)舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，可充分檢測(cè)舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的性能，提高飛行器研發(fā)和測(cè)試效率。模擬測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法也適用于其它類(lèi)型飛行器的測(cè)試需求。
附圖說(shuō)明
下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明一種用于飛行器舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的模擬測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
圖1為本發(fā)明空天飛機(jī)地面模擬測(cè)試系統(tǒng)示意圖。
圖中:
1.上位計(jì)算機(jī) 2.測(cè)控機(jī)柜 3.汽化器 4.冷源閥 5.液氮瓶 6.汽化調(diào)節(jié)閥7.循環(huán)風(fēng)機(jī) 8.通氣閥 9.回收氣站 10.氣體調(diào)節(jié)閥 11.電加熱裝置12.氮?dú)庹{(diào)節(jié)閥13.干燥過(guò)濾器 14.入口靜壓腔 15.絕熱試驗(yàn)腔 16.熱電阻傳感器 17.加載裝置18.加載基座 19.直滑式位移傳感器 20.密封裝置 21.被測(cè)舵機(jī) 22.被測(cè)舵面23.出口靜壓腔 24.排氣閥 25.排氣頭 26.入口壓差傳感器 27.出口壓差傳感器28.液氮管道 29.汽化器管道 30.高溫氮?dú)夤艿?31.低溫氮?dú)夤艿?32.回收氮?dú)夤艿?3.位移傳感器 34.拉壓力傳感器 35.舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)
具體實(shí)施方式
本實(shí)施實(shí)例是一種空天飛機(jī)地面模擬測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法。
參閱圖1,本實(shí)施實(shí)例用于飛行器舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的模擬測(cè)試系統(tǒng)，包括上位計(jì)算機(jī)1、測(cè)控機(jī)柜2、汽化器3、冷源閥4、液氮瓶5、汽化調(diào)節(jié)閥6、循環(huán)風(fēng)機(jī)7、通氣閥8、回收氣站9、氣體調(diào)節(jié)閥10、電加熱裝置11、氮?dú)庹{(diào)節(jié)閥12、干燥過(guò)濾器13、入口靜壓腔14、絕熱試驗(yàn)腔15、熱電阻傳感器16、加載裝置17、加載基座18、直滑式位移傳感器19、密封裝置20、被測(cè)舵機(jī)21、被測(cè)舵面22、出口靜壓腔23、排氣閥24、排氣頭25、入口壓差傳感器26、出口壓差傳感器27、位移傳感器33、拉壓力傳感器34、舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)35；其中，被測(cè)舵機(jī)21與被測(cè)舵面22通過(guò)舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)35連接安裝在絕熱試驗(yàn)腔15內(nèi),被測(cè)舵面22下面連接有加載連桿,加載連桿穿過(guò)安裝在絕熱試驗(yàn)腔體上的密封裝置與加載裝置17連接,加載裝置17上安裝有直滑式位移傳感器19和拉壓力傳感器34,加載裝置17安裝在加載基座18。液氮瓶5通過(guò)冷源閥4與液氮管道28和汽化器3相連接；汽化器3與電加熱裝置11通過(guò)汽化調(diào)節(jié)閥6和通氣閥8相連接，電加熱裝置11與干燥過(guò)濾器13相連接；汽化器3的另一管道通過(guò)汽化調(diào)節(jié)閥6、低溫氮?dú)夤艿?1和氮?dú)庹{(diào)節(jié)閥12干燥過(guò)濾器13相連接。干燥過(guò)濾器13采用不銹鋼圓柱形外殼，內(nèi)置活性炭濾芯和硅膠干燥劑，干燥過(guò)濾器13與入口靜壓腔14相連接；入口靜壓腔14與出口靜壓腔23固定在絕熱試驗(yàn)腔15兩端,并在入口靜壓腔14與出口靜壓腔23端部分別安裝入口壓差傳感器26和出口壓差傳感器27,出口靜壓腔23通過(guò)排氣閥24與排氣頭25連接；出口靜壓腔通過(guò)另一管道和氣體調(diào)節(jié)閥10與回收氣站9相連接；回收氣站9出口與循環(huán)風(fēng)機(jī)7連接并通過(guò)汽化調(diào)節(jié)閥6連接在汽化器3出口處。循環(huán)風(fēng)機(jī)7，加載裝置17及傳感器分別與測(cè)控機(jī)柜2相連接,測(cè)控機(jī)柜2通過(guò)總線(xiàn)與上位計(jì)算機(jī)1連接。
本實(shí)施例中，回收氣站9外部采用不銹鋼拋光處理，內(nèi)部包括氣罐，壓縮機(jī)，可對(duì)進(jìn)入的氣體進(jìn)行儲(chǔ)存和加壓，以便回收處理。
干燥過(guò)濾器13采用不銹鋼外殼與活性炭氣體過(guò)濾芯和硅膠干燥劑組成，用于對(duì)通過(guò)的氣體進(jìn)行過(guò)濾，干燥處理。
入口靜壓腔14和出口靜壓腔23由不銹鋼外殼與內(nèi)部孔板組成；孔板上均勻分布有圓孔，圓孔直徑為3mm～6mm，圓孔面積占總閥橫截面積的20％～50％。
絕熱試驗(yàn)腔15由非真空絕熱被與內(nèi)部支撐組成，其中非真空絕熱被由多層Z型阻燃型低溫絕熱紙和鍍鋁聚酯薄膜復(fù)合而成，中間采用氣凝膠填充，導(dǎo)熱率極低，實(shí)現(xiàn)非真空絕熱效果。內(nèi)部支撐由彈性良好的碳纖維支架制成，保持絕熱試驗(yàn)腔15的形狀，同時(shí)滿(mǎn)足一定的形變能力。內(nèi)部安裝熱電阻傳感器16，監(jiān)測(cè)絕熱試驗(yàn)腔內(nèi)的溫場(chǎng)分布。
其中，液氮管道28、汽化器管道29、高溫氮?dú)夤艿?0、低溫氮?dú)夤艿?1、回收氮?dú)夤艿?2均采用10mm的超細(xì)玻璃絲綿進(jìn)行保溫隔熱處理。管道采用DN20～DN40的不銹鋼波紋管，結(jié)合保溫材料制成具有保溫功能的輸液及輸氣管道。
采用上述系統(tǒng)的測(cè)試方法是:
高溫環(huán)境下模擬測(cè)試步驟按步驟a、步驟b、步驟d、步驟e進(jìn)行；
低溫環(huán)境下模擬測(cè)試步驟按步驟a、步驟b、步驟c、步驟e進(jìn)行；
步驟a.在上位計(jì)算機(jī)1設(shè)定測(cè)試環(huán)境：高溫環(huán)境模擬或低溫環(huán)境模擬。
步驟b.排氣過(guò)程:首先開(kāi)啟液氮冷源閥4，低溫液氮通過(guò)液氮管道28進(jìn)入翅片汽化器3，調(diào)節(jié)汽化調(diào)節(jié)閥6，完全打開(kāi)低溫氮?dú)庹{(diào)節(jié)閥12，關(guān)閉電加熱通氣閥8，使少量低溫氮?dú)庋刂蜏氐獨(dú)夤艿?1進(jìn)入干燥過(guò)濾器13，去除雜質(zhì)，并干燥處理。打開(kāi)回收氣體調(diào)節(jié)閥10，啟動(dòng)循環(huán)風(fēng)機(jī)7，直至氣體充滿(mǎn)整個(gè)試驗(yàn)裝置。打開(kāi)排氣閥24，保持20～40分鐘，待整個(gè)管路氣體從排氣頭25充分排出。
步驟c.低溫環(huán)境模擬：關(guān)閉電加熱通氣閥8，開(kāi)啟低溫氮?dú)庹{(diào)節(jié)閥12，使低溫氮?dú)庵苯油ㄟ^(guò)低溫氮?dú)夤艿?1進(jìn)入干燥過(guò)濾器13，去除氣體中的雜質(zhì)，并實(shí)現(xiàn)干燥處理。低溫氮?dú)馔ㄟ^(guò)入口靜壓腔14，入口靜壓腔14上安裝有進(jìn)氣管道，入口壓差傳感器26，內(nèi)部設(shè)置孔板，開(kāi)孔率為40％，低溫氮?dú)饨?jīng)過(guò)靜壓腔均勻的進(jìn)入絕熱試驗(yàn)腔15，完成環(huán)境模擬過(guò)程。在出口靜壓腔23內(nèi)部設(shè)置孔板，以使氣體均勻流出絕熱試驗(yàn)腔15，保證絕熱試驗(yàn)腔15內(nèi)部的溫場(chǎng)的均勻性。氣體經(jīng)過(guò)回收氮?dú)夤艿?2進(jìn)入回收氣站9，對(duì)氣體進(jìn)行儲(chǔ)存；通過(guò)循環(huán)風(fēng)機(jī)7進(jìn)行二次加壓，補(bǔ)充到環(huán)境模擬系統(tǒng)中，完成整個(gè)低溫制冷循環(huán)。按照測(cè)試需要，通過(guò)熱電阻傳感器16檢測(cè)環(huán)境溫度，并調(diào)節(jié)汽化調(diào)節(jié)閥6和循環(huán)風(fēng)機(jī)7的功率，使系統(tǒng)保持所需試驗(yàn)低溫環(huán)境即可。
步驟d.高溫環(huán)境模擬:關(guān)閉低溫氮?dú)庹{(diào)節(jié)閥12，開(kāi)啟電加熱通氣閥8，并啟動(dòng)風(fēng)管式電加熱裝置11，經(jīng)過(guò)加熱的高溫氮?dú)馔ㄟ^(guò)高溫氮?dú)夤艿?0進(jìn)入干燥過(guò)濾器13，去除氣體中的雜質(zhì)，并實(shí)現(xiàn)干燥處理。高溫氮?dú)馔ㄟ^(guò)入口靜壓腔14，入口靜壓腔14上安裝有進(jìn)氣管道、入口壓差傳感器26，內(nèi)部設(shè)置孔板，開(kāi)孔率為40％，高溫氮?dú)饨?jīng)過(guò)靜壓閥均勻的進(jìn)入絕熱試驗(yàn)腔15，以完成環(huán)境模擬過(guò)程。在出口靜壓腔23內(nèi)部設(shè)置孔板，以使氣體均勻流出絕熱試驗(yàn)腔15，保證絕熱試驗(yàn)腔15內(nèi)部的溫場(chǎng)的均勻性。氣體經(jīng)過(guò)回收氮?dú)夤艿?2進(jìn)入回收氣站9，對(duì)氣體進(jìn)行儲(chǔ)存；通過(guò)循環(huán)風(fēng)機(jī)7進(jìn)行二次加壓，補(bǔ)充到環(huán)境模擬系統(tǒng)中，完成整個(gè)高溫制熱循環(huán)。按照測(cè)試需要，通過(guò)熱電阻傳感器16檢測(cè)環(huán)境溫度，并調(diào)節(jié)風(fēng)管式電加熱裝置11的功率和循環(huán)風(fēng)機(jī)7的功率，使系統(tǒng)保持所需試驗(yàn)高溫環(huán)境。
步驟e.性能測(cè)試:上位計(jì)算機(jī)1作為整個(gè)地面環(huán)境模擬系統(tǒng)的控制計(jì)算機(jī)，測(cè)控機(jī)柜2將直滑式位移傳感器19、位移傳感器33、拉壓力傳感器34的信息經(jīng)過(guò)測(cè)控機(jī)柜2調(diào)理，送入上位計(jì)算機(jī)1。上位計(jì)算機(jī)1根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求設(shè)定舵機(jī)控制信號(hào),使被測(cè)舵機(jī)21，舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)35、被測(cè)舵面22按照指令需求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，設(shè)定加載信號(hào)并啟動(dòng)加載裝置17為被測(cè)舵面施加動(dòng)態(tài)負(fù)載。上位計(jì)算機(jī)1采集位移、拉壓力的測(cè)試信號(hào)，繪制測(cè)試曲線(xiàn)，便于評(píng)價(jià)被測(cè)舵機(jī)21、舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)35、被測(cè)舵面22的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。