本發(fā)明涉及航天液體發(fā)動機試驗，具體涉及4-25n姿控發(fā)動機真空熱環(huán)境穩(wěn)態(tài)推力校準測量裝置。

背景技術(shù)：

液體火箭發(fā)動機作為目前最為成熟的推進系統(tǒng)之一，具有諸多獨特的優(yōu)勢，仍然是各國努力發(fā)展的主力推進系統(tǒng)，并且在大推力和小推力方面都取得了諸多成果，目前美國仍然在大多數(shù)推進系統(tǒng)方面領(lǐng)先世界，俄羅斯則繼續(xù)保持液體推進特別是大推力液體火箭方面的領(lǐng)先地位，歐盟和日本在追趕美國的技術(shù)水平，以中國為代表的第三世界國家也開始在液體推進領(lǐng)域同傳統(tǒng)強國展開競爭。

火箭發(fā)動機是火箭推進系統(tǒng)的一部分。推進系統(tǒng)是由發(fā)動機(固、液、沖壓、姿控)、增壓系統(tǒng)、貯箱設(shè)備及有關(guān)設(shè)備等組成。不論大推力液體火箭發(fā)動機，還是小推力液體火箭發(fā)動機，只要把增壓系統(tǒng)、貯箱、推進劑供應(yīng)系統(tǒng)與發(fā)動機連在一起就可稱為推進系統(tǒng)。多年來，我國的大推力液體火箭發(fā)動機研制單位只研制和交付發(fā)動機，而從事姿控發(fā)動機的研制單位，不僅要研制姿控火箭發(fā)動機，還要交付包括貯箱、氣瓶以及含增壓系統(tǒng)在內(nèi)的整個推進系統(tǒng)。

關(guān)于小推力液體火箭發(fā)動機的定義有不同的說法，我國文獻及出版物中一般將小推力劃分在0.02—2000n(0.002—200公斤)之間。阿列瑪索夫在其著作《火箭發(fā)動機原理》一書中把推力從0.01—1600n的液體火箭發(fā)動機歸入小推力發(fā)動機。不論運載、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、飛船上使用何種用途的發(fā)動機(推進劑沉底、末速修正、軌道修正、位置保持、姿態(tài)控制等)，均屬于小推力發(fā)動機的范疇。

隨著空間任務(wù)的豐富，小推力、高比沖的推進器得到越來越多的應(yīng)用，而完成此類推進裝置的地面試驗特性的研究，低量級的推力測試是一項必須突破的關(guān)鍵技術(shù)。

國內(nèi)有學(xué)者針對小推力測量存在的技術(shù)難點，提出了根據(jù)應(yīng)用的推力傳感器不同，測試臺架可采用壓電式傳感器和應(yīng)變式傳感器兩種方案：

使用壓電式傳感器的優(yōu)點在于動態(tài)特性好，高剛度，推進劑管道影響小，其缺點是靜態(tài)精度較低，對小力值不能進行長時間穩(wěn)定測量，高內(nèi)阻抗，電干擾性能差，安裝預(yù)緊力及濕溫度影響大；

使用應(yīng)變式傳感器的優(yōu)點在于穩(wěn)態(tài)精度高，低內(nèi)阻輸出，抗電干擾性能好，其缺點是動態(tài)特性差，需后續(xù)附加處理，推進劑管路剛度影響大，工作溫度范圍較窄。

測試技術(shù)學(xué)報.vol.18supp.2004公開的一篇名為《實現(xiàn)微牛級動態(tài)推力測試的方法和試驗研究》提出了一種微牛級的測試方法[8]，其基本思想是將微牛級推力通過懸臂梁轉(zhuǎn)換成微米級位移，然后通過微位移傳感器測試該微位移，得到微推力大小。其測試推力可達2μⁿ左右。

另外，宇航學(xué)報[j].vol.29.no2,march2008公開的一篇名為《真空環(huán)境下微推力測量的研究》提出了真空環(huán)境下微推力的測量方法，提出了利用杠桿力的放大原理，將推力值放大從而能夠被傳感器準確檢測到。

但是如果采用上述兩種傳統(tǒng)測量方法運用于4-25n量級小推力測量時會存在如下難題：

(1)推力動架和定架之間的支撐件、約束件(彈簧片)的影響。

(2)推進劑管路布置以及推進劑管路內(nèi)壓力和流體動量的影響。

(3)熱試車過程中，發(fā)動機主閥門后的管路、推力室頭部、噴管冷卻夾套內(nèi)的推進劑填充量和燒蝕式噴管的燒蝕量變化，會引起發(fā)動機重力的變化，因此會影響推力測量的準確度。

(4)小推力火箭發(fā)動機本身質(zhì)量和推力較小，測試中容易受臺架結(jié)構(gòu)非線性及周圍環(huán)境的影響，同時發(fā)動機機體在熱試車時溫度較高，對與其連接的組件及傳感器等有不均勻熱傳導(dǎo)和熱輻射，會帶來結(jié)構(gòu)非線性以及傳感器溫漂等不利影響，高溫會引入較大的測量不確定度。這就要求臺架及傳感器具有良好的動態(tài)特性，較高的靜態(tài)精度，抗干擾能力強，同時能夠進行長時間穩(wěn)定測量，但一般電壓式和應(yīng)變式傳感器應(yīng)用特點比較強，很難同時滿足以上要求。

(5)為保證試車所需真空度的大量機械泵、引射系統(tǒng)等機械設(shè)備不可避免的對測量過程造成一定影響，其振動會引入相應(yīng)的測量不確定度。

根據(jù)4-25n姿控發(fā)動機真空熱環(huán)境穩(wěn)態(tài)推力測量技術(shù)要求，目前采用了如圖1所示的裝置實現(xiàn)小推力測量，具體是將發(fā)動機003直接懸掛于傳感器上，由發(fā)動機承受發(fā)動機的重量，然后進行推力測量，傳感器采用輪輻式彈性元件001，在彈性元件001上粘貼有應(yīng)變片002，見圖1所示，但目前采用的裝置存在以下問題：

(1)在4-25n姿控發(fā)動機穩(wěn)態(tài)推力測量過程中，發(fā)動機水平安裝固定于傳感器上，在發(fā)動機的重量作用下，傳感器受彎矩作用，會在垂直方向產(chǎn)生一定的形變，在熱試車過程中由于推力室燒蝕引起的發(fā)動機質(zhì)量變化對傳感器也會造成測量干擾，且這些影響在試前無法進行精確理論計算分析，這些狀態(tài)均與試驗室校準環(huán)境不同；

(2)在4-25n姿控發(fā)動機穩(wěn)態(tài)推力測量過程中，大氣壓力、環(huán)境溫度與試驗室校準環(huán)境不同，導(dǎo)致應(yīng)用試驗室校準系數(shù)計算發(fā)動機推力時其精度降低；

(3)在推力測量過程中，推進劑供應(yīng)管路安裝存在管路約束，必然會產(chǎn)生一定的初始力值，在進行多次試驗時需要重復(fù)安裝管路，這導(dǎo)致初始力值在每次試驗過程也不完全相同，這些狀態(tài)也在試驗室內(nèi)無法模擬；

(4)在發(fā)動機熱試車過程中，推進劑供應(yīng)管路會隨著發(fā)動機的推力變化而產(chǎn)生一定形變，從而產(chǎn)生額外約束力，這就導(dǎo)致發(fā)動機的推力傳遞效率降低，因此，由天平傳感器測得的力值是小于發(fā)動機的真實推力的。

同時目前的測量系統(tǒng)的校準也存在缺陷，現(xiàn)用校準方式多為手動校準，即通過對高精度的標準力傳感器懸掛砝碼進行標準力加載，待加載力穩(wěn)定后通過太平洋采集系統(tǒng)記錄測量力和標準力，從而進行測量系統(tǒng)校準，這種方式適合在試車前進行校準，不僅耗時耗力，校準精度也不夠高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了實現(xiàn)4-25n姿控發(fā)動機小推力校準測量要求，解決測量過程中管路約束、高溫、振動引入的不確定度多，且不適合在試車前校準、校準精度差等問題提出了一種4-25n姿控發(fā)動機真空熱環(huán)境穩(wěn)態(tài)推力校準測量裝置。

本發(fā)明的基本工作原理：

力源控制計算機根據(jù)設(shè)定好的校準程序，通過plc控制器，驅(qū)動伺服器驅(qū)動電動缸對標準力傳感器施加標準力載荷，并通過加載鋼絲作用于單分力天平測量裝置，同時將該標準力值傳輸給數(shù)據(jù)采集單元；在該力的作用下，單分力天平測量裝置上輸出的電壓信號由數(shù)據(jù)采集單元采集，經(jīng)總線回傳給力源控制計算機。力源控制計算機實時存貯校準過程中標準力源及單分力天平測量裝置在各個校準檔位輸出的實際力值，再通過數(shù)據(jù)處理，獲取單分力天平測量裝置的校準系數(shù)。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案是：

本發(fā)明提供了一種4-25n姿控發(fā)動機真空熱環(huán)境穩(wěn)態(tài)推力校準測量裝置，包括基座轉(zhuǎn)接架、減震塊、定架、天平轉(zhuǎn)接板、單分力天平測量裝置、推進劑管路、推進劑管路固定裝置以及原位校準裝置；

基座轉(zhuǎn)接架與定架之間均布安裝多個減震塊；定架周邊固定安裝有多個推進劑管路固定裝置，推進劑管路通過推進劑管路固定裝置安裝，推進劑管路一端與外部推進劑供應(yīng)系統(tǒng)連通，另一端與待測量姿控發(fā)動機推進劑入口連通；單分力天平測量裝置通過天平轉(zhuǎn)接板安裝在定架的一端，原位校準裝置安裝在定架的另一端；

單分力天平測量裝置包括天平支架、配重組件以及天平安全防護支架；

天平支架包括豎直梁以及水平應(yīng)變梁；豎直梁的頂部安裝待測量姿控發(fā)動機，待測量姿控發(fā)動機的推力方向垂直于豎直梁；配重組件安裝在豎直梁中部；豎直梁的底部與水平應(yīng)變梁上端面固連，水平應(yīng)變梁的下端面設(shè)置有前端筋板、中間筋板以及后端筋板；水平應(yīng)變梁分別通過前端筋板、中間筋板以、后端筋板與天平轉(zhuǎn)接板固定連接；水平應(yīng)變梁上按全橋方式貼覆有應(yīng)變片；

配重組件包括平衡杠桿以及配重塊；平衡杠桿垂直于在豎直梁中部，平衡杠桿包括固定端和懸空端；固定端至懸空端之間開設(shè)長條孔；固定端與豎直梁中部固定連接，配重塊通過螺栓螺母固定在長條孔上；

天平安全防護裝置包括天平安全防護支架以及限位螺釘；天平安全防護支架的一端固定安裝在定架上，另一端設(shè)置有兩塊平行的固定板，豎直梁中部位于兩塊固定板之間，兩塊固定板之間的距離大于豎直梁中部的厚度，其中一塊固定板上安裝限位螺釘，限位螺釘?shù)穆菁y段穿過所述固定板與所述豎直梁接觸；

原位校準裝置包括標準力源、標準力源控制系統(tǒng)以及l(fā)型支架；

l型支架的底部與定架固定連接；l型支架頂部與所述豎直梁安裝待測量姿控發(fā)動機等高的位置安裝標準力源；標準力源包括電動缸、安裝法蘭、轉(zhuǎn)接桿、標準力傳感器、轉(zhuǎn)接環(huán)以及加載鋼絲；

電動缸通過安裝法蘭垂直固定安裝于l型支架上，電動缸的輸出端通過轉(zhuǎn)接桿與標準力傳感器連接；標準力傳感器的輸出端安裝轉(zhuǎn)接環(huán)；加載鋼絲一端與轉(zhuǎn)接環(huán)連接，另一端與待測量姿控發(fā)動機的中軸線連接；

標準力源控制系統(tǒng)包括力源控制計算機、總線、數(shù)據(jù)采集單元、伺服驅(qū)動器以及plc控制器；

力源控制計算機傳輸目標力值給plc控制器，plc控制器通過伺服驅(qū)動器控制所述電動缸運動，電動缸運動產(chǎn)生的實際力值作用于單分力天平測量裝置上并被數(shù)據(jù)采集單元接收后通過總線傳輸回力源控制計算機；力源控制計算機對實際力值和標準力值進行比較，獲得單分力天平測量裝置的校準系數(shù)。

單分力天平測量裝置還包括天平主動恒溫裝置；天平主動恒溫裝置包括固定安裝在定架上并且位于豎直梁兩側(cè)的剖分式水冷夾套結(jié)構(gòu)；水冷夾套結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個與外界空間隔離的空腔；所述水平應(yīng)變梁位于所述空腔內(nèi)；

水冷夾套結(jié)構(gòu)的側(cè)壁為空心機構(gòu)，水冷夾套結(jié)構(gòu)上安裝有第一進水接頭與第一出水接頭；第一進水接頭靠近水冷夾套結(jié)構(gòu)下部設(shè)置，第一出水接頭靠近水冷夾套結(jié)構(gòu)上部設(shè)置。

原位校準裝置還包括固定安裝在l型支架上的圓柱形殼體，標準力傳感器位于圓柱形殼體內(nèi)；圓柱形殼體的外壁為空心結(jié)構(gòu)，圓柱形殼體的外壁上安裝有第二進水接頭與第二出水接頭；第二進水接頭靠近圓柱形殼體中心下部設(shè)置，第二出水接頭靠近圓柱形殼體中心上部設(shè)置。

具體來說，上述定架上表面開有等間距的多個t型槽，天平轉(zhuǎn)接板沿所述多個t型槽排列方向上開設(shè)有u型槽；相鄰t型槽的中心距與u型槽的長度滿足的關(guān)系式為：lu≥2lt，

其中，u型槽長度為lu，相鄰t型槽中心距為lt。

具體來說，推進劑管路固定裝置為包括下部支架和上卡箍，所述下部支架的底面開設(shè)有螺紋孔，下部支架的上端為與所述上卡箍相適配的下卡箍。

上述水平應(yīng)變梁與天平轉(zhuǎn)接板之間、豎直梁頂部與待測量姿控發(fā)動機之間均設(shè)置真空隔熱板。

上述水平應(yīng)變梁上的最大應(yīng)變ε與待測量姿控發(fā)動機推力f之間關(guān)系如下：

其中，a為水平應(yīng)變梁橫截面積，e為水平應(yīng)變梁的彈性模量，wz為豎直梁的抗彎截面系數(shù)，y為待測量發(fā)動機在豎直梁的安裝位置到豎直梁與水平應(yīng)變梁相交的位置之間的豎直高度；

上述原位校準裝置還包括固定在l型支架上的電動缸保護罩，電動缸位于電動保護罩內(nèi)。

上述減震塊為6個be-40減震器，其固有頻率小于15hz。

上述推進劑管路的材料為1cr18ni9ti，采用“z”型結(jié)構(gòu)布置。

本發(fā)明所具有的優(yōu)點：

1、本發(fā)明采用了單分力天平裝置，并安裝有減震器和推進劑管路固定裝置，解決了姿控發(fā)動機推力測量時由于管路約束、振動引入的不確定度多等問題，原位校準可以模擬實際工況，現(xiàn)場完成測量系統(tǒng)的靜態(tài)標定和校核，本裝置中的自動原位校準裝置相比傳統(tǒng)校準方式來說，可以遠程自動進行推力標定，從而實現(xiàn)了試車前、試車中、試車后標定，同時通過計算機同時記錄標準力值和測量力值，標定精度更高，更接近實際工況。

2、本發(fā)明單分力天平裝置中設(shè)置配重組件，可在試前平衡由于發(fā)動機懸掛引起的不平衡量，同時設(shè)計有天平安全防護裝置，確保在誤操作條件下天平不會發(fā)生過載，保護傳感器測量精度。

3、本發(fā)明采用天平主動恒溫裝置和力源主動恒溫裝置，使應(yīng)變片和標準力傳感器在熱試車過程中始終處于恒定合適的溫度環(huán)境，解決了水平應(yīng)變梁在真空熱環(huán)境下變形帶來的應(yīng)變片和標準力傳感器測量精度降低，零位漂移的難題。

4、本發(fā)明采用的天平轉(zhuǎn)接板設(shè)置u型槽，保證天平支架安裝后處于定架中間對稱面位置，定架上開設(shè)t型槽，并且(u型槽長度)lu≥2lt(相鄰t型槽中心距)，可以實現(xiàn)天平支架無級移動固定，方便不同型號發(fā)動機的安裝固定。

5、本發(fā)明的水平應(yīng)變梁與天平轉(zhuǎn)接板之間、豎直梁頂部與待測量姿控發(fā)動機之間均設(shè)置真空隔熱板，真空隔熱板由填充芯材與真空保護表層復(fù)合而成，可有效避免空氣對流引起的熱傳遞，導(dǎo)熱系數(shù)可大幅度降低，從而避免了熱試車過程中發(fā)動機燃氣熱量傳導(dǎo)至應(yīng)變片，造成應(yīng)變片精度降低甚至損壞。

6、本發(fā)明的減震塊為6個be-40減震器，其固有頻率小于15hz，每個隔振塊可承載40kg，隔振塊置于基礎(chǔ)連接板和定架之間，減小由真空艙基礎(chǔ)傳遞過來的外界振動。

7、本發(fā)明的推進劑管路的布置采用“z”型結(jié)構(gòu)，保證入口部分與發(fā)動機軸線垂直，降低入口剛度，減小管路約束，進一步提高單分力天平的測量精度。

附圖說明

圖1現(xiàn)有測量裝置的結(jié)構(gòu)簡圖；

圖2為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)簡圖；

圖3為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡圖；

圖4為單分力天平測量裝置的結(jié)構(gòu)簡圖；

圖5為標準力源的結(jié)構(gòu)簡圖；

圖6為天平主動恒溫裝置的剖視圖

圖7為定架的主視圖；

圖8為圖7的a向剖視圖；

圖9為推進劑管路固定裝置的主視圖；

圖10為推進劑管路固定裝置的側(cè)視圖；

圖11本發(fā)明采用單分力天平杠桿原理示意圖；

圖12為標準力源控制系統(tǒng)的原理圖。

附圖標記如下：

1-基座轉(zhuǎn)接架、2-減震塊、3-定架、4-天平轉(zhuǎn)接板、5-單分力天平測量裝置、51-天平支架、511-豎直梁、512-水平應(yīng)變梁、5121-前端筋板、5122-中間筋板、5123-后端筋板、52-配重組件、521-平衡杠桿、522-配重塊、53-天平安全防護裝置、531-天平安全防護支架、532-限位螺釘、533-固定板、6-推進劑管路、7-推進劑管路固定裝置、71-下部支架、72-上卡箍、73-螺紋孔、74-下卡箍、8-原位校準裝置、81-標準力源、811-電動缸、812-安裝法蘭、813-轉(zhuǎn)接桿、814-標準力傳感器、815-轉(zhuǎn)接環(huán)、816-加載鋼絲、83-l型支架、84-圓柱形殼體、841-第二進水接頭、842-第二出水接頭、85-電動缸保護罩、9-待測量姿控發(fā)動機、10-應(yīng)變片、11-天平主動恒溫裝置、111-水冷夾套結(jié)構(gòu)、112-第一進水接頭、113-第一出水接頭。

具體實施方式

本發(fā)明提出的推力校準測量裝置包括基座轉(zhuǎn)接架1、減震塊2、定架3、天平轉(zhuǎn)接板4、單分力天平測量裝置5、推進劑管路6、推進劑管路固定裝置7以及原位校準裝置8；

以上幾個部件的具體功能是：

基座轉(zhuǎn)接架1用于和真空艙基礎(chǔ)進行對接，對接位置開有u型孔，便于安裝位置調(diào)節(jié)，其材料選用碳鋼，結(jié)構(gòu)采用中空設(shè)計，為保證強度和剛度的前提下，減小其質(zhì)量，中空位置設(shè)計在承載最小位置，基礎(chǔ)連接板上表面開有減震塊連接螺紋盲孔，與減震塊采用螺栓連接。

定架3和天平轉(zhuǎn)接板4用于安裝單分力天平測量裝置、推進劑管路固定裝置，實現(xiàn)4-25n姿控發(fā)動機工作過程產(chǎn)生的軸向推力測量，用于并支撐各組件，并將有關(guān)作用力傳遞至試車臺基礎(chǔ)。

減震塊2采用的是be-40減震器，設(shè)計采用6個減震器，每個減震器可承載40kg，隔振塊置于基礎(chǔ)連接板和定架之間，減小由真空艙基礎(chǔ)傳遞過來的外界振動。

單分力天平測量裝置5實現(xiàn)姿控發(fā)動機小推力測量，將推力輸入轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出，經(jīng)計算后，可獲取待測量姿控發(fā)動機軸向推力。

推進劑管路6用于給待測量姿控發(fā)動機提供推進劑。

推進劑管路固定裝置7用于將推進劑管路整齊、合理、可靠的安裝在定架上。

原位校準裝置8用于提供標準力源對單分力天平測量裝置進行校準，獲取校準系數(shù)。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步說明:

如圖2和圖3所示，基座轉(zhuǎn)接架1與定架3之間均布安裝多個減震塊2；定架3周邊固定安裝有多個推進劑管路固定裝置6，推進劑管路5通過推進劑管路6固定裝置安裝，推進劑管路5一端與外部推進劑供應(yīng)系統(tǒng)連通，另一端與待測量姿控發(fā)動機9推進劑入口連通；單分力天平測量裝置5通過天平轉(zhuǎn)接板4安裝在定架3的一端，原位校準裝置8安裝在定架3的另一端；

如圖4所示，單分力天平測量裝置5包括天平支架51、配重組件52以及天平安全防護裝置53；

天平支架51包括豎直梁511以及水平應(yīng)變梁512；豎直梁511的頂部安裝待測量姿控發(fā)動機9，待測量姿控發(fā)動機9的推力方向垂直于豎直梁511；配重組件52安裝在豎直梁511中部；豎直梁511的底部與水平應(yīng)變梁512上端面固連，水平應(yīng)變梁512的下端面設(shè)置有前端筋板、中間筋板以及后端筋板；水平應(yīng)變梁分別通過前端筋板、中間筋板以、后端筋板與天平轉(zhuǎn)接板4固定連接；水平應(yīng)變梁512上按全橋方式貼覆有應(yīng)變片10；

如圖7和8所示，定架3材料選擇1cr18ni9ti，用于實現(xiàn)單分力天平測量裝置5等部件的連接，其表面開有等間距的t型槽，并開有高精度定位孔，用于單分力天平精確安裝；天平轉(zhuǎn)接板4用于實現(xiàn)單分力天平測量裝置5和定架3的活動連接，其連接方式為螺栓連接，轉(zhuǎn)接板上開有u型槽及相應(yīng)的高精度定位孔，保證安裝后處于定架中間對稱面位置，設(shè)u型槽長度為lu，相鄰t型槽中心距為lt，設(shè)計lu≥2lt，則在沿發(fā)動機軸線方向移動時，任意位置都至少有兩個t型槽與之相交，從而可以實現(xiàn)單分力天平無級移動固定，方便不同型號發(fā)動機的安裝固定。

如圖4所示，配重組件52包括平衡杠桿521以及配重塊522；平衡杠桿521垂直于在豎直梁511中部，平衡杠桿521包括固定端和懸空端；固定端至懸空端之間開設(shè)長條孔；固定端與豎直梁5111中部固定連接，配重塊522通過螺栓固定在長條孔上；平衡杠桿521上設(shè)置有刻度線。配重塊522可在平衡杠桿521之上移動調(diào)整，確定其平衡位置，平衡杠桿之上設(shè)計有刻度線，保證同一臺產(chǎn)品多次試驗時處于相同的試驗狀態(tài)。

天平安全防護裝置53包括天平安全防護支架531以及限位螺釘532；天平安全防護支架531的一端固定安裝在定架3上，另一端設(shè)置有兩塊平行的固定板533，豎直梁511中部位于兩塊固定板533之間，兩塊固定板533之間的距離大于豎直梁511中部的厚度，其中一塊固定板533上安裝限位螺釘532，限位螺釘532的螺紋段穿過所述固定板533與所述豎直梁511接觸。實際使用過程中將限位螺釘頂緊豎直梁，則可保證超出載荷由固定支架吸收，從而保護傳感器不受損害。

如圖6所示，本發(fā)明的校準測量裝置還包括采用強制水冷對流方式，使應(yīng)變片10始終處于22±1℃的恒溫環(huán)境中，保證的測量精度的天平主動恒溫裝置11；天平主動恒溫裝置11包括固定安裝在定架上并且位于豎直梁511兩側(cè)的剖分式水冷夾套結(jié)構(gòu)111；水冷夾套結(jié)構(gòu)111構(gòu)成一個與外界空間隔離的空腔；所述水平應(yīng)變梁512位于所述空腔內(nèi)；

水冷夾套結(jié)構(gòu)111的側(cè)壁為空心結(jié)構(gòu)，水冷夾套結(jié)構(gòu)111上安裝有第一進水接頭112與第一出水接頭113；第一進水接頭112靠近水冷夾套結(jié)構(gòu)111下部設(shè)置，第一出水接頭113靠近水冷夾套結(jié)構(gòu)111上部設(shè)置。水冷夾套結(jié)構(gòu)111材料為不銹鋼，表面拋光處理，在對裝置內(nèi)部進行水冷換熱的同時，還可以增大外界輻射熱反射，從而保證在熱試車過程中，測力傳感器可以處于22±1℃的恒溫環(huán)境，保證其測量精度，同時上進下出的接頭布置，可以保證水冷夾套結(jié)構(gòu)的空心結(jié)構(gòu)內(nèi)冷卻水盡可能的多，確保恒溫效果。

如圖9和10所示，推進劑管路固定裝置7包括下部支架71和上卡箍72，所述下部支架71的底面開設(shè)有螺紋孔73，下部支架71的上端為與所述上卡箍72相適配的下卡箍74，上卡箍72和下卡箍74通過螺栓連接，從而實現(xiàn)推進劑管路的緊固。

另外，水平應(yīng)變梁512與天平轉(zhuǎn)接板4之間、豎直梁511頂部與待測量姿控發(fā)動機9之間均設(shè)置真空隔熱板12，目的是為了有效避免空氣對流引起的熱傳遞，導(dǎo)熱系數(shù)可大幅度降低，從而避免了熱試車過程中發(fā)動機燃氣熱量傳導(dǎo)至應(yīng)變片，造成應(yīng)變片精度降低甚至損壞。

單分力天平測量裝置采用杠桿原理，將發(fā)動機產(chǎn)生的推力通過杠桿+彈性轉(zhuǎn)軸的設(shè)計方法，將發(fā)動機推力轉(zhuǎn)換為力矩，再將水平應(yīng)變梁設(shè)計于力臂較小的位置，水平應(yīng)變梁上按全橋方式貼有應(yīng)變片，從而在發(fā)動機相同推力的量級下，相比傳統(tǒng)彈簧式測力機構(gòu)可大大增加水平應(yīng)變梁的變形量，從而提高其靈敏度,其原理示意圖如圖11所示，水平應(yīng)變梁上的最大應(yīng)變ε與發(fā)動機推力f有如下關(guān)系；

其中，a為水平應(yīng)變梁橫截面積，e為水平應(yīng)變梁的彈性模量，wz為豎直梁的抗彎截面系數(shù)，y為待測量發(fā)動機在豎直梁的安裝位置到豎直梁與水平應(yīng)變梁相交的位置之間的豎直高度.

試驗時發(fā)動機入口段管路采用硬管。由于管路內(nèi)的推進劑會在進入發(fā)動機入口時流動方向發(fā)生改變，從而在推力測量時引入附加力值，依據(jù)液體火箭發(fā)動機試驗要求，入口管路應(yīng)垂直于推力軸向走向，并使氧化劑和燃料管道對稱于推力軸線，則可以使液體壓力和液體流動所產(chǎn)生的“負推力”減至最小值，為了降低管路剛度，推進劑管路6布置采用“z”型結(jié)構(gòu)，燃料與氧化劑管路通過管路固定裝置在定架上固定。

參見圖2，原位校準裝置8包括標準力源81、標準力源控制系統(tǒng)以及l(fā)型支架83；

l型支架83的底部與定架3固定連接；l型支架83頂部與所述豎直梁511安裝待測量姿控發(fā)動機等高的位置安裝標準力源81；如圖4所示，標準力源81包括電動缸811、安裝法蘭812、轉(zhuǎn)接桿813、標準力傳感器814、轉(zhuǎn)接環(huán)815以及加載鋼絲816；

參見圖5，電動缸811通過安裝法蘭812垂直固定安裝于l型支架83上(實際上電動缸811與安裝法蘭812通過4個螺栓固定，安裝法蘭812上設(shè)計加工有定位凸臺，用于連接電動缸811和支撐架時的精確定位，保證電動缸安裝的同軸度)，電動缸811的輸出端通過轉(zhuǎn)接桿813與標準力傳感器814連接；標準力傳感器814的輸出端安裝轉(zhuǎn)接環(huán)815；加載鋼絲816一端與轉(zhuǎn)接環(huán)815連接，另一端與待測量姿控發(fā)動機9的中軸線連接；為了避免高溫環(huán)境對標準力傳感器的影響，原位校準裝置還包括固定安裝在l型支架83上的圓柱形殼體84，標準力傳感器814位于圓柱形殼體84內(nèi)；圓柱形殼體84的外壁為空心結(jié)構(gòu)，圓柱形殼體84的外壁上安裝有第二進水接頭841與第二出水接頭842；第二進水接頭841靠近圓柱形殼體84中心下部設(shè)置，第二出水接頭842靠近圓柱形殼體84中心上部設(shè)置。為了對電動缸811進行保護，原位校準裝置8還包括固定在l型支架上的電動缸保護罩85，電動缸811位于電動保護罩85內(nèi)。

標準力傳感器814選用hbms2標準力傳感器，其量程為50n，測量精度0.05％。轉(zhuǎn)接環(huán)815用于加載鋼絲816和標準力傳感器814的連接，其一端加工有與標準力傳感器814匹配的外螺紋，另外一端開有φ0.2的通孔，用于加載鋼絲816固定，加載鋼絲816一端穿過φ0.2通孔，采取錫焊澆注方式進行固連，保證鋼絲連接強度和同軸度。加載鋼絲采用低彈性、高強度、低剛度的合金鋼絲，確保加載過程中無拉力遲滯，卸載過程中無內(nèi)力干擾。為了降低加載裝置的重量，電動缸轉(zhuǎn)接桿、標準力轉(zhuǎn)接環(huán)、安裝法蘭均采用輕質(zhì)材料lv12制作。

如圖12所示，標準力源控制系統(tǒng)包括力源控制計算機、can總線、mp30數(shù)據(jù)采集單元、hbm標準力傳感器、smc電動缸、伺服驅(qū)動器、plc控制器、網(wǎng)線；

力源控制計算機執(zhí)行設(shè)定的標定程序，在某個檔位確定了加載的標準力值后，通過plc控制器控制伺服驅(qū)動器驅(qū)動電動缸運動，電動缸產(chǎn)生的實際力值作用于單分力天平測量裝置，并由mp30數(shù)據(jù)采集單元采集，再通過can總線將實際力值實時傳輸給力源控制計算機，力源控制計算機內(nèi)的軟件將實際力值與標準力值比較，形成閉環(huán)控制，當實際力值與標準力值在允許誤差范圍內(nèi)時，停止標準力加載，并將該數(shù)據(jù)傳輸給力源控制計算機，然后執(zhí)行下一個檔位的運動控制。

該校準測量裝置的具體實施流程如下：

1、狀態(tài)檢查

通過給單分力天平測量裝置中的應(yīng)變片供橋壓，并通過壓力回測系統(tǒng)顯示當前橋壓，數(shù)據(jù)采集單元能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)變片信號實時采集，沿發(fā)動機軸向?qū)μ炱街Ъ苁┘恿χ?，對?yīng)變片橋路輸出進行檢查，確認橋路輸出正確，數(shù)據(jù)采集單元可對標準力傳感器的壓力進行調(diào)整，并實時采集標準力傳感器的輸出電壓值。

2、小推力姿控發(fā)動機安裝

產(chǎn)品安裝前，應(yīng)將測量裝置中天平安全防護裝置鎖死，防止安裝過程中應(yīng)變片過載失效，確認發(fā)動機熱試車過程中的推力在應(yīng)變片量程范圍之內(nèi)，通過天平轉(zhuǎn)接板將待測量姿控發(fā)動機與天平支架安裝。

3、約束系統(tǒng)安裝

按照測量裝置設(shè)計要求安裝推進劑管路、姿控發(fā)動機控制氣管路及壓力、溫度振動測量線纜，連接天平主動恒溫裝置以及標準力傳感器恒溫裝置的循環(huán)水路，并啟動循環(huán)水，將各種管路及線纜固定牢固。確保各種管路，線纜無干涉現(xiàn)象。調(diào)整平衡配重位置，直至數(shù)據(jù)采集單元顯示單分力天平測量裝置輸出信號為零，此時天平處于平衡狀態(tài)。

4、原位校準

檢查并確認發(fā)動機已處于熱試車狀態(tài)，推進劑管路增壓至試驗額定壓力。預(yù)加載力值為額定推力的120％，加載不少于三次，由零到120％額定載荷推力分6個檔位進行加載，每次分別做升程加載和回程卸載，同時記錄天平測力傳感器信號的校準數(shù)據(jù)。

5、單分力天平測量裝置系數(shù)計算

依據(jù)流程(4)原位校準所得數(shù)據(jù)，利用最小二乘法計算出其線性相關(guān)系數(shù)、標準偏差，并將上述兩個參數(shù)設(shè)置至力源控制計算機中。具體計算方法如下：

最小二乘法擬合一組變量之間的線性方程(y＝bx+a)，對于原位校準測量系統(tǒng)而言，x為某一檔位的標準力值，y為該檔位對應(yīng)的同時采集到的測量力值。實際校準過程中會采集到不同檔位的升回程標準力值和測量力值，并重復(fù)3遍，從而獲取一組標定數(shù)據(jù)[xi,yi]，兩變量之間的相關(guān)性用相關(guān)系數(shù)(r)來表示。

斜率b的計算公式為公式

截距a的計算公式為公式：

相關(guān)系數(shù)是衡量一組測量數(shù)據(jù)xi、yi線性相關(guān)程度的參量，其定義為：

r值在0<|r|≤1中。|r|越接近于1，x、y之間線性好；r為正，直線斜率為正，稱為正相關(guān)；r為負，直線斜率為負，稱為負相關(guān)。|r|接近于0，則測量數(shù)據(jù)點分散或xi、yi之間為非線性。

在最小二乘法中，假定自變量誤差可以忽略不計，是為了方便推導(dǎo)回歸方程。操作中函數(shù)的誤差大于自變量的誤差即可認為滿足假定。實際上兩者均是變量，都有誤差，從而導(dǎo)致結(jié)果y、a、b的標準差(n≥6)如下：

(根式的分母為n-2,是因為有兩個變量)

本校準系統(tǒng)中獲取的標準偏差即為σy

6、系數(shù)檢查

對天平支架施加軸向標準力，并由采集設(shè)備記錄應(yīng)變片的輸出信號，用標定所得系數(shù)對采集的數(shù)據(jù)處理，檢查單分力天平測量裝置中應(yīng)變片的輸出力值與標準力值的一致性，并多次進行升回程加載，檢查其重復(fù)性。(注：這里的重復(fù)性主要是針對測量系統(tǒng)，通過幾次升回程加載，看其在每個力加載檔位的測量輸出是否一致，如果一致性很好，表明測量系統(tǒng)穩(wěn)定性很好，也即其重復(fù)性很好)

7、準備熱試車

試加載校驗無誤后，電動缸歸零，加載鋼絲不再受力，此時一體化裝置已處于熱試車狀態(tài)。