文章目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 课题来源及研究意义

1.2 推力测试系统的研究现状

    1.2.1 卧式推力测试系统研究现状

    1.2.2 立式推力测试系统研究现状

1.3 主要研究内容

2 推力矢量测试系统原理分析

2.1 测试系统的设计要求

    2.1.1 固体火箭发动机的结构及工作原理

    2.1.2 测试系统的要求及难点

2.2 压电测力仪的测试原理

    2.2.1 压电测力单元的测试原理

    2.2.2 压电测力仪的组成及布置形式

    2.2.3 压电测力仪的受力分析

2.3 推力矢量的求解模型

2.4 本章小结

3 卧式推力矢量测试系统的总体设计

3.1 三向正交标定结构方案

3.2 偏斜模拟加载装置结构方案

3.3 发动机模型结构方案

    3.3.1 流体式发动机模型结构设计方案

    3.3.2 框架式发动机模型结构设计方案

    3.3.3 轮辐式发动机模型结构设计方案

3.4 固体火箭发动机卧式推力矢量测试系统最终方案

3.5 测试装置的结构仿真分析

3.6 本章小结

4 测试系统标定及矢量力模拟加载实验

4.1 标定实验精度指标

4.2 测力单元静态标定实验

4.3 测试系统正交标定实验

    4.3.1 测试系统标定装置

    4.3.2 侧向力Fx标定

    4.3.3 侧向力Fy标定

    4.3.4 主向力Fz标定

4.4 矢量力模拟加载实验

4.5 误差分析及补偿

4.6 固有频率实验

4.7 本章小结

5 测试系统的质量/质心变化模拟实验研究

5.1 加上模型的测试系统正交三向标定实验

    5.1.1 侧向力Fx标定

    5.1.2 侧向力Fy标定

    5.1.3 主向力Fz标定

5.2 质心变化模拟加载实验

5.3 质量和质心同时变化的模拟加载实验

5.4 质量/质心变化模拟加载下的补偿研究

    5.4.1 质心变化模拟加载下的侧向补偿研究

    5.4.2 质量和质心同时变化模拟加载下的侧向补偿研究

5.5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

文章摘要:着眼于航空航天事业与飞行器技术的飞速进步,推力矢量测量技术也成为各国的重点研究方向。发动机作为航空航天飞行器动力系统的核心组成部分,推力矢量的精确测量对提高发动机寿命、保障使用安全有重要的意义。为了获取火箭发动机所产生推力矢量的各个性能相关参数,在发动机投入使用之前,必须进行严格的推力测试实验,从而保证测试结果的精确性。由于固体推进剂在燃烧过程中,火箭发动机的质量以及质心会随着时间发生变化,对测试结果产生影响,尤其是影响测试系统垂直方向上的测试精度,这一特点对推力矢量的测试精度提出了更大挑战。根据固体火箭发动机推力矢量的测试要求,本文研制了一种固体火箭发动机卧式推力矢量测试系统。通过推力矢量加载装置对测试系统性能进行校验,并进一步探究固体推进剂质量/质心变化对测试性能的影响,对提高卧式推力矢量测试系统的测量精度具有重要的研究意义。建立了测试系统的理论力学模型。基于压电测力仪的六维力测量原理,对测力仪的布置形式进行了选取,建立了四点支撑测力仪布置形式下的推力矢量测试系统理论力学模型,并对各个测力单元的受力状态进行了力学分析,为后续的研究提供了理论基础。完成了测试系统的总体方案设计。根据发动机推力矢量标定和模拟装置的设计难点及要求,为了保证测试装置的高刚度、高强度以及高固有频率,进行了三向力标定加载装置及矢量力模拟加载装置的结构设计。并对发动机模型进行了方案选型,利用有限元分析软件ANSYS对测试系统中的关键装置结构进行了受力仿真分析。进行了测试系统的静动态标定实验。利用六维力标定加载装置,对组成测试系统的四个测力单元进行了静态标定实验。搭建了卧式推力矢量测试系统,通过三向标定实验得到测试系统的各向静态性能指标,进一步进行了偏斜模拟加载实验,模拟了矢量力的测试,并对测试装置进行了误差分析与研究。通过动态敲击实验获得整体测试系统的三向固有频率。由实验结果可知,推力矢量测试系统的各向静态性能及动态性能均满足测试要求,能够实现对固体火箭发动机推力矢量的高精度测量。探究了质量/质心变化的模拟实验。在卧式推力矢量测试系统上安装了发动机模型,通过三向标定实验得到安装模型后的测试系统各向性能,均满足测试要求。针对固体火箭发动机工作过程中自重变化带来的影响,设计了质量/质心模拟加载实验,对测试系统进行了测试精度研究,并对出现的误差进行了分析与补偿研究。