真空羽流氣動(dòng)力測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種真空羽流氣動(dòng)力測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法。真空羽流氣動(dòng)力測(cè)量系統(tǒng)包括真空艙、發(fā)動(dòng)機(jī)、測(cè)力模型、羽流保護(hù)罩、位移機(jī)構(gòu)、安裝基座以及六分量天平測(cè)力系統(tǒng)。本發(fā)明使用小量程六分量天平作為測(cè)力元件進(jìn)行真空羽流氣動(dòng)力的直接測(cè)量，測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確；本發(fā)明針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)真空羽流高溫高速的特點(diǎn)，使用硬鋁作為材料設(shè)計(jì)測(cè)力模型和羽流保護(hù)罩，避免測(cè)力模型和六分量天平受到破壞；本發(fā)明使用位移機(jī)構(gòu)帶動(dòng)六分量天平和測(cè)力模型掃描羽流場(chǎng)，可以在一次關(guān)艙實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多個(gè)工況、多個(gè)位置的氣動(dòng)力測(cè)量。真空羽流氣動(dòng)力測(cè)量方法的步驟為：校準(zhǔn)六分量天平；計(jì)算六分量天平工作公式；安裝實(shí)驗(yàn)設(shè)備；開展實(shí)驗(yàn)；數(shù)據(jù)處理。
【專利說明】真空羽流氣動(dòng)力測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氣動(dòng)力測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法，特別涉及在真空條件下測(cè)量真空羽流氣動(dòng)力的測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)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(dòng)機(jī)，這些發(fā)動(dòng)機(jī)在高真空環(huán)境下工作時(shí)，其噴流會(huì)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(huì)撞擊航天器表面，產(chǎn)生附加的擾動(dòng)力和擾動(dòng)力矩，給航天器的正常運(yùn)行帶來不利影響，這種擾動(dòng)力和擾動(dòng)力矩統(tǒng)稱為真空羽流氣動(dòng)力。真空羽流氣動(dòng)力帶來的不利影響通常需要其它的發(fā)動(dòng)機(jī)做功來修正，而航天器所能攜帶的推進(jìn)劑是有限的，因此真空羽流氣動(dòng)力會(huì)額外增加推進(jìn)劑的消耗，降低航天器的壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致航天器的失效。
[0003]真空羽流氣動(dòng)力的測(cè)量方法包括空間搭載測(cè)量和地面模擬測(cè)量。空間搭載測(cè)量是在航天器的實(shí)際運(yùn)行中通過測(cè)量軌道偏移或軌道修正等方式計(jì)算得到真空羽流氣動(dòng)力，獲得的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，但測(cè)量成本高、周期長(zhǎng)、次數(shù)少，且測(cè)量數(shù)據(jù)有限。地面模擬測(cè)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(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)或模擬發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)工況，測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的真空羽流氣動(dòng)力。雖然地面模擬測(cè)量的環(huán)境與空間搭載測(cè)量有一定偏差，但測(cè)量成本低，可根據(jù)需要進(jìn)行不同工況和不同狀態(tài)的測(cè)量，更適合進(jìn)行工程分析和科學(xué)研究。
[0004]傳統(tǒng)的氣動(dòng)力測(cè)量方法是在測(cè)力模型表面鉆取很多測(cè)壓孔，通過測(cè)壓管連接壓強(qiáng)傳感器，獲得測(cè)壓孔的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，再積分得到整個(gè)測(cè)力模型所受的氣動(dòng)力。由于測(cè)壓孔是離散的，因此獲得的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)也是離散的，無法得到孔間隔處準(zhǔn)確的壓強(qiáng)信息，導(dǎo)致積分得到的氣動(dòng)力產(chǎn)生不可避免的誤差；若鉆取大量的測(cè)壓孔，則需要大量的管路、傳感器、線纜等，時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本高昂。
[0005]由于地面模擬設(shè)備建設(shè)投資大，國(guó)內(nèi)對(duì)于真空羽流氣動(dòng)力的研究大多是在理論分析和數(shù)值仿真層面，進(jìn)行的有限的實(shí)驗(yàn)研究也因?yàn)榈孛婺M設(shè)備真空能力的不足而無法更加真實(shí)地獲得真空羽流氣動(dòng)力的數(shù)據(jù)。2007年國(guó)防科工局立項(xiàng)、北京航空航天大學(xué)投建的真空羽流效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，是國(guó)內(nèi)首座專門用于羽流效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究的大型地面模擬系統(tǒng)。目前，國(guó)內(nèi)尚無專門針對(duì)大型真空羽流效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的氣動(dòng)力測(cè)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(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供一種真空羽流氣動(dòng)力測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法，能夠直接、準(zhǔn)確測(cè)量小推力發(fā)動(dòng)機(jī)的真空羽流對(duì)測(cè)力模型產(chǎn)生的真空羽流氣動(dòng)力。
[0007]真空羽流氣動(dòng)力測(cè)量系統(tǒng)包括真空艙、發(fā)動(dòng)機(jī)、測(cè)力模型、羽流保護(hù)罩、位移機(jī)構(gòu)、安裝基座以及六分量天平測(cè)力系統(tǒng)。
[0008]所述的六分量天平測(cè)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(hào)線纜、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)線纜穿艙法蘭、艙外信號(hào)線纜以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
[0009]所述的發(fā)動(dòng)機(jī)和位移機(jī)構(gòu)均安裝固定于真空艙中，安裝基座固定于位移機(jī)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(hù)罩，羽流保護(hù)罩上固定測(cè)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(hào)輸出先經(jīng)艙內(nèi)信號(hào)線纜連接至信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊通過艙內(nèi)信號(hào)線纜連接至信號(hào)線纜穿艙法蘭，再經(jīng)艙外信號(hào)線纜連接至置于真空艙外的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行測(cè)力信號(hào)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(dòng)力矩2N.m，俯仰力矩5Ν.m，擺動(dòng)力矩10Ν.m，此量程適合于真空羽流實(shí)驗(yàn)所用的小發(fā)動(dòng)機(jī)的真空羽流氣動(dòng)力測(cè)量。
[0011]所述的測(cè)力模型選用硬鋁為材料，硬鋁的密度低、導(dǎo)熱性好，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制其質(zhì)量小于150g，避免對(duì)六分量天平產(chǎn)生過大的預(yù)載荷，并能有效地降低測(cè)力模型被高溫高速羽流破壞的可能。
[0012]所述的羽流保護(hù)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(shí)，羽流保護(hù)罩還作為六分量天平和測(cè)力模型的連接件。
[0013]真空羽流氣動(dòng)力測(cè)量方法，包括以下幾個(gè)步驟:
[0014](I)校準(zhǔn)六分量天平；
[0015](2)計(jì)算六分量天平工作公式；
[0016](3)安裝實(shí)驗(yàn)設(shè)備；
[0017](4)開展實(shí)驗(yàn)；
[0018](5)數(shù)據(jù)處理。
[0019]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0020](I)使用小量程六分量天平作為測(cè)力元件進(jìn)行真空羽流氣動(dòng)力的直接測(cè)量，避免通過壓強(qiáng)積分方法造成的誤差，并能更加準(zhǔn)確地測(cè)量真空羽流實(shí)驗(yàn)所用的小推力發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的真空羽流氣動(dòng)力；
[0021](2)針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)羽流高溫高速的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)羽流保護(hù)罩保護(hù)六分量天平，避免羽流對(duì)六分量天平造成損害；
[0022](3)針對(duì)大型真空羽流效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)信號(hào)線纜較長(zhǎng)的情況，將信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換模塊將六分量天平輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，避免測(cè)力信號(hào)在傳輸過程中衰減；
[0023](4)使用位移機(jī)構(gòu)帶動(dòng)六分量天平和測(cè)力模型掃描羽流流場(chǎng)，可以在一次關(guān)艙實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多個(gè)工況、多個(gè)位置的氣動(dòng)力測(cè)量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1:本發(fā)明中真空羽流氣動(dòng)力測(cè)量系統(tǒng)連接關(guān)系示意圖。
[0025]圖中:
[0026]1-真空艙2-發(fā)動(dòng)機(jī)3-測(cè)力模型[0027]4-羽流保護(hù)罩5-位移機(jī)構(gòu)501安裝基座
[0028]600-六分量天平測(cè)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(hào)線纜607-信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊608-艙內(nèi)信號(hào)線纜
[0031]609-信號(hào)線纜穿艙法蘭610-艙外信號(hào)線纜611-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0033]本發(fā)明是一種真空羽流氣動(dòng)力測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法。
[0034]本發(fā)明的真空羽流氣動(dòng)力測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示，包括真空艙1、發(fā)動(dòng)機(jī)2、測(cè)力模型
3、羽流保護(hù)罩4、位移機(jī)構(gòu)5、安裝基座501以及六分量天平測(cè)力系統(tǒng)600。
[0035]所述的六分量天平測(cè)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(hào)線纜606、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊607、艙內(nèi)信號(hào)線纜60 8、信號(hào)線纜穿艙法蘭609、艙外信號(hào)線纜610以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)611。
[0036]所述的發(fā)動(dòng)機(jī)2和位移機(jī)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(jī)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(hù)罩4，羽流保護(hù)罩4上固定測(cè)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(hào)輸出先經(jīng)艙內(nèi)信號(hào)線纜606連接至信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊607，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊607通過艙內(nèi)信號(hào)線纜608連接至信號(hào)線纜穿艙法蘭609，再經(jīng)艙外信號(hào)線纜610連接至置于真空艙外的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)611，進(jìn)行測(cè)力信號(hào)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(dòng)力矩2N *m,俯仰力矩5N.πι，擺動(dòng)力矩ΙΟΝ.πι，此量程適合于真空羽流實(shí)驗(yàn)所用的小發(fā)動(dòng)機(jī)的真空羽流氣動(dòng)力測(cè)量。
[0038]所述的測(cè)力模型3選用硬鋁為材料，硬鋁的密度低、導(dǎo)熱性好，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制其質(zhì)量小于150g，避免對(duì)六分量天平601產(chǎn)生過大的預(yù)載荷，并能有效地降低測(cè)力模型3被高溫高速羽流破壞的可能。
[0039]所述的羽流保護(hù)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(shí)，羽流保護(hù)罩4還作為六分量天平601和測(cè)力模型3的連接件。
[0040]本發(fā)明的真空羽流氣動(dòng)力測(cè)量方法，具體包括以下幾個(gè)步驟:
[0041](I)校準(zhǔn)六分量天平:先進(jìn)行單分量加載，將天平各分量的校準(zhǔn)載荷分成7個(gè)以上等間距加載點(diǎn)，進(jìn)行等階梯加載與卸載，各重復(fù)3次；再進(jìn)行二分量組合加載，將天平一個(gè)分量加載到它的設(shè)計(jì)量程的70%，再將天平另一個(gè)分量的校準(zhǔn)載荷分成7個(gè)以上等間距加載點(diǎn)，進(jìn)行等階梯加載與卸載，各重復(fù)3次；
[0042](2)計(jì)算六分量天平工作公式:對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備:將各實(shí)驗(yàn)設(shè)備按照?qǐng)D1所示的連接關(guān)系進(jìn)行安裝和連接，校準(zhǔn)并測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)和測(cè)力模型的空間相對(duì)位置；
[0044](4)開展實(shí)驗(yàn):待真空艙I達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需真空度時(shí)，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)2的點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，通過改變發(fā)動(dòng)機(jī)2的工質(zhì)供應(yīng)參數(shù)，或操作位移機(jī)構(gòu)5改變測(cè)力模型3的空間位置，采集不同工況、不同位置時(shí)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(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到測(cè)力模型3所受的氣動(dòng)力。
【權(quán)利要求】
1.真空羽流氣動(dòng)力測(cè)量系統(tǒng)，包括真空艙1、發(fā)動(dòng)機(jī)2、測(cè)力模型3、羽流保護(hù)罩4、位移機(jī)構(gòu)5、安裝基座501以及六分量天平測(cè)力系統(tǒng)600 ； 所述的六分量天平測(cè)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(hào)線纜606、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊607、艙內(nèi)信號(hào)線纜608、信號(hào)線纜穿艙法蘭609、艙外信號(hào)線纜610以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)611 ； 所述的發(fā)動(dòng)機(jī)2和位移機(jī)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(jī)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(hù)罩4，羽流保護(hù)罩4上固定測(cè)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(hào)輸出先經(jīng)艙內(nèi)信號(hào)線纜606連接至信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊607，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊607通過艙內(nèi)信號(hào)線纜608連接至信號(hào)線纜穿艙法蘭609，再經(jīng)艙外信號(hào)線纜610連接至置于真空艙外的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)611，進(jìn)行測(cè)力信號(hào)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(dòng)力矩2N.m,俯仰力矩5N.m,擺動(dòng)力矩ION.m ;如權(quán)利要求1所述的測(cè)力模型3選用硬鋁為材料，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制其質(zhì)量小于150g ;如權(quán)利要求1所述的羽流保護(hù)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(shí)羽流保護(hù)罩4還作為六分量天平601和測(cè)力模型3的連接件。
3.真空羽流氣動(dòng)力測(cè)量方法，包括以下幾個(gè)步驟: (1)校準(zhǔn)六分量天平； (2)計(jì)算六分量天平工作公式； (3)安裝實(shí)驗(yàn)設(shè)備； (4)開展實(shí)驗(yàn)； (5)數(shù)據(jù)處理。
【文檔編號(hào)】G01M9/00GK103616154SQ201310627429
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)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(guó)飆, 王文龍 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)