姿控火箭发动机脉动推力测试系统的研制

论文摘要

姿控火箭发动机是现代空间飞行器的重要组成部分,广泛应用于航天飞机、飞船、动力拦截器、卫星及多级运载器,主要作用是轨道控制、姿态调整、末速修正等。姿控火箭发动机脉动推力的精确测量对于空间飞行器纠偏调姿具有非常重要的意义,不仅能使飞行器及时准确的调整到合适姿态,还能够避免反复调整造成的燃料浪费。针对小推力姿控火箭发动机的特点和测量要求,结合压电石英力传感器对动态力测量的优良特性,设计了一种压电石英推力测量平台。采用两个对称布置的压电石英力传感器作为测力平台的核心,分别采用3对yx单元晶组来测量剪切方向的力,用这种石英晶体多片组合的方法来提高灵敏度,实现对小力值的准确测量。以压电石英测力平台为核心,建立起一套小力值火箭发动机推力测量的静态标定装置,解决了静态标定中液压加载出现的问题。采用解析法和有限元法计算了弹性环刚度,用理论计算验证有限元方法的正确性,并通过实验验证了这两种方法的计算结果。对弹性环进行了刚度固有频率分析,合理选择了弹性环参数,提高了测力平台的输出灵敏度。通过实验获得了测力平台的各项静态性能指标,并对该静态标定系统进行了不确定度分析。结果表明:该压电石英测力平台具有良好的静态特性,其线性度、重复性指标都在0.5%以内,最小分辨力为50mN,且该静态标定系统测量结果的不确定度小于2%。因此,该静态标定系统能够对压电石英测力平台进行标定,测力平台的各项静态指标也能够满足小推力姿控火箭发动机的测量要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题来源及要求
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 2 总体设计方案
• 2.1 姿控火箭发动机脉动推力的测试难点
• 2.2 测力平台的结构设计
• 2.2.1 压电石英传感器晶组的选择
• 2.2.2 压电石英传感器的装配及使用要求
• 2.3 静态标定系统方案设计
• 2.3.1 标定力传递方式的选择
• 2.3.2 标定力加载方式的选择
• 2.3.3 转接架的设计
• 2.3.4 测试系统信号采集与处理硬件及软件
• 2.3.5 隔热屏的设计
• 2.4 测试系统的特点
• 2.5 本章小结
• 3 测力平台结构分析
• 3.1 弹性环的刚度计算
• 3.1.1 解析法
• 3.1.2 有限元法
• 3.1.3 两种方法结果对比
• 3.2 弹性环的参数选择
• 3.2.1 参数选择分析目标
• 3.2.2 弹性环参数的刚度固有频率分析
• 3.3 弹性环刚度固有频率的实验验证
• 3.3.1 弹性环的刚度实验
• 3.3.2 弹性环的固有频率实验
• 3.4 测力平台的疲劳寿命分析
• 3.5 本章小结
• 4 测力平台静态标定系统分析与数据处理
• 4.1 静态标定存在问题与解决方法
• 4.1.1 静态标定存在问题分析
• 4.1.2 静态标定存在问题解决方法
• 4.2 静态标定实验数据分析
• 4.2.1 选择不同标定区间的试验数据处理及分析
• 4.2.2 在不同预载下的试验数据处理及分析
• 4.2.3 不同液压加载情况下的数试验数据处理及分析
• 4.2.4 加热影响下的试验数据处理及分析
• 4.2.5 刚度固有频率分析后的试验数据处理及分析
• 4.3 本章小结
• 5 测试系统的不确定度分析
• 5.1 测量不确定度的定义及分类
• 5.2 产生测量不确定度的原因
• 5.3 用A类评定方法分析系统的不确定度
• 5.4 采用B类评定方法分析系统的不确定度
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 实物照片
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢